Пути повышения хладостойкости стали и сварных соединений

В. И. ГОРЫНИН, М. И. ОЛЕНИН 
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ 
ХЛАДОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ 
И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
Монография 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 669.14:621.79 
ББК 34.2 
Г67 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Ю. Л. Легостаев; 
доктор технических наук, профессор С. Ю. Кондратьев 
Горынин, В. И. 
Г67  
Пути повышения хладостойкости сталей и сварных соединений : 
монография / В. И. Горынин, М. И. Оленин.  Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022.  212 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0951-3 
Рассмотрены научно-методические подходы, обеспечивающие снижение 
склонности сталей перлитного и мартенситного класса и металла их сварных соединений к хладноломкости. Проанализирована роль карбидов, образующихся 
после термического улучшения и дополнительного отпуска, исследованы особенности их роста и коагуляции. Показано, что коагуляция и сфероидизация карбидов цементитного типа позволяет не только повысить хладостойкость сталей 
перлитного и мартенситного класса, включая металл их сварных соединений,  
но и устранить тепловую хрупкость сталей после длительной эксплуатации. 
Для инженерно-технических и научных работников – металловедов, сварщиков, конструкторов, прочнистов и машиностроителей, занимающихся вопросами проектирования, обоснования выбора материала, изготовления и эксплуатации крупногабаритных и нагруженных изделий общего машиностроения. Может быть полезно для преподавателей, студентов и аспирантов металлургических и машиностроительных факультетов. 
УДК 669.14:621.79 
ББК 34.2 
ISBN 978-5-9729-0951-3 
” Горынин В. И., Оленин М. И., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 8 
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ  
ПО ХЛАДОСТОЙКОСТИ К МАТЕРИАЛАМ  
ТРАНСПОРТНОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ ОПАСНЫХ ГРУЗОВ  
....................... 11 
1.1. Обоснование технических требований к металлу корпуса транспортного 
контейнера.......................................................................................................... 11 
1.2. Обоснование технических требований к крепежным материалам ............... 15 
1.3. Хладостойкая коррозионно-стойкая сталь мартенситного  
класса 07Х16Н4Б для втулок и крепежа контейнеров,  
работающих при температуре минус 50 °C 
.................................................... 16 
1.4. Особенности поведения металла при низких температурах ......................... 17 
1.4.1. Факторы хладостойкости сталей перлитного  
и мартенситного классов 
...................................................................... 18 
1.4.2. Влияние структуры на хладостойкость стали 
.................................... 20 
1.4.3. Причины снижения технологической и эксплуатационной  
прочности металла сварных конструкций северного исполнения .. 21 
1.4.4. Влияние структурного фактора на хладостойкость металла  
сварных соединений  ............................................................................ 23 
1.4.5. Особенности сварки кремнемарганцевых сталей 
.............................. 25 
1.4.6. Кинетика образования карбидов цементитного типа 
........................ 28 
1.4.7. Принципы легирования высокопрочных мартенситно-стареющих 
сталей 
...................................................................................................... 30 
1.4.8. Природа упрочнения и охрупчивания мартенситно-стареющих  
сталей 
...................................................................................................... 32 
1.4.9. Природа образования и распада аустенита мартенситно-стареющих 
сталей 
...................................................................................................... 37 
 
ГЛАВА 2. ПОВЫШЕНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ 
СТАЛЕЙ ..................................................................................................................... 40 
2.1. Влияние температурно-временных параметров дополнительного отпуска  
на хладостойкость стали 09Г2СА-А................................................................ 43 
2.2. Рентгеноспектральный микроанализ карбидной фазы .................................. 44 
2.3. Влияние дополнительного отпуска на ударную вязкость металла поковок  
и листового проката стали 09Г2СА-А ............................................................ 47 
3 
 

2.4. Исследование тонкой структуры ...................................................................... 51 
2.5. Влияние дополнительного отпуска и имитационного послесварочного  
отпуска на хладостойкость стали 09Г2СА-А ................................................. 58 
2.6. Исследование металла зоны термического влияния сварных соединений 
стали 09Г2СА-А ................................................................................................ 59 
2.6.1. Микротвердость металла зоны термического влияния  
сварных соединений ............................................................................. 61 
2.6.2. Распределение температур в металле зоны термического влияния 
сварного соединения  
............................................................................ 61 
2.6.3. Электросопротивление металла зоны термического влияния  
сварного соединения 
............................................................................. 62 
2.6.4. Ударная вязкость металла зоны термического влияния сварных  
соединений …  
....................................................................................... 64 
2.6.5. Разработка технологии послесварочного отпуска металла  
сварных соединений ............................................................................. 65 
2.6.6. Хладостойкость металла сварных соединений после отпуска  
по новой технологии с учетом способа сварки 
.................................. 71  
2.7. Влияние дополнительного отпуска на хладостойкость металла  
сварных соединений стали 09Г2СА-А 
............................................................ 73 
2.7.1. Микротвердость металла зоны термического влияния  
сварных соединений после дополнительного отпуска ..................... 75 
2.7.2. Выделение карбидной фазы металла 3ТВ сварного соединения  
при послесварочном отпуске, совмещенном  
с дополнительным отпуском  .............................................................. 76 
ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ  
ПЕРЛИТНОГО КЛАССА  
ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ ТЕХНИКИ ................................................. 83 
3.1. Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению крепежной  
низколегированной стали 25Х1МФ ................................................................ 83 
3.2. Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению высокопрочной 
среднелегированной стали 38ХН3МФА 
......................................................... 92 
3.3. Повышение сопротивления хрупкому разрушению реакторной стали 
15Х2МФА .......................................................................................................... 94 
3.4. Природа тепловой хрупкости конструкционных сталей  
и возможности ее снижения 
........................................................................... 103 
ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ ХЛАДОСТОЙКОСТИ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ 
СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА 
............................................................. 110 
4 
 

4.1. Температурно-временные параметры – фактор хладостойкости  
коррозионно-стойкой стали 07Х16Н4Б ......................................................... 110 
4.2. Влияние гомогенизации на сопротивление хрупкому разрушению  
коррозионно-стойкой высокохромистой стали 15Х11МФБ  ...................... 120 
4.3. Повышение сопротивления хрупкому разрушению металла  
сварных соединений высокохромистой стали мартенситно-ферритного 
класса 15Х11МФБ 
............................................................................................ 126 
 
ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ХРУПКОМУ  
РАЗРУШЕНИЮ СТАЛЕЙ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО 
ОБОРУДОВАНИЯ .................................................................................................. 135 
5.1. Хладостойкие стали ......................................................................................... 136 
5.2. Карбидная фаза хладостойких сталей 
............................................................ 138 
5.2.1. Материалы и методы исследований 
.................................................. 139 
5.2.2. Обсуждение результатов .................................................................... 141 
ГЛАВА 6. ПРИРОДА УПРОЧНЕНИЯ И ОХРУПЧИВАНИЯ  
МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ. СРАВНЕНИЕ КИНЕТИКИ  
СТАРЕНИЯ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ  
И ТЕРМОУЛУЧШАЕМЫХ СТАЛЕЙ .................................................................. 147 
6.1. Методы оценки структуры и физико-механических свойств  
мартенситно-стареющих сталей ..................................................................... 149 
6.1.1. Материалы исследования ................................................................... 149 
6.1.2. Механические свойства ...................................................................... 149 
6.1.3. Металлографический анализ.............................................................. 151 
6.1.4. Электронно-микроскопический анализ ............................................ 151 
6.1.5. Фазовый физико-химический и рентгеноструктурный анализы ... 152 
6.1.6. Рентгеноструктурный анализ 
............................................................. 152 
6.1.7. Дилатометрия ...................................................................................... 153 
6.1.8. Электросопротивление ....................................................................... 153 
6.1.9. Магнитные свойства ........................................................................... 153 
6.1.10. Оценка овальности кольцевых образцов ........................................ 154 
6.1.11. Релаксация внутренних напряжений .............................................. 154 
6.2. Особенности структурных превращений мартенситно-стареющих  
и термоулучшаемых сталей при старении 
.................................................... 155 
6.2.1. Упрочнение мартенситно-стареющих сталей 01Н17К13М5ТЮ  
и 01Н18М3Т при термическом старении. Сравнение кинетики  
старения по твердости мартенситно-стареющих  
и термоулучшаемых сталей ............................................................... 155 
5 
 

6.2.2. Влияние старения на временное сопротивление разрыву  
и предел текучести мартенситно-стареющих сталей ...................... 157 
6.2.3. Пластичность и ударная вязкость мартенситно-стареющих  
сталей 
.................................................................................................... 157 
6.2.4. Хладостойкость термоулучшаемых сталей при старении 
.............. 163 
6.3. Структурно-фазовые превращения мартенситно-стареющих сталей ........ 164 
6.4. Рентгеноструктурный анализ мартенситно-стареющих сталей .................. 165 
6.5. Металлография и электронная микроскопия мартенситно-стареющих  
сталей 
................................................................................................................. 167 
6.6. Физико-химическое и рентгеноструктурное исследование  
фазового осадка мартенситно-стареющих сталей ........................................ 171 
6.7. Кинетика старения и изменение физических свойств  
мартенситно-стареющих и термоулучшаемых сталей 
................................. 174 
6.7.1. Изменение электросопротивления мартенситно-стареющих  
и термоулучшаемых сталей ............................................................... 174 
6.7.2. Температурно-временные факторы отрицательной ползучести  
мартенситно-стареющих сталей ........................................................ 177 
6.7.3. Влияние температуры и времени старения на плотность  
сталей 01Н17К13М5ТЮ и 01Н18М3Т 
.............................................. 179 
6.7.4. Влияние температуры и времени старения  
на магнитные свойства стали 01Н17К13М5ТЮ 
.............................. 180 
6.8. Диаграмма структурно-фазовых превращений  
стали 01Н17К13М5ТЮ 
.................................................................................... 181 
6.9. Природа упрочнения и охрупчивания при старении  
мартенситно-стареющих и термоулучшаемых сталей 
................................. 182 
ГЛАВА 7. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ, МЕТОДОЛОГИЯ И АПРОБАЦИЯ  
ПОВЫШЕНИЯ ХЛАДОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ  
И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
............................................................................... 186 
7.1. Теоретические и экспериментальные аспекты повышения  
хладостойкости сталей перлитного и мартенситного класса ..................... 186 
7.2. Основные положения обеспечения хладостойкости сталей перлитного  
и мартенситного классов ................................................................................ 187 
7.3. Методология повышения хладостойкости сталей перлитного  
и мартенситного классов ................................................................................ 188 
7.4. Основные направления стабилизации структуры и апробация  
повышения хладостойкости металла сварных соединений 
........................ 188 
7.4.1. Способ повышения хладостойкости сталей  
феррито-перлитного класса ............................................................... 188 
6 
 

7.4.2. Способ повышения хладостойкости металла сварных  
соединений из феррито-перлитных сталей ...................................... 190 
7.4.3. Способ повышения хладостойкости коррозионно-стойких сталей 
мартенситного класса ......................................................................... 194 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 195 
7 
 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Развитие машиностроения и спектра его широкого ряда отраслей постоянно предъявляют комплекс растущих и сложно сочетаемых технических требований к уровню служебных свойств и хладостойкости применяемых конструкционных металлических материалов. Это связано с увеличением допустимых 
нагрузок, снижением металлоемкости и обеспечением надежности конструкций 
для усложняющихся условий эксплуатации, в особенности при пониженных  
и весьма низких температурах. 
В связи с этим одна из важных проблем современного материаловедения – 
разработка технологии термической обработки материалов для получения их повышенной работоспособности при отрицательных температурах – практически 
постоянно остается весьма актуальной. Эта проблема считается сложной по причине исчерпания возможностей термической обработки, в частности, технологии 
высокого отпуска, определяющей состояние хладостойкости металла после  
закалки стали на мартенсит (бейнит) в зависимости от уровня прочности. Многочисленные попытки ее решения, начиная со второй половины двадцатого века, 
показали, что даже небольшие изменения температуры высокого отпуска конструкционных сталей могут привести к заметному изменению характеристик 
пластичности, ударной вязкости и критической температуры хрупкости. 
В настоящее время и в перспективе рост объемов промышленного освоения малодоступных кладовых полезных ископаемых северных территорий  
и шельфов арктических морей, необходимость совершенствования конструкционных материалов в части их хладостойкости делают еще более значимым решение задачи апробации и производства надежных, конкурентоспособных и экономно-легированных сталей и их сварных соединений для изделий повышенной 
работоспособности. 
Отметим, что вопрос технико-экономической целесообразности является 
весьма важным, а в ряде случаев и главным при выборе конструкционных материалов. Широко применяемое увеличение легирования материалов базовыми химическими элементами для улучшения комплекса их свойств, а также технологии термической и термо-механической обработки с целью измельчения структуры (вплоть до наноразмеров) не всегда позволяют усовершенствовать материал и тем самым обеспечить конкурентоспособность изделий. 
Для решения задачи повышения работоспособности при обеспечении 
надежности материала по сопротивляемости хрупкому разрушению, очевидно, 
более эффективным является комплексный метод на базе материаловедческих  
8 
 

 
и технологических аспектов, исключающих избыточное (вредное или бесполезное и дорогостоящее) легирование – метод «инжиниринга материалов». 
Также следует отметить, что одним из наиболее уязвимых элементов в нестационарных условиях эксплуатации конструкций, в особенности при отрицательных температурах, является металл сварных соединений, хладостойкость которого весьма часто оказывается ниже по сравнению с основным металлом. 
Для сварных соединений различных типов конструкций существуют границы температур, при которых хрупкие разрушения могут происходить наиболее часто (рис. 1) [236]: у трубопроводов – ниже минус 35 °С; строительных конструкций – ниже минус 25 °С и бульдозеров – при минус 20 °С. 
 
 
 
Рис. 1. Распределение разрушений сварных соединений по 10-градусным  
интервалам температур эксплуатации конструкции.  
Тср – средние значения 10-градусного интервала температур, при которых 
имели место разрушения; Dр – доля разрушений в указанном интервале  
температур от общего количества зарегистрированных случаев:  
1 – трубопроводы, 2 – экскаваторы, 3 – строительные конструкции,  
4 – бульдозеры 
 
Повысить работоспособность металла сварного соединения можно и за 
счет снижения сварочных остаточных напряжений при проведении послесварочного отпуска. Однако в ряде случаев послесварочный отпуск может приводить к 
охрупчиванию металла сварного соединения по причине повышенного содержания водорода. Кроме того, в процессе послесварочного отпуска возможно выделение мелкодисперсных карбидов, также охрупчивающих металл сварного соединения. В связи с этим актуально создание комплекса технологии термической 
9 
 

 
обработки, обеспечивающего повышение хладостойкости металла сварных соединений. 
Если для материалов, работающих в районах Крайнего Севера и Сибири, 
деградация свойств связана со снижением их хладостойкости в зимний и наиболее тяжелый период эксплуатации, то для нагруженного металла изделий энергетического оборудования деградация механических свойств при эксплуатации 
может быть вызвана как радиационными воздействиями, так и тепловым охрупчиванием.  
Однако, как будет показано далее, тепловая хрупкость сталей и дополнительное охрупчивание металла зоны термического влияния сварных соединений 
обусловлены одной и той же природой – выделением карбидов цементитного 
типа. Для обеспечения надежности сталей, используемых для высокоресурсных 
изделий реакторного и других отраслей машиностроения, актуальна разработка 
режимов термической обработки, обеспечивающих повышенную вязкость металла изделий за счет смещения критической температуры хрупкости в область 
более отрицательных температур. Особенно это актуально для безникелевых и 
никельсодержащих низкоуглеродистых конструкционных и среднеуглеродистых крепежных сталей, включая стали 15Х2МФА, 10ГН2МФА, 25Х1МФ 
и 38ХН3МФА. Для получения повышенной хладостойкости этих различных по 
легированию сталей необходима разработка таких технологий и режимов термической обработки, которые позволят стабилизировать структуру материала после термического улучшения, обеспечивая длительный период эксплуатации изделий без заметного снижения исходного уровня свойств, особенно по сопротивляемости хрупкому разрушению. 
В связи с этим целью настоящей книги являлось изложение подходов к созданию научно-технологических основ термической обработки, обеспечивающей повышение хладостойкости сталей перлитного и мартенситного классов  
и их сварных соединений за счет стабилизации структуры материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10