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.

     Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. Рисунок 1 - Количество легирующих элементов

  2. Тип кристаллической решетки. Структура и размер зерна.

     Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. 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).

     Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. Рисунок 3 - Влияние никеля на сопровтивление хрупкому разрушению

  4. Содержание углерода.

     Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. 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.

 Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. 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 Адеф и распространение трещины Аразр в испытуемом образце.

 Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. 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.

 Проверка результатов ручного расчета на поперечный изгиб методом конечных элементов в программе ЛИРА 10. 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]

Нормируемая характеристика

Категория

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Ударная вязкость KCU при температуре испытаний, ℃

-20

-40

-70

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

Ударная вязкость KCV при температуре испытаний, ℃

0

-20

-40

-60

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 


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

Список литературы

  1. Гуляев А.П. Чистая сталь. М. Металлургия 1975г. 184 с.
  2. ГОСТ 27772—2021. Межгосударственный стандарт. Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические требования.
Скрыть навигацию
Не нашли ответ на свой вопрос?
Напишите нам. Наши инженеры готовы обсудить задачу и дать профессиональную консультацию
ФИО*
Телефон или e-mail
Опишите ваш вопрос
На сайте используются cookie-файлы, которые помогают показывать Вам самую актуальную информацию. Продолжая пользоваться сайтом, Вы даете согласие на использование ваших метаданных и Cookie-файлов.