Хладостойкие стали и сплавы

~. o. q%л…цå" 

ХЛАДОСТОЙКИЕ 
СТАЛИ  И  СПЛАВЫ 

Реêомендовано 

Ученым советом Санêт-Петербурãсêоãо ãосударственноãо университета  

низêотемпературных и пищевых технолоãий; 

Ученым советом Северо-Западноãо ãосударственноãо  

заочноãо техничесêоãо университета; 
Военно-êосмичесêой аêадемией им. А. Ф. Можайсêоãо; 

Раêетно-êосмичесêой êорпорацией "Энерãия" им. С. П. Королева; 

Яêутсêим ãосударственным институтом  
физиêо-техничесêих проблем Севера РАН; 

Центральным êонструêторсêим бюро морсêой техниêи "Рубин"; 
Зав. êафедрой Холодильной и êриоãенной техниêи,  
систем êондиционирования и жизнеобеспечения  
МВТУ им. Н. Э. Баумана, заслуженным деятелем науêи и техниêи 
РФ, лауреатом двух Государственных и Международной премий,  
д.т.н., проф. А. М. АРХАРОВЫМ; 

Кафедрой Материаловедения и технолоãии материалов  

Санêт-Петербурãсêоãо ãосударственноãо морсêоãо  

техничесêоãо университета; 
Генеральным диреêтором объединенноãо института  
физиêо-техничесêих проблем Севера СО РАН,  
д.т.н., проф., аêадемиêом РАН В. П. ЛАРИОНОВЫМ 
в êачестве учебниêа для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по машиностроительным и общетехничесêим  
специальностям 

Сант-Петербр
ХИМИЗДАТ2024

УДК 669.1.017 
С 601 

Р е ц е н з е н т ы :
Заслуженный деятель науêи и техниêи РФ, д-р техн. 
науê, проф. А. М. Паршин; 
Кафедра Материаловедение и технолоãия материалов 
Санêт-Петербурãсêоãо ãосударственноãо морсêоãо техничесêоãо университета  

Солнцев Ю. П. 

С 601 
     Хладостойêие стали и сплавы: Учебниê для вузов. – 
СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024, изд. 5, стереот. − 480 с.: ил. 
ISBN 978-5-93808-470-4 

Проблема хладостойêости материалов приобрела в последние ãоды 

особую аêтуальность в связи с освоением Северных территорий, Арêтиêи и нефтяных месторождений морсêоãо шельфа Северноãо Ледовитоãо 
оêеана. Это связано с резêим снижением эффеêтивности работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах. Для последних десятилетий хараêтерен рост производства изделий êриоãенной техниêи, 
существенным стимулом для развития êоторой явилось осуществление в 
последние ãоды во мноãих странах êосмичесêих проãрамм. С проãрессом 
êриоãениêи неразрывно связано развитие таêих традиционных отраслей, êаê металлурãия, химия и сельсêое хозяйство. Появились таêие 
специальные отрасли знания, êаê êриобиолоãия, êриомедицина, êриоэнерãетиêа и др. Важнейшим фаêтором развития техниêи низêих температур является создание и внедрение надежных материалов, приãодных для работы в этих условиях. 

В предлаãаемом учебниêе рассмотрены вопросы технолоãии вы
плавêи, леãирования, термообработêи и методов испытаний хладостойêих сталей и сплавов. Приводятся данные об особенностях вязêоãо и хрупêоãо разрушения с позиции поãлощения энерãии, сêорости 
процесса, фраêтоãрафичесêих признаêов, êонцентраций напряжений. 
Уделено внимание оценêе работоспособности установоê и механизмов, 
работающих в условиях êлиматичесêоãо холода и êриоãенных температур с целью определения их ресурса и надежности. 

Реêомендован в êачестве учебниêа для студентов и аспирантов 

машиностроительных вузов, обучающихся по специальностям, связанным с использованием техниêи и технолоãий низêотемпературноãо 
применения. Может быть полезен студентам, обучающимся по смежным специальностям, а таêже преподавателям и инженерно-техничесêим работниêам научно-исследовательсêих институтов и заводов, 
занимающимся вопросами êонструирования, изãотовления и эêсплуатации техниêи для работы при низêих температурах. 

С 2608000000–010

050(01)–24 
Без объявл. 

ISBN 978-5-93808-470-4 

 Солнцев Ю. П., 2005 
 ХИМИЗДАТ, 2005, 2024

Оглавление 

Предисловие 
7

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
9

Глава 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
22

2.1. Виды механических испытаний 
22
2.2. Средства измерения температур и деформаций
24
2.3. Статические испытания на растяжение и конструкции криостатов 
30
2.4. Динамические испытания на ударную вязкость 
34
2.5. Испытания долговечности материалов 
37
2.5.1. Испытания на механическую усталость 
38
2.5.2. Испытания на термическую усталость 
44
2.5.3. Испытания на ползучесть и длительную прочность 
46
2.6. Оценка конструкционной прочности методами механики разрушения 
48
2.6.1. Трещиностойкость (cracking resistance) металлов и коэффициент 
интенсивности напряжений 
48

2.6.2. Испытания на вязкость разрушения 
52
2.6.3. Примеры практического использования параметров вязкости разрушения 
57
2.7. Специальные методы испытаний 
59

Глава 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
64

3.1. Плотность и термическое расширение 
64
3.2. Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами 
68
3.2.1. Общие сведения
68
3.2.2. Сплавы с регламентируемым температурным коэффициентом  
линейного расширения 
71

3.2.3. Сплавы с постоянным модулем упругости
73
3.3. Теплоемкость и энтальпия 
75
3.4. Теплопроводность и электропроводность металлов при низких 
температурах 
77

3.5. Химическое воздействие рабочей среды 
80
3.6. Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы 
82
3.6.1. Сверхпроводимость 
82
3.6.2. Сверхпроводящие материалы и технология их производства 
83
3.6.3. Перспективы использования сверхпроводящих материалов 
89

Глава 4. ХЛАДНОЛОМКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
94

4.1. Механизм хрупкого и вязкого разрушения 
94
4.2. Влияние низких температур на механические свойства сталей 
100
4.2.1. Влияние охлаждения на прочность, пластичность и вязкость сталей 
100
4.2.2. Оценка хладостойкости стали 
105
4.2.3. Хладостойкость сталей при наличии трещин 
109
4.3. Факторы, определяющие характер разрушения 
111
4.4. Вязко-хрупкий переход в сталях 
114
4.5. Смена механизма разрушения при охлаждении 
116
4.6. Влияние условий нагружения на разрушение 
119

4.6.1. Влияние скорости нагружения на прочность и пластичность сталей 
119
4.6.2. Влияние скорости нагружения на вязкость и хладостойкость сталей 
121
4.7. Определение Ткр в зависимости от скорости микропластической 
деформации 
125

Глава 5. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
МАТЕРИАЛОВ 
131

5.1. Влияние конструктивных факторов на трещиностойкость 
131
5.1.1. Влияние концентраторов напряжений на трещиностойкость 
131
5.1.2. Влияние масштабного фактора на разрушение 
135
5.2. Влияние температуры и скорости нагружения на трещиностойкость 
137
5.2.1. Влияние температуры 
137
5.2.2. Влияние скорости приложения нагрузки 
139
5.3. Влияние циклических нагрузок на трещиностойкость 
142
5.4. Роль неметаллических включений 
147

Глава 6. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ
ХЛАДОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ 
155

6.1. Современная концепция высокопрочного состояния 
155
6.2. Технология производства чистой стали 
159
6.2.1. Способы массового производства 
159
6.2.2. Электрорафинирующие переплавы 
162
6.2.3. Управление природой неметаллических включений 
164
6.3. Раскисление стали 
166
6.4. Термодинамический анализ раскислительной и десульфурирующей способности ЩЗМ 
176

6.5. Раскислительная и десульфурирующая способность РЗМ 
179
6.6. Повышение хладостойкости стали модифицированием 
181
6.6.1. Модифицирование ЩЗМ 
183
6.6.2. Модифицирование РЗМ 
187
6.6.3. Совместное модифицирование ЩЗМ и РЗМ 
189
6.7. Влияние серы и фосфора на свойства хладостойких сталей 
193
6.8. Примеси цветных металлов в сталях 
198
6.9. Измельчение размера зерна 
201
6.9.1. Измельчение зерна термической обработкой 
201
6.9.2. Регулирование размеров зерна термоциклированием 
204
6.9.3. Термомеханическая обработка 
210
6.9.4. Микролегирование карбонитридообразующими элементами 
211

Глава 7. УГЛЕРОДИСТЫЕ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ ХЛАДОСТОЙКИЕ
СТАЛИ ДЛЯ СЕВЕРА И СИБИРИ 
214

7.1. Ферритно-перлитные стали 
214
7.2. Механизм упрочнения ферритно-перлитных сталей 
224
7.3. Микролегирование стали карбонитридообразующими элементами 
228
7.4. Термодинамический анализ фазового равновесия в системе  
твердый раствор – легирующие элементы 
236

7.5. Выбор литейных хладостойких сталей 
243
7.5.1. Разработка хладостойкой литейной стали для сварно-литой рамы 
крупногабаритного трактора 
246

7.5.2. Разработка требований к литым опорным каткам карьерных 
экскаваторов 
252

7.5.3. Разработка высокопрочной хладостойкой стали для тяжелонагруженных 
литых деталей 
255

Глава 8. ХЛАДОСТОЙКИЕ МОРСКИЕ БУРОВЫЕ ПЛАТФОРМЫ И ТРУБЫ 
ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МОРСКОГО ШЕЛЬФА
262

8.1. Хладостойкие стали для судостроения 
262
8.2. Основные требования к материалам для ледовых морских платформ 
и трубопроводов 
265

8.3. Оценка сопротивления платформ и трубопроводов хрупкому  
разрушению 
271

8.4. Влияние длительности эксплуатации на остаточный ресурс  
прочности трубопроводов 
275

8.5. Технология производства газо- и нефтепроводов 
276
8.6. Характеристика необходимых свойств стали 
278
8.7. Металловедческие приемы получения требуемых свойств сталей 
279
8.8. Методика контроля повреждений магистральных и промысловых  
газопроводов 
289

Глава 9. СТАЛИ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
293

9.1. Никелевые низкоуглеродистые стали 
294
9.1.1. Использование сталей для танков морских судов-газовозов 
295
9.2. Хромоникелевые аустенитные стали 
297
9.2.1. Стабильные аустенитные стали 
300
9.2.1.1. Влияние термоциклирования при 4,2–1000 К на эксплуатационную  
надежность стали 12Х18Н10Т в слабокислой среде  
303

9.2.1.2. Влияние предварительной деформации на стойкость стали 
12Х18Н10Т в водных растворах хлоридов 
305

9.2.2. Низкотемпературные свойства легированных сплавов системы  
железо – марганец 
306

9.2.3. Метастабильные аустенитные стали 
311
9.2.4. Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали  
315
9.3. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали 
320
9.3.1. Общие сведения 
320
9.3.2. Мартенситно-стареющие стали криогенной техники 
323
9.4. Литейные стали криогенного назначения 
332

Глава 10. ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ  
В КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКЕ [86] 
336

10.1. Никельсодержащие низкоуглеродистые стали 
336
10.2. Хромоникелевые аустенитные стали 
339
10.2.1. Характеристики прочности и пластичности 
339
10.2.2. Ударная вязкость и трещиностойкость 
342
10.3. Хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые стали 
345
10.3.1. Метастабильные аустенитные стали 
345
10.3.2. Стабильные аустенитные стали 
352
10.4. Мартенситно-стареющие стали 
354

Глава 11. ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ  
МАТЕРИАЛОВ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
359

11.1. Исследование ресурса вспомогательного оборудования, работающего в 
условиях климатического холода 
359

11.1.1. Исследование процесса образования сегрегаций на модельных плавках 
359
11.1.2. Исследование процесса образования сегрегаций на плавках  
промышленных вырезок 
363

11.1.3. Классификация вспомогательного оборудования в зависимости  
от режима эксплуатации 
369

11.2. Роль эксплуатационных факторов риска в снижении надежности  
оборудования криогенной техники 
371

11.2.1. Условия работы отдельных узлов и агрегатов криогенного  
оборудования 
371

11.2.2. Причины снижения надежности криогенного оборудования  
из стали 12Х18Н12Т в ходе длительной эксплуатации 
373

11.2.3. Влияние температуры и длительности технологических разогревов  
на структуру и свойства стали 12Х18Н12Т в криогенных установках 
374

11.2.4. Коррозионное растрескивание металла криогенной техники 
378
11.2.5. Влияние пластической деформации на коррозионную стойкость стали
12Х18Н12Т  
380

11.2.6. Связь магнитной проницаемости стали с коррозионным фактором 
риска  
382

11.2.7. Методика определения зон, склонных к коррозионному повреждению 
387

Глава 12. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 
388

12.1. Основные свойства алюминия 
388
12.2. Классификация алюминиевых сплавов 
393
12.3. Деформируемые алюминиевые сплавы 
396
12.4. Термически неупрочняемые сплавы [5] 
396
12.5. Термически упрочняемые сплавы 
401
12.5.1. Сплав АВ 
403
12.5.2. Сплавы алюминия с медью 
403
12.5.3. Сплав 1915 
409
12.5.4. Высокопрочные сплавы 
410
12.6. Литейные алюминиевые сплавы 
416

Глава 13. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ 
419

13.1. Основные свойства титана 
419
13.2. Деформируемые титановые сплавы 
422
13.3. Литейные титановые сплавы 
431
13.4. Титановые сплавы криогенной техники  
433
13.4.1. Технический титан ВТ1-0 
433
13.4.2. Сплавы со структурой α-фазы 
435
13.4.3. Сплавы со структурой (α + β)-фазы 
439
13.5. Применение титана и его сплавов 
442

Глава 14. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ 
447

14.1. Основные свойства меди 
447
14.2. Сплавы меди с цинком, или латуни 
450
14.2.1. Латунь ЛЦ16К4 
454
14.2.2. Латунь Л63 
455
14.2.3. Латунь ЛЖМц59-1-1 
457
14.3. Бронзы 
458
14.3.1. Оловянные бронзы  
458
14.3.2. Алюминиевые бронзы 
461
14.3.2.1. Бронза БрАЖМц10-3-1,5 
462
14.3.2.2. Бронза БрАЖН10-4-4 
463
14.3.3. Бериллиевая бронза 
464

Заключение 
466

Литература 
468
 

Светлой памяти моего отца –  
главного металлурга Обуховского завода 
Солнцева Порфирия Ивановича 
посвящается эта книга 
 
 
 
Предисловие 

 
Современная техника, используемая при низких температурах, предъ
являет к конструкционным материалам два основных противоречивых 
требования: они должны иметь достаточную прочность и выдерживать 
высокие нагрузки, одновременно обладая пластичностью и вязкостью, 
исключающими опасность хрупкого разрушения. 

Качество машин и конструкций, работающих при низких температу
рах, зависит от правильного выбора материалов для их изготовления. 
Важнейшим фактором повышения надежности техники, эксплуатируемой в этих условиях, является разработка и использование материалов, 
пригодных для низкотемпературной службы. Конструирование и внедрение в производство хладостойкой техники должно основываться на анализе характера нагрузок и конкретных условий эксплуатации. 

Понижение температуры эксплуатации оборудования, как правило, 

сопровождается повышением прочности, но снижением пластичности и 
вязкости. Если недостаточная прочность или жесткость материала в определенной мере может быть компенсирована увеличением размеров детали, то недостаточную вязкость ничем компенсировать нельзя. С увеличением размеров вступает в действие масштабный фактор, что обычно 
выражается в снижении ударной вязкости. Это приводит к возможности 
возникновения хрупкого разрушения, которое происходит неожиданно 
при напряжениях, существенно меньших предела текучести. 

Наряду с механическими характеристиками, определяемыми в усло
виях, приближенных к эксплуатационным, необходимо знание теплофизических характеристик, определяющих величину термических напряжений, 
которые, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, часто являются причиной начального зарождения трещин и, таким образом, разрушения 
конструкции. В книге рассматриваются устройства, предназначенные для 
испытания материалов при низких температурах в различных условиях 
нагружения. Наряду с описанием методик низкотемпературных испытаний 
рассмотрены физическая природа охрупчивания, фазовые превращения в 
сталях и сплавах при низких температурах, влияние различных факторов 
на сопротивление разрушению. В книге даны структура, механические, 
физико-химические и технологические свойства конкретных сталей, сплавов и их сварных соединений при низких температурах. 

Подготовка настоящей книги стала возможной благодаря тесным 

связям с многими научными и производственными предприятиями. Это в 
первую очередь ЦНИИ КМ "Прометей", ЦНИИЧерМет, ЦНИИТМаш, 
НПО "Криогенмаш", НПО "Энергия", МВТУ, заводы Обуховский, Ижорский, Кировский и др. 

Многие специалисты перечисленных организаций внесли тот или 

иной вклад в научные и практические разделы настоящей книги – всех их 
перечислить невозможно. Автор выражает им глубокую признательность. 

При подготовке книги использованы результаты совместных работ с 

А. К. Андреевым, М. С. Анисимовой, В. А. Веселовым, А. В. Викулиным, 
С. А. Вологжаниной, С. А. Горобченко, Б. С. Ермаковым, А. В. Казаченко, Ю. С. Кривцовым, В. В. Лебедевым, А. Н. Подустом, А. Е. Сердитовым, В. Г. Смирновым, Г. А. Степановым, Т. И. Титовой, О. А. Федоровой, С. А. Штерниным. 

Особую благодарность за консультации, советы и пожелания автор 

выражает академикам РАН О. А. Банных, В. П. Ларионову, профессорам 
А. М. Архарову, Е. И. Борзенко, В. С. Ивановой, Х. Вайсу (ФРГ), Ф. Войткуну (Польша), И. П. Волчку (Украина). 

Издание настоящей книги стало возможным благодаря помощи спон
соров: ОАО "Коломенский хладокомбинат" – ген. директор И. Ю. Ловейко, ООО "НИИХИММАШ" – директор А. Н. Бессонный, Опытный завод 
РНЦ "Прикладная химия" – директор А. Г. Климов, ОАО "Ювелирная 
торговля Северо-Запада" – директор А. М. Царенков, АО "Петрохолод" – 
ген. директор Б. Д. Какабадзе. 

Организацию спонсорской помощи взял на себя Ю. С. Кривцов, за 

что автор высказывает ему особую признательность. 

 

Глава 1 

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ  
ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ НИЗКИХ  
ТЕМПЕРАТУРАХ 

 
 
 

 

вление хладноломкости, т. е. хрупкого разрушения,  
 связанного с действием низких температур, впервые 

стало предметом широкого обсуждения в связи с бурным строительством 
железных дорог во второй половине XIX в. После замены пудлингового 
способа производства бессемеровским и мартеновским было отмечено, 
что рельсы, изготовленные из литого металла, внезапно разрушались при 
понижении температуры. Уже тогда были признаны актуальность проблемы хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и 
выработки мероприятий по ее устранению. 

В первой половине XX в. значительно возросло число крупных ава
рий железнодорожных мостов, морских судов, резервуаров для хранения 
нефти, магистральных газопроводов. Аварии обычно происходили в зимнее время года при совместном действии низкой температуры, ветра, 
штормовой погоды. Анализ разрушений показал, что в большинстве случаев они начинались в дефектных местах сварных швов. 

Мост через канал Альберта в Бельгии, построенный в 1936 г., разру
шился весной 1938 г. при морозной погоде [1]. Очевидцы услышали звук, 
подобный выстрелу, а затем, спустя несколько минут, мост разломался на 
три части, которые упали в канал (рис. 1.1). 

Анализ причин аварии показал, что при проектировании моста не 

были приняты меры к уменьшению значительной концентрации напряжений, особенно в местах сварки, которые, кроме того, были еще дополнительно ослаблены неудовлетворительным качеством сварки. 

В конце 1940-х гг. в США было отмечено много случаев полного или 

частичного разрушения судов сварной конструкции, происходивших, как 
правило, в зимнее время. Многие суда разрушались полностью, разламываясь на две части (рис. 1.2), причем в местах разрушения отсутствовали признаки заметной деформации, что свидетельствовало о его хрупком характере. Анализ причин разрушений также показал, что они, как правило, начинались в местах концентрации напряжений. Это были участки с различными 
дефектами сварки, места неудовлетворительной формы элементов судна 
(например, различные отверстия прямоугольного сечения с острыми углами) 
и, наконец, места с дефектами материала (включениями, пустотами и т. п.). 

ß

Рис. 1.1. Хрупкое разрушение моста через канал Альберта в Хассельте (Бельгия) 
14 марта 1938 г. (мост построен в 1936 г.) 

 
Разрушение крупного резервуара вместимостью 5000 м3, полностью 

загруженного продуктом, произошло при температуре окружающего воздуха –34 °С [2]. Действительная температура корпуса с учетом теплоотдачи продукта в момент аварии была –10 °С. Диаметр резервуара 30 м, высота 12 м. Материал корпуса – низкоуглеродистая сталь марки ВСт3сп-5. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1.2. Хрупкое разрушение корпуса танкера (США)