Виктор Финкель - Портрет трещины
Подобные процессы нередки и в металлических конструкциях. Так, в феврале 1943 года вблизи Нью-Йорка разрушился сварной сферический резервуар для хранения водорода. Его диаметр превышал 11 м, а толщина стенки 16 мм. Газгольдер, рассчитанный на рабочее давление 5 МПа, не выдержал… 0,35 МПа. Перед аварией температура окружающего воздуха понизилась до – 12°С, а затем с одной стороны, сосуд нагрелся на солнце. Этого оказалось достаточным, чтобы разрушение, сопровождаемое взрывом, привело к распаду оболочки на 20 кусков. На нефтеперерабатывающих заводах США за 35 лет (с 1918 по 1953 год) разрушилось 32 резервуара, причем убытки составили полмиллиона долларов.
Чаще всего аварии происходили главным образом из-за низкого качества сварки и высоких термических напряжений в конструкциях. Трещины возникали либо в основном металле вблизи мест скопления сварных швов, либо в стыковых швах, имеющих непровары. В большинстве случаев в результате аварий металл разлетался иногда на расстояние до 40 м. Справедливости ради нужно сказать, что помимо внутренних напряжений, здесь действовали и другие причины: преже всего плохое качество основного металла и дефекты в самом сварном шве, которые сыграли роль зародышевых трещин. Немаловажным оказалось и охрупчивание металла в связи с понижением окружающей температуры. Об этом явлении речь пойдет в другом разделе.
ХОЛОДА, ХОЛОДА
У природы всегда в запасе какой-нибудь козырь.
Артур КларкГигантские пространства, ранее совершенно пустынные и необитаемые, заселяет человек: Крайний Север и Сибирь в нашей стране, Аляску в США, северные районы Канады, Гренландию, Антарктиду… Многие препятствия встречают покорители этих районов. Одно из них имеет прямое отношение к материалам. Вот бы что произошло, если бы основной конструкционный материал машиностроения – сталь – захворал.
Гигантский состав из сотен вагонов, идущий со скоростью в 70-100 км/ч, рухнул под откос. Причина проста – лопнул рельс. Огромная мостовая ферма через широкую реку внезапно обрушилась вниз вместе с электровозом. Тяжелые грузовики и автопоезда останавливаются из-за массовой поломки деталей. Железобетнные перекрытия цехов длиной в сотни метров падают, казалось, бы без всякого влияния извне. Портальные краны и самосвалы, трубы нефте- и газопроводов, драги для добычи золота и алмазов лопаются как спички. Мощные экскаваторы, в том числе и шагающие, разнообразные грузоподъемные механизмы рушатся, как будто они фарфоровые.
Быть может автор, драматизируя, искусственно раскрасил, а возможно и пропросту придумал эти события? Оказывается нет, может быть даже преуменьшил, затушевал.
Судите сами. Спусковым рычагом, проводящим к разрушению сталей, является понижение температуры. В этом отношении подавляющее большинство сталей подобно нездоровым людям – при малейшем переохлаждении они «заболевают». Для иных, например низкоуглеродистых, «воспаление легких», то есть разрушение, наступает при (-60) -т- (-70) °С, для других, высокоуглеродистых- уже при комнатных температурах. И совсем хрупок в любых условиях чугун. Между тем климат в некоторых районах нашей страны весьма суров. Отрицательная температура в Норильске, Якутске и на Магадане держится свыше 8 месяцев в году. Минимальная температура, зарегистрированная в Норильске, -57, а в Магаданской области – 65, в Устье-Нере
(Якутия) -72°С. В северо-восточных и северных областях среднегодовая температура находится в пределах (-4)4- (-17), а в декабре, январе (-20) ч-(-50) °С.
При таких условиях металл, не защищенный от морозов и шквальных ветров, подвергается большой опасности1.
Справедливости ради нужно сказать, что хладноломкость – не всегда следствие природных условий. Чаще она результат технологических процессов, нуждающихся в низких температурах, протекающих, например, в установках, получающих жидкий воздух (-180°С),кислород (-183°С), гелий (-268°С), водород (-253°С), азот (-195,7 °С), а также в разнообразных холодильных агрегатах. С крайне низкими гелиевыми температурами и особыми свойствами металлов мы вынуждены встречаться в технике получения сверхмощных магнитных полей, основанной на использовании сверхпродводников.
1 Григорьев Р. С, Ларионов В. Н., Новиков Г. А., Яковлев Н. Г. Хладостойкость сталей при статическом и циклическом нагружени-ях.- М.: Наука, 1969. С. 5.
Наконец, все космические полеты протекают в условиях температур, близких к абсолютному нулю. У В. Э. Мейерхольда была забавная присказка: «Кто с коня не падал, кто бабушке не внук, под кем санки не подламывались? – неродившиеся души!» Верно. Но как быть нам? Ведь цена, которую мы платим за хладноломкость, невероятно велика. Иногда из-за этого конструкции на стройках Сибири и Севера месяцами не работают. Наконец, разрушение всегда опасно.
В чем же причина удивительного и коварного явления-охрупчивания металла при низких температурах?
Существуют два ответа. Убедительный – металлурга и металлловеда и неубедительный – физика.
Хорошо известно, что хладноломкости подвержены стали с объемноцентрированной кубической решеткой. А большинство сталей с гранецентрированной решеткой, то есть аустенитных, не боится понижения температур. И вообще металлы, а не только стали с атомами, выстроенными по гранецентрированному кубу, почти никогда не ломаются из-за охлаждения, например медь и алюминий. Однако подавлющее большинство металлоконструкций изготовлено из обычных сталей с объемно-центрированной решеткой, потому что они относительно дешевы и беззащитны перед «простудными заболеваниями».
Но сами эти стали подразделяют на две группы: кипящие и спокойные. В процессе изготовления стали возникает вопрос: как быть с растворенным в ней кислородом? Удалять насильственно или предоставить ему возможность выделяться самому? Первое достигается технологической операцией, называемой раскислением. Она заключается в том, что в ковш с жидким металлом вводят марганец, кремний и алюминий, связывающие кислород и переводящие его в соединения, нерастворимые в металле. При последующем застывании такая сталь «спокойна», не бурлит, так как из нее уже не выделяются газы. Что касается кипящей стали, то она раскисляется не полностью и при застывании в изложнице «кипит»: из нее выделяются пузырьки окиси углерода. Выход газов искусственно предотвращают, и окись углерода в виде рассеянных газовых пузырей и раковин остается в металле. При прокатке эти дефекты завариваются. Однако, как показывает практика, «кипящая» сталь более подвержена охрупчиванию, чем «спокойная», и детали, изготовленные из нее хотя и дешевле, но зато и легче разрушаются в зимнее время.
Довольно определенные ответы дают металлурги и на вопрос о влиянии состава стали на поведение ее в морозы. Углерод вызывает охрупчивание, марганец, наоборот, повышает хладостойкость. Благоприятно действие такого раскислителя, как кремний. Очевидным злом, влекущим за собой понижение сопротивляемости стали хрупкому разрушению, являются азот, сера фосфор, водород, кислород.
Издавна известны легирующие элементы, снабжающие сталь надежным щитом от меча хладноломкости. Это в первую очередь никель, молибден, цирконий, титан. Могут быть полезны добавки небольших количеств ванадия, хрома, меди, алюминия. Существуют и так называемые модификаторы – малые добавки, вводимые в сталь. В первую очередь к ним относятся редкоземельные элементы.
Итак, с точки зрения металлурга1 проблема хладноломкости решена и сводится к следующему. Если температура окружающего воздуха не ниже -4-20 °С, можно использовать углеродистые кипящие стали при ударных нагрузках. В условиях статического нагружения те же стали способны работать при температурах до (-20)4-
1 Попов К. В., Савицкий В. Г. Низкотемпературная хрупкость стали и деталей машин. – М.: Машиностроение, 1969. С. 4-12.-
ч- (-30) °С. Полуспокойные и спокойные углеродистые стали проявляют «терпимость» до (-30) 4- (-50) °С. Но при дальнейшем усилении морозов без легирования не обойтись. Так, стали, содержащие 3,5 % никеля, работоспособны от -70 до -120°С. А углеродистые стали, содержащие 8,5-9 % никеля, даже до -200°С. Что касается более низких температур, то для них нужны уже аустенитные стали, способные противостоять морозам до -253 °С, не разрушаясь. Суммируется это коротко. Для эксплуатации металлоконструкций в климатических районах с низкими температурами нужны стали «в северном исполнении», то есть высоколегированные. И хотя они очень дороги, все же вездеход для антарктических условий, сделанный из легированной стали, подвергнутой соответствующей термической обработке, будет гарантирован от внезапных разрушений при любых морозах.
Но достаточно ли этого? Можно ли считать, что тысячелетний опыт прошлого, непоправимые ошибки и невосполнимые потери научили человека бороться с такими разрушениями? Очевидно, еще не вполне. Потому что нужны точные знания.
