Физический смысл хладноломкости стали. Категории стали по ударной вязкости

По статистике в более 80% от всех случаев причиной разрушения несущих конструкций является хрупкое разрушение от ударных нагрузок при низких температурах. Хрупкое разрушение стали крайне опасно тем, что под действием динамической нагрузки оно происходит внезапно, без заметной предварительной пластической деформации. Поэтому недостаточно оценивать несущую способность конструкций только по механическим свойствам материала, полученных экспериментально с помощью статических испытаний на разрыв (например, прочность и пластичность). Основной критерий динамической прочности конструкционных материалов — механическое сопротивление ударному разрушению, который описывается общепринятой характеристикой — ударной вязкостью.

Факторы, оказывающие влияние на хладноломкость стали [1]:

1. Химический состав. Количество легирующих элементов.

   Рисунок 1 — Количество легирующих элементов

2. Тип кристаллической решетки. Структура и размер зерна.

   Рисунок 2 — Структура и размер зерна

   ОЦК - объёмно-центрированная кристаллическая решетка
   ГЦК – гранецентрированная кристаллическая решетка

3. Чистота стали. Наличие вредных примесей (S, P), газов (N, O, H) и дефектов кристаллического строения (дислокации и т д).

    Рисунок 3 — Влияние никеля на сопротивление хрупкому разрушению

4. Содержание углерода.

   Рисунок 4 — Содержание углерода

5. Метод выплавки стали.

Характеры разрушений образцов на ударную вязкость

Различные характеры изломов образцов после испытаний на ударную вязкость представлены на рисунке 5. Поверхность разрушения может быть в дальнейшем изучена с помощью фрактографических исследований, включающих в себя анализ излома невооруженным глазом с помощью оптического и электронного микроскопа. Цель фрактографии — проведение диагностики и определение причины разрушения объекта исследования.

Рисунок 5 — Образцы после испытаний. Сверху — вязкое разрушение, по середине — смешанное разрушение, внизу — хрупкое разрушение (без следов пластической деформации)

Определение ударной вязкости

Ударная вязкость KCU/V (Дж/см²) определяется, как отношение работы, затрачиваемой маятниковым копром на разрушение опытного образца A (Дж), отнесенной к его площади поперечного сечения в месте надреза F (см²) согласно ГОСТ 9454-78. Надрез является искусственным концентратором напряжений и может быть изготовлен вида U и V (рисунок 6). Стойкость на удар А складывается из двух работ: на зарождение А_деф и распространение трещины А_разр в испытуемом образце.

Рисунок 6 — Образцы с U-образным надрезом (а) и V-образным надрезом (б)

На ударную вязкость влияет степень вязкости/пластичности материала, скорость удара, температура испытания и геометрия образца. Например, ударная вязкость резко падает при температурах значительно ниже 0°С (рисунок 7). Поэтому, для работы стали в условиях низких температур требуется обеспечить её хладостойкость, т.е. регистрацию порога хладноломкости исследуемого материала в области крайне низких температур.

Рисунок 7 — Схема порога хладноломкости (а). Методика определения критической температуры хрупкости t50 (б)

Категории стали, производимые в ЕВРАЗ, по ударной вязкости

Компания ЕВРАЗ производит прокатные профили строительного назначения из стали по ГОСТ 27772-2021 (таблица 1) с повышенными категориями по ударной вязкости:

• С345/355 — категория 13;
• С255 — категория 12.

Таблица 1 — Требования по испытанию на ударную вязкость к разным категориям стали [2]

Можно сделать вывод, что согласно п. 6.1.4 ГОСТ 27772-2021, использование такой стали в условиях низких температур является безопасным мероприятием.

Список литературы