ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ВЫБОР СТАЛЕЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЯГОВЫХ ЦЕПЕЙ

Стальные пластинчатые тяговые цепи широко используются в различных областях промышленности благодаря своей высокой прочности, надежности и долговечности. Стандартном для данного типа изделий является «ГОСТ 588-81. Цепи тяговые пластинчатые. Технические условия.» [1]. Это межгосударственный стандарт, который распространяется на тяговые пластинчатые втулочные, роликовые и катковые цепи, применяемые в подъёмно-транспортных машинах и других механизмах. Стандарт также учитывает требования международных стандартов ИСО 1977:2006 и ИСО 1977-3. Стандарты устанавливают типы цепей, их конструкционное исполнение и их маркировку. Однако эксплуатационные характеристики этих цепей могут значительно изменяться в зависимости от температуры окружающей среды. В частности, при низких температурах стали могут становиться более хрупкими, что увеличивает риск их внезапного разрушения. Поэтому выбор материала для изготовления стальных пластинчатых тяговых цепей должен учитывать температурный диапазон их будущей эксплуатации.

Одним из наиболее важных факторов, определяющих поведение материала при низких температурах, является понятие хладноломкости.

Хладноломкость — это явление, при котором материал, обычно демонстрирующий вязкое разрушение при комнатной температуре, начинает проявлять хрупкое разрушение при понижении температуры. Это связано с тем, что при снижении температуры уменьшается способность материала к пластической деформации, что ведет к снижению его вязкости и, как следствие, к увеличению вероятности хрупкого разрушения под воздействием нагрузки. При низких температурах снижение вязкости материала может привести к уменьшению его способности сопротивляться динамическим и ударным нагрузкам, что особенно критично для пластинчатых цепей, работающих в условиях высоких механических нагрузок. Усталостные свойства материалов также могут ухудшаться при низких температурах, что сокращает срок службы цепей и увеличивает вероятность их внезапного отказа.

Порог хладноломкости – это температура, ниже которой материал начинает проявлять хрупкое разрушение. Определение порога хладноломкости для конкретного материала позволяет оценить его пригодность для использования в условиях низких температур. Для многих сталей и сплавов порог хладноломкости может варьироваться в широких пределах, что делает возможным подбор оптимального материала для конкретных условий эксплуатации.

К методам повышения устойчивости к хладноломкости можно отнести:

Легирование: Добавление легирующих элементов, таких как никель, молибден и ванадий, может улучшить вязкие свойства стали при низких температурах и повысить порог хладноломкости.

Термическая обработка: Оптимизация режимов закалки и отпуска может улучшить структуру материала, сделав его более устойчивым к хрупкому разрушению при низких температурах.

Выбор материала: Использование материалов с более высоким порогом хладноломкости для изготовления пластинчатых цепей, что обеспечивает их надежную работу в условиях низких температур.

График 1. Влияние температуры на ударную вязкость стали 

На графике 1 показано влияние температуры на ударную вязкость сталей 1– Сталь 10Г2С1; 2 – Сталь 235 3 – Сталь 255.

Изображенная зависимость характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком диапазоне температур, называемом порогом хладноломкости. Обычно в качестве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенной величины (зачастую 30-40 Дж/см²).

Наиболее склонны к хрупкому разрушению кипящие стали. Порог хладноломкости стали С235 (СтЗкп) лежит в интервале от 0 до - 10 °С; для спокойной стали С255 (СтЗсп) переход в хрупкое состояние происходит при t= -20…-30°С. Низколегированные стали имеют порог хладноломкости -40°С и ниже.

При увеличении толщины проката порог хладноломкости смещается в область более высоких температур. В тонких образцах тепло быстрее распределяется по всему объему, в то время как в толстых материалах тепло накапливается в центральных слоях и постепенно достигает более высоких температур. Это приводит к тому, что при охлаждении материал не достигает температуры хладноломкости (температуры, при которой он становится хрупким) так быстро, как в тонких образцах. Таким образом, для толстых материалов порог хладноломкости смещается в сторону более высоких температур.

Увеличение размеров детали способствует стеснению пластического течения, которое возрастает по мере удаления от ее свободной поверхности. В центральной части крупных изделий может развиваться объемное напряженное состояние, близкое к равномерному трехосному растяжению. Разрушение таких изделий, по крайней мере в центральной части, носит хрупкий характер.

Следует также иметь в виду, что появление дефектов в материале подчиняется вероятностным законам, вследствие чего прочность имеет статистическую природу. Чем больше размер образца, тем больше опасность присутствия в нем опасных дефектов, развития ликвации, пористости, различия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокате или термической обработке. Так, например, из-за слабой прокаливаемости в больших сечениях критическая температура хрупкости может повышаться на 20 °С и более. Все это увеличивает склонность к хрупким разрушениям.

В заключении можно сказать, что влияние температуры эксплуатации на выбор сталей для изготовления цепей конвейеров имеет одно из ключевых значений при проектировании. Анализ показал, что температура эксплуатации значительно влияет на механические свойства сталей, включая их ударную вязкость, пластичность и стойкость к хладноломкости. Для условий работы при низких температурах наиболее подходящими являются стали с высокой ударной вязкостью и устойчивостью к хрупкому разрушению.

Кроме того, с увеличением толщины проката порог хладноломкости смещается в более высокие температуры, что необходимо учитывать при выборе материалов для тяговых цепей. Рекомендуется проводить дополнительные испытания с учетом спецификации эксплуатации для более точного выбора оптимальных сталей, что поможет повысить эксплуатационную надежность и долговечность конструкций. При этом важно понимать, что простое увеличение толщины используемого материала может негативно повлиять на эксплуатацию.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки рекомендаций по выбору материалов для различных типов подвесных конвейеров, что способствует улучшению их работы в условиях разнообразных температурных режимов и повышает надежность и безопасность эксплуатации оборудования.