Хладостойкость и категории по температуре (KCU, KCV при t < 0 °C, Дж/см²) — способность стали не переходить в хрупкое состояние на морозе; задаётся ударной вязкостью при отрицательных температурах и категорией поставки.
Суть
При комнатной температуре углеродистая сталь разрушается вязко: перед изломом она заметно деформируется и поглощает много энергии. При охлаждении та же сталь в некотором интервале температур переходит в хрупкое состояние — излом становится кристаллическим, а работа разрушения падает в несколько раз. Это явление называют хладноломкостью, а температуру перехода — порогом хладноломкости (условно её обозначают T50: половина площади излома вязкая, половина хрупкая).
Хладостойкость — обратная сторона того же свойства: чем ниже порог хладноломкости, тем хладостойче сталь. Количественно её задают через ударную вязкость KCU или KCV при отрицательной температуре испытания и закрепляют категорией поставки в стандарте на марку. Опасность в том, что предел текучести σт и временное сопротивление σв на морозе не падают, а растут, поэтому по обычному растяжению хрупкую сталь не отличить от вязкой — нужен именно ударный изгиб.
От чего зависит
- Тип решётки. Хладноломкость свойственна сталям с ОЦК-решёткой (феррит); аустенитные стали с ГЦК-решёткой резкого перехода не имеют и работают до криогенных температур.
- Раскисление и примеси. Кипящая сталь (кп) хладноломка сильнее спокойной (сп): у неё больше кислорода, азота и ликвации; фосфор и сера заметно поднимают порог хладноломкости — см. степень раскисления.
- Углерод и легирование. Рост содержания C ухудшает хладостойкость; никель, а также малые добавки ванадия и ниобия её улучшают — отсюда низколегированные стали 09Г2С, 10Г2 и никелевые стали для сжиженных газов.
- Размер зерна. Мелкое зерно снижает порог хладноломкости; нормализация и контролируемая прокатка — штатные способы его измельчить.
- Толщина и надрез. Толстая стенка и острый концентратор (V-образный надрез Шарпи, KCV) выявляют хрупкость раньше, чем тонкий лист и U-образный надрез Менаже (KCU).
Как читать категорию
В обозначении низколегированной стали по ГОСТ 19281 категория пишется через дефис после марки: 09Г2С-12 означает, что ударная вязкость проверена при −40 °C и после механического старения, 09Г2С-15 — при −70 °C. Для сталей обыкновенного качества по ГОСТ 535 и ГОСТ 14637 категории 4 и 5 включают испытание при −20 °C, а кипящая Ст3кп поставляется только низших категорий (не выше 3 по ГОСТ 14637 и не выше 2 по ГОСТ 535) — без нормирования на холоде.
Отдельно существует климатическое исполнение изделия по ГОСТ 15150: индекс ХЛ («северное исполнение») означает пригодность к работе при температуре воздуха до −60 °C. Категория стали и исполнение ХЛ — разные вещи: первое описывает металл, второе — готовую конструкцию, для которой сталь подбирают по нужной категории.
Ключевые числа
| Метод определения | Ударный изгиб по ГОСТ 9454, образец 10×10×55 мм; KCU — надрез U (Менаже), KCV — надрез V (Шарпи), Дж/см² |
|---|---|
| Ст3сп, категория 4 (ГОСТ 14637) | KCU при −20 °C ≥ 39 Дж/см² при толщине 5–9 мм, ≥ 29 Дж/см² при 10–25 мм |
| Ст3кп (ГОСТ 14637) | Категории только 1–3: испытание при отрицательной температуре не предусмотрено |
| 09Г2С-12 (ГОСТ 19281) | KCU при −40 °C ≥ 34 Дж/см² при толщине 10–20 мм |
| 09Г2С-15 (ГОСТ 19281) | KCU при −70 °C ≥ 29 Дж/см² при толщине 10–20 мм и после механического старения; категории по стандарту — от 1 до 15 |
| Сталь 20 (ГОСТ 1050) | KCU при отрицательной температуре нормируется только по требованию заказчика |
| Исполнение ХЛ (ГОСТ 15150) | Рабочая температура воздуха до −60 °C, предельная −70 °C |
| Аустенитная 12Х18Н10Т | Порога хладноломкости нет; применяется до −196 °C (жидкий азот) |
Где встречается в трубах
Для трубопровода на открытом воздухе решающей является не средняя, а минимальная температура стенки: при пуске в мороз или при опорожнении хрупкий металл разрушается без предупреждения. Поэтому для Севера, Сибири и наружных сетей заказывают трубы из спокойной стали с указанием категории ударной вязкости, а не просто «Ст3» или «сталь 20».
- Основная хладостойкая марка для труб — 09Г2С; для магистральных газонефтепроводов — 17Г1С с контролем KCV при отрицательных температурах.
- Бесшовные трубы из стали 20 по ГОСТ 8732 для холодного климата берут с оговорённой ударной вязкостью в заказе.
- Ст3кп для наружных ответственных конструкций не годится: подробнее о марках — в статье стали для труб.
- Требования к KCU/KCV для нефтегазовых труб — в обзоре труб для нефтегаза и в библиотеке стандартов.
- Смежные термины: ударная вязкость, нормализация, группы прочности.
Связанные термины
- Ударная вязкость KCU и KCVРабота, затраченная на разрушение надрезанного образца ударом; показывает, склонна ли сталь к хрупкому разрушению, особенно на холоде.
- Низколегированные сталиСтали с суммой легирующих до 2,5 % (09Г2С, 17Г1С, 10Г2): прочнее углеродистых при той же свариваемости, хладостойкие.
- Степень раскисления: сп, пс, кпСпокойная, полуспокойная и кипящая сталь различаются остаточным кислородом; для сварных конструкций и труб предпочтительна спокойная (сп).
- Феррит, перлит, аустенит, мартенситСтруктурные составляющие стали: мягкий феррит, прочный слоистый перлит, высокотемпературный аустенит и твёрдый закалочный мартенсит.