Проблема хладноломкости низкоуглеродистых сталей

19.09.2025

Хрупкость при отрицательных температурах проявляется в ферритных сплавах при переходе от пластичного разрушения к хрупкому в узком температурном диапазоне, который определяется кривой ударной энергии. Для практического расчёта привлекают кривые Шарпи и понятие температуры T_28J, где определяют температуру, при которой средняя энергия трёх образцов равна 27 Дж.

Химический состав существенно влияет на положение переходной зоны: содержание углерода, марганца, фосфора и серы формирует структуру и склонность к межкристаллитной сегрегации, а микроэлементы медь и никель понижают переходные температуры. Для практических расчётов ориентиры по составу следует брать из технических условий на марку, у S235 предел C обычно до 0.17–0.22 %, у S355 до 0.24 %.

Толщина и режим прокатки смещают температуру перехода на более высокие значения при увеличении сечения; ориентировочно при толщине 40–100 мм значение T_28J может повыситься на 20–60 °C относительно тонколистовой поставки. Для поставок с толщинами свыше 16 мм и с особыми требованиями по холодостойкости пользуются таблицами стандарта при выборе подгруппы.

При расчётах прочности по методу трещиностойкости вводят параметр K_IC и коэффициент напряжённости K_I, где K_I = Y * sigma * sqrt(pi * a). Хрупкое нарушение наступает при приближении K_I к K_IC при условии низкой пластичности в вершине дефекта; это правило применяют для оценки критического размера трещины и для задания контрольных критериев.

Нормативы Евросоюза задают критерии холодостойкости в виде подгрупп JR, J0, J2 и K2: минимальная ударная энергия 27 Дж при +20 °C, 0 °C, −20 °C и −20 °C при 40 Дж соответственно, что оговаривается в EN 10025 и учитывается при заказе поставки. Для проектировщика это означает явное требование указывать нужную подгруппу в закупочной документации.

Российские документы описывают методику измерений по ГОСТ 9454 и ГОСТ Р ИСО 148-1; в сертификате партии должны быть отметки по температуре испытаний и направлению шлифа. Эти стандарты регламентируют подготовку образцов, геометрию надреза и порядок вычисления средней энергии.

Температурный интервал перехода для низкоуглеродистых марок может лежать между −60 °C и +40 °C в зависимости от легирования и термической обработки, что создаёт необходимость выбора поставки с требуемой подгруппой. При проектировании задают эксплуатационную температуру с запасом 20–30 °C ниже T_28J, если присутствует возможность ударной нагрузки или резкого охлаждения.

Повышение прочности часто сопровождается ухудшением вязкости, поэтому марки с пределом текучести выше 460 МПа требуют внимания: замена сорта без корректировки требований по ударной вязкости может сдвинуть переход на более высокие температуры. Для балок и колонн обычно указывают сорта S с подгруппой J0 или J2 и состоянием поставки +N, где это оговорено техническим заданием.

Режимы сварки влияют на структуру околошовной зоны; в практике применяют формулы EN 1011-2 для расчёта преднагрева: Tp = 697 * CET + 160 * tanh(d/35) + 62 * HD + (53 - 32) * CET * Q - 328, где Tp — температура преднагрева в °C, d — толщина в мм, HD — содержание диффузного водорода, Q — теплоотдача в кДж/мм. Для CEV более 0.40 рекомендуется повышенный преднагрев, при CEV ≥ 0.60 принимают обязательные меры по контролю скорости охлаждения.

В сварочной подготовке используют показатель CEV для оценки склонности к образованию мартенсита: CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15, по нему определяют необходимость преднагрева и допустимые режимы тепловложения. Этот ориентир позволяет быстро оценить смену микроструктуры в зоне термического влияния.

Наличие концентраторов напряжения и дефектов сварки снижает допустимый критический размер трещины; при расчёте трещиностойкости проверяют соотношение K_I <= K_IC при эксплуатационной температуре и нагрузке. На стадии конструирования задают максимальные допустимые глубины подрезов, радиусы корней швов и лимит HAZ-твердости — обычно не выше 350 HV для ответственных узлов.

Хрупкое разрушение провоцирует не только холод, но и агрессивные среды с водородом или H2S, что приводит к снижению пластичности и ускоренному развитию подповерхностных дефектов; в таких условиях требуются материалы с низким содержанием серы и фосфора и дополнительная очистка металла на стадии плавки. Для узлов низкотемпературного сервиса задают ориентиры: C < 0.20 %, P < 0.03 %, S < 0.03 %.

Практические требования к документации включают указание подгруппы JR/J0/J2/K2, температуру испытаний, направление образцов (longitudinal), размеры поставляемого проката и состояние (AR, +N). Для мостов и критичных опор рекомендуют марки с J2 или K2, в то время как для ограждений и непосадочных элементов допускают JR при отсутствии ударов в холодном климате.

Толщина образцов и геометрия надреза регламентированы ISO 148-1: стандартный образец 55×10×10 мм с V-надрезом глубиной 2 мм и углом 45°, что обеспечивает сопоставимость результатов между лабораториями. В протоколе указывают среднее значение трёх испытаний, температуру каждого пика и вид разлома, это критично для сопоставления поставочных требований.

При составлении технических условий указывайте требуемую подгруппу ударной вязкости (JR, J0, J2 или K2), предельную толщину, направленность результатов и минимальную энергию в Дж. Для ответственных конструкций оговаривайте оценку трещиностойкости K_IC и требование по максимальному значению твердости в HAZ, что в ряде нормативов эквивалентно контролю допустимого уровня пластичности.

Наконец, при выборе марки и технологии изготовления задавайте конкретные числовые параметры: CEV не более 0.35 для простых изделий, преднагрев по расчёту EN 1011-2, средняя энергия Charpy 27 Дж при указанной температуре, а допустимая твердость после сварки не выше 350 HV. Соблюдение этих значений снижает вероятность холодного хрупкого разрушения и делает поведение металлоконструкции предсказуемым в заданных климатических условиях.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев