Руководство по материалам для криогенных сосудов высокого давления (часть вторая)
2. Химический состав
Для сталей, используемых длякриогенные сосуды под давлением, увеличение содержания углерода повысит хрупкость материала и температуру хрупкого перехода. Поэтому содержание углерода в низкотемпературной стали не должно превышать 0,2 %. В последние годы наблюдается тенденция разработки и применения стали с низким содержанием углерода (< 0,15 %) или микроуглеродом (< 0,06 %).
Марганец является элементом, расширяющим аустенитную область. Увеличение содержания марганца позволяет стали получать мелкие и прочные зерна феррита и перлита, тем самым улучшая ударную вязкость стали при низких температурах. Когда содержание углерода постоянно, увеличение соотношения марганец-железо может привести к низкой температуре невязкого перехода. Когда содержание углерода снижено, а отношение марганца к углероду увеличено, температура невязкого перехода снижается, и допустимая температура использования стального листа снижается.
Никель также является важным элементом, улучшающим низкотемпературную вязкость стали даже лучше, чем марганец. При содержании никеля 3,5% сталь может сохранять высокую ударную вязкость при -100 °С, а сталь с содержанием никеля 9% может быть устойчива к низким температурам до -196 °С и использоваться в качестве емкости для жидкого азота.
3. Размер зерна
Размер зерна является еще одним фактором, который может в значительной степени повлиять на хрупкое разрушение стали при низких напряжениях. Мелкое зерно не только повышает прочность металла на излом, но и снижает температуру хрупкого перехода. Это связано с наличием примесей и хрупких фаз в границах зерен, что часто является причиной трещин.
Измельчение зерна, с одной стороны, делает относительно малой хрупкую фазу на единицу площади, увеличивает поверхностную энергию, снижает вероятность образования трещины и ее расширения, тем самым повышая низкотемпературную стойкость стали к хрупкому разрушению. С другой стороны, характеристики мелкозернистой стали относительно однородны, что снижает температуру хрупкого перехода.
4. Включения
Фосфор склонен к сегрегации по границам зерен, а кислород в стали осаждается на границах зерен в виде различных оксидов, оба из которых значительно повышают температуру хрупкого перехода стали, что приводит к хрупкому разрушению при низких напряжениях. Поэтому низкотемпературная сталь должна быть полностью раскислена. Например, низкотемпературная вязкость спокойной стали лучше, чем у кипящей стали, если для раскисления использовать кремний и алюминий, или алюминий и титан (ванадий, ниобий), зерно можно дополнительно измельчить, а его низкотемпературную жесткость лучше.
Достаточное раскисление позволяет не только эффективно снизить содержание кислорода, серы, фосфора и других газов, но и сфероидизировать включения, уменьшить накопление дислокаций и тем самым снизить температуру хрупкого перехода стали.
Испытания показали, что низкотемпературная хрупкость очень чистых металлов не зависит от типа зерна. Например, чистое железо без углерода, азота, кислорода или бора пластифицируется даже при низкой температуре 4К. Однако большое влияние на хрупкое разрушение при низких напряжениях оказывают примеси (особенно хрупкая фаза границы зерен). Небольшое количество углерода, кислорода и азота в железо-хромовом сплаве с 25% Cr, например, является важной причиной хрупкого разрушения при низких напряжениях.
5. Термическая обработка
Термическая обработка оказывает большое влияние на хрупкое разрушение стали при низких напряжениях. Закалка и отпуск являются распространенными методами получения ферритных и зернистых карбидных структур, которые позволяют значительно повысить низкотемпературную вязкость стали. Однако по мере повышения температуры отпуска во время закалки и отпуска агрегация гранулированных карбидов неблагоприятно влияет на низкотемпературную ударную вязкость, поэтому температуру отпуска во время отпуска следует строго контролировать.
Нормализация является наиболее распространенным методом термической обработки низкотемпературной стали. Если содержание легирующих элементов в стали увеличивается, температура нормализации должна быть соответственно увеличена. Отожженная структура стали более грубая, чем нормализованная, и ее низкотемпературная ударная вязкость намного хуже, чем у нормализованной или закаленной и отпущенной обработки. Поэтому сталь для криогенныхне отжигается. В случаекриогенный сосуд высокого давленияи его компонентов под давлением, требующих послесварочной термической обработки, температура послесварочной термической обработки ни при каких обстоятельствах не должна превышать температуру отпуска стали.
Термическая обработка также тормозит выделение хрупкой фазы с границы зерна, изменяет морфологию, размер, количество, распределение выделяющейся фазы, однородную структуру, повышает прочность и низкотемпературную вязкость стали. Некоторое количество остаточного аустенита или феррита в отпущенной структуре (отпущенный мартенсит) может эффективно предотвратить расширение трещины.
Для сталей, используемых длякриогенные сосуды под давлением, увеличение содержания углерода повысит хрупкость материала и температуру хрупкого перехода. Поэтому содержание углерода в низкотемпературной стали не должно превышать 0,2 %. В последние годы наблюдается тенденция разработки и применения стали с низким содержанием углерода (< 0,15 %) или микроуглеродом (< 0,06 %).
Марганец является элементом, расширяющим аустенитную область. Увеличение содержания марганца позволяет стали получать мелкие и прочные зерна феррита и перлита, тем самым улучшая ударную вязкость стали при низких температурах. Когда содержание углерода постоянно, увеличение соотношения марганец-железо может привести к низкой температуре невязкого перехода. Когда содержание углерода снижено, а отношение марганца к углероду увеличено, температура невязкого перехода снижается, и допустимая температура использования стального листа снижается.
Никель также является важным элементом, улучшающим низкотемпературную вязкость стали даже лучше, чем марганец. При содержании никеля 3,5% сталь может сохранять высокую ударную вязкость при -100 °С, а сталь с содержанием никеля 9% может быть устойчива к низким температурам до -196 °С и использоваться в качестве емкости для жидкого азота.
3. Размер зерна
Размер зерна является еще одним фактором, который может в значительной степени повлиять на хрупкое разрушение стали при низких напряжениях. Мелкое зерно не только повышает прочность металла на излом, но и снижает температуру хрупкого перехода. Это связано с наличием примесей и хрупких фаз в границах зерен, что часто является причиной трещин.
Измельчение зерна, с одной стороны, делает относительно малой хрупкую фазу на единицу площади, увеличивает поверхностную энергию, снижает вероятность образования трещины и ее расширения, тем самым повышая низкотемпературную стойкость стали к хрупкому разрушению. С другой стороны, характеристики мелкозернистой стали относительно однородны, что снижает температуру хрупкого перехода.
4. Включения
Фосфор склонен к сегрегации по границам зерен, а кислород в стали осаждается на границах зерен в виде различных оксидов, оба из которых значительно повышают температуру хрупкого перехода стали, что приводит к хрупкому разрушению при низких напряжениях. Поэтому низкотемпературная сталь должна быть полностью раскислена. Например, низкотемпературная вязкость спокойной стали лучше, чем у кипящей стали, если для раскисления использовать кремний и алюминий, или алюминий и титан (ванадий, ниобий), зерно можно дополнительно измельчить, а его низкотемпературную жесткость лучше.
Достаточное раскисление позволяет не только эффективно снизить содержание кислорода, серы, фосфора и других газов, но и сфероидизировать включения, уменьшить накопление дислокаций и тем самым снизить температуру хрупкого перехода стали.
Испытания показали, что низкотемпературная хрупкость очень чистых металлов не зависит от типа зерна. Например, чистое железо без углерода, азота, кислорода или бора пластифицируется даже при низкой температуре 4К. Однако большое влияние на хрупкое разрушение при низких напряжениях оказывают примеси (особенно хрупкая фаза границы зерен). Небольшое количество углерода, кислорода и азота в железо-хромовом сплаве с 25% Cr, например, является важной причиной хрупкого разрушения при низких напряжениях.
5. Термическая обработка
Термическая обработка оказывает большое влияние на хрупкое разрушение стали при низких напряжениях. Закалка и отпуск являются распространенными методами получения ферритных и зернистых карбидных структур, которые позволяют значительно повысить низкотемпературную вязкость стали. Однако по мере повышения температуры отпуска во время закалки и отпуска агрегация гранулированных карбидов неблагоприятно влияет на низкотемпературную ударную вязкость, поэтому температуру отпуска во время отпуска следует строго контролировать.
Нормализация является наиболее распространенным методом термической обработки низкотемпературной стали. Если содержание легирующих элементов в стали увеличивается, температура нормализации должна быть соответственно увеличена. Отожженная структура стали более грубая, чем нормализованная, и ее низкотемпературная ударная вязкость намного хуже, чем у нормализованной или закаленной и отпущенной обработки. Поэтому сталь для криогенныхне отжигается. В случаекриогенный сосуд высокого давленияи его компонентов под давлением, требующих послесварочной термической обработки, температура послесварочной термической обработки ни при каких обстоятельствах не должна превышать температуру отпуска стали.
Термическая обработка также тормозит выделение хрупкой фазы с границы зерна, изменяет морфологию, размер, количество, распределение выделяющейся фазы, однородную структуру, повышает прочность и низкотемпературную вязкость стали. Некоторое количество остаточного аустенита или феррита в отпущенной структуре (отпущенный мартенсит) может эффективно предотвратить расширение трещины.
English
Español
русский