Čelici za rad pri vrlo niskim temperaturama

Tehnika hlađenja ili tehnika rada pri niskim temperaturama obuhvaća dogovorno temperaturno područje od oko -40 ⁰C sve do apsolutne nule. Prema tome u ovo specifično tehničko područje ulazili bi primjeri primjene: čelične konstrukcije, željeznice, brodovi, ledolomci (sve to u primjeni u polarnim područjima), uređaji za proizvodnju ukapljenih plinova(zraka, dušika, kisika, helija, amonijaka,zemnog plina), uređaji na zrakoplovima i svemirskim letjelicama itd.

Za primjenu u takvim uvjetima općenito dolaze u obzir materijali kao što su beton, keramika, staklo, polimeri, aluminijske i bakrene legure s kojima nema posebnih problema, budući da im je ponašanje slično kao i u primjeni pri sobnim temperaturama. Za primjenu u ovoj grani tehnike bit će nezaobilazni i željezni materijali ,ponajprije radi njihove velike čvrstoće, no koji se pri niskim temperaturama često tako ponašaju, da pri njihovom odabiru treba voditi računa o mogućnostima izbjegavanja nekih neželjenih pojava.

Sniženjem temperature padaju vrijednosti: duktilnosti-istezljivosti, kontrakcije presjeka, udarnog rada loma (žilavosti), toplinske rastezljivosti i vodljivosti, specifičnog toplinskog kapaciteta, a rastu: tvrdoća,vlačna čvrstoća i granica razvlačenja te osjetljivost na urezno djelovanje.

Najopasnija neželjena pojava pri vrlo niskim temperaturama je nagli pad žilavosti,  pri čemu se pod pojmom žilavost podrazumijeva svojstvo materijala da se apsorpcijom energije odupre širenju pukotine, a time i krhkom lomu.

Osnovni zahtjev u primjeni čelika pri vrlo niskim temperaturama je dovoljna žilavost, odnosno traži se neosjetljivost na krhki lom.

Poznato je da kod većine konstrukcijskih čelika s BCC rešetkom pada žilavost to više što je niža temperatura, što nije slučaj kod metala s FCC rešetkom. Vrijednost udarnog loma pri radnoj temperaturi i visina prijelazne temperature gotovo su jedini kriteriji za izbor čelika.

Kao hladno žilav  čelik može se definirati onaj koji pri temperaturi od -40 ⁰C postiže vrijednost udarnog rada loma (ISO-V ispitno tijelo) od 27 J ili ima prijelaznu temperaturu žilavosti od -40 ⁰C.

Specifična ponašanja čelika pri  vrlo niskim temperaturama

Za postizanje dovoljno velike žilavosti pri niskim i vrlo niskim temperaturama čelici moraju imati posebno podešen kemijski sastav i mikrostrukturu u odnosu na obične konstrukcijske čelike.

U primjeni razlikujemo tri osnovne skupine čelika:

• a)      Niskolegirani (mikrolegirani) sitnozrnati čelici u normaliziranom stanju se primjenjuju do  -50 ⁰C. Poboljšani niskolegirani sitnozrnati čelici primjenjuju se do -80 ⁰C zahvaljujući sitnom zrnu, čistoći i poboljšanoj strukturi niskougljičnog martenzita.

• b)      Čelici legirani s Ni (1,5…9 %) za poboljšavanje se primjenjuju u temperaturnom području od -85 do -200 ⁰C. Nikal je jedan od najdjelotvornijih elemenata za povećanje žilavosti pri niskim temperaturama jer pospješuje stvaranje sitnog zrna i vrlo žilavog Fe-Ni martenzita nakon kaljenja.Ovi čelici su skloni pojavi krhkosti nakon popuštanja pa se ubrzano hlade nakon popuštanja.

• c)   Cr-Ni i Cr-Ni-N(Nb,Ti),Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-NI-N austenitni čelici  koji i blizu apsolutne nule imaju dovoljnu žilavost.Glavni problemi u primjeni austenitnih čelika su još nedovoljno istražene mikrostrukturne transformacije austenita i tzv. deformacijski ε-martenzit pri niskim temperaturama.Nadalje, zbog velikog toplinskog rastezanja sniženjem temperature dolazi do znatnijih smanjenja dimenzija, što može kod upetih konstrukcija izazvati naprezanja viša od granice razvlačenja, tj. izazvati hladno očvrsnuće, pojavu ε-martenzita i predispoziciju za napetosnu koroziju.

Na slici  u dijagramu možemo vidjeti da u čelicima niskog udjela ugljika te s najviše 16% Cr i 9% Ni početi stvarati tetragonski martenzit već prije dostignuća temperature 20 ⁰C.

Posve stabilni austenit,koji se uopće neće moći transformirati bilo u α-martenzit,bilo u ε-martenzit,morao bi sadržavati barem npr. 28% Cr i 15% Ni. Pojava bilo kakve vrste martenzita u austenitnoj strukturi izrazito snižava žilavost, pa će za tehniku dubokog hlađenja trebati primjenjivati vrlo visoke legirane Cr-Ni čelike strukture potpuno stabilnog austenita.

Žilavost tipičnih vrsta čelika za rad pri niskim temperaturama

Na slici  imamo dijagram žilavosti tipičnih vrsta čelika za rad pri niskim temperaturama. Na slici krivulje 1 i 2 prikazuju čelike vrlo visoke žilavosti pri sobnoj,postupno snižene do niskih temperatura,s tim, da je iznos žilavosti još i pri -196 ⁰C razmjerno visok. Krivulje 5, 6 i 7 prikazuju čelike razmjerno visoke žilavosti pri sobnoj,ali vrlo niske žilavosti pri temperaturama ispod -50 ⁰C, s naglim padom iznosa žilavosti. Krivulje 3, 4 i 7  prikazuju čelike razmjerno niske žilavosti pri sobnoj temperaturi uz postupno, ali neznatno sniženje prema niskim temperaturama.

Primjeri primjene čelika za rad pri niskim temperaturama

TStE i EStE – tlačni spremnici u rashladnim uređajima, do – 40 ⁰C,do 20 bara

Ni-čelik- uređaji za demetanizaciju, -100 ⁰C,40 bara

Austenitni čelik X10 CrNiTi 18 10- spremnici na brodovima

X2 CrNiMoN 18 12- uređaji za hlađenje nuklearne jezgre helijem (-271,4 ⁰C).

  

Osnovno traženo svojstvo čelika za rad pri niskim temperaturama je dovoljna žilavost tj. neosjetljivost na krhki lom „hladno žilav čelik“.

To su niskolegirni sitnozrnati čelici, čelici legirani s Ni (1.5... 9%) za poboljšanje (od -85.... -200°C) i Cr-Ni i Cr-Ni-N (Nb, Ti), Cr-Ni- Mo-N i Cr-Mn-Ni-N austenitni čelici ( do -270°C).

Čelici moraju imati posebno podešen kemijski sastav i mikrostrukturu u odnosu na obične konstrukcijske čelike. Kod svih navedenih čelika maseni udio ugljka treba biti što manji jer se na taj način ostvaruje nižaprijelazna temperatura.