Физический смысл хладноломкости стали. Категории стали по ударной вязкости

Хрупкое разрушение часто упоминается как наиболее опасный вид разрушения из-за его внезапности и быстрого распространения трещин без предвестников пластической деформации. Температура, скорость деформации и состав материала являются ключевыми факторами, влияющими на склонность к хрупкому разрушению.

Для оценки сопротивления сталей хрупкому разрушению используются различные методы, включая испытания на ударный изгиб и анализ вязкости разрушения. 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

Их можно разделить на внутренние и внешние: к внутренним относится то, что определяется структурой и составом стали, к внешним — факторы окружающей среды и ситуации нагружения.

Внутренние

1. Химический состав и количество легирующих элементов.
   

   Рисунок 1 — Количество легирующих элементов

2. Тип кристаллической решетки, структура и размер зерна.
   Объёмно-центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кристаллические решетки влияют на механические свойства стали. Структура и размер зерна также важны: крупнозернистые стали более склонны к хрупкости.

   Рисунок 2 — Структура и размер зерна

ОЦК — объёмно-центрированная кристаллическая решетка
ГЦК — гранецентрированная кристаллическая решетка
3. Наличие вредных примесей.
   Примеси (S, P) увеличивают хладноломкость, особенно в высокоуглеродистых сталях, наличие газов (N, O, H) и дефектов кристаллического строения (дислокации и пр.) также снижает порог хладноломкости.

   Рисунок 3 — Влияние никеля на сопротивление хрупкому разрушению

4. Содержание углерода.

   Рисунок 4 — Содержание углерода

5. Метод выплавки стали.
   Способ выплавки и термическая обработка изменяет структуру стали и, как следствие, влияет на показатель хладноломкости. Например, закалка на бейнит снижает склонность к хрупкому разрушению по сравнению с закалкой на мартенсит.

Внешние

1. Температура.
   Понижение температуры является основным фактором, приводящим к охрупчиванию стали.
2. Скорость нагружения.
   Увеличение скорости нагружения повышает порог хладноломкости. Так температура хладноломкости стали с 0,2% углерода при скорости нагружения 6,2х10⁴ м/сек около минус 80 °С, а при скорости 83,3 м/сек около +20 °С;
3. Наличие концентраторов напряжений.
   Острота и глубина надрезов или трещин могут повысить температуру хладноломкости.
4. Масштабный фактор.
   Увеличение размеров изделия может повысить порог хладноломкости.

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