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 тех-
ничесêоãо 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, Арêти-
êи 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, êрио-
энерãетиêа и др. Важнейшим фаêтором развития техниêи низêих температур 
является создание и внедрение надежных материалов, приãод-
ных для работы в этих условиях. 

В предлаãаемом учебниêе рассмотрены вопросы технолоãии вы-

плавêи, леãирования, термообработêи и методов испытаний хладо-
стойêих сталей и сплавов. Приводятся данные об особенностях вязêо-
ãо 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-техни-
чесêим работниêам научно-исследовательсêих институтов и заводов, 
занимающимся вопросами êонструирования, изãотовления и эêсплуа-
тации 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. Казачен-
ко, Ю. С. Кривцовым, В. В. Лебедевым, А. Н. Подустом, А. Е. Сердито-
вым, 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. Войт-
куну (Польша), И. П. Волчку (Украина). 

Издание настоящей книги стало возможным благодаря помощи спон-

соров: ОАО "Коломенский хладокомбинат" – ген. директор И. Ю. Ловей-
ко, 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) 

Рис. 1.3. Фрагмент развертки корпуса 
резервуара и траектория трещины (стрелками 
указано направление ее распространения): 


1 – сварной шов люка-лаза и место начала 
образования трещины; 2 – люк-лаз; 3 – 
монтажный шов резервуара 

 

При осмотре участка сварки установлено, 
что корпус разорван по образующей 
по всей высоте (рис. 1.3), 
оторван от днища и кровли и отброшен 
в сторону. Динамическое 
нагружение перед аварией не производилось. 


Анализ участка сварки пока-

зал, что непосредственной причиной 
разрушения резервуара явился 
концентратор напряжения – непровар 
в шве корпуса люка-лаза, вызванный 
тем, что при сварке кратер 
не был выведен на технологическую 
подкладку. Испытания на 
ударный изгиб образцов из листов 
корпуса показали достаточный уровень ударной вязкости металла, по 
которому распространилась хрупкая трещина. 

Таким образом, применение стали с достаточным уровнем вязкости 

еще не гарантирует конструкцию от опасности хрупкого разрушения. 

Катастрофическое разрушение крупного резервуара, построенного из 

десятков тонн здоровой стали и имеющего сотни метров качественного 
сварного шва, произошло из-за недопустимой халатности – непровара 
при изготовлении небольшого участка конструкции. 

Трубопроводы также проявляют склонность к хрупким разрушениям 

при низких температурах. Наиболее характерный вид разрушения – 
сквозные трещины кольцевых швов. Трещины, как правило, начинаются 
от первичных дефектов типа непроваров, подрезов, скопления пор и шлаковых 
включений. Вероятность образования трещин возрастает при использовании 
высокопрочных сталей, а также при выполнении работ при 
низких температурах. 

Наличие мелких трещин и пор может привести к просачиванию на-

ходящегося под давлением газа и к расширению его при выходе на поверхность. 
Специальные опыты, приведенные в [1], показали, что расширение 
метана при перепаде давления от 50 до 1 ат сопровождается дополнительным 
снижением температуры в окрестностях отверстий на 
30 °С. Это существенно снижает сопротивление металла пластической 

деформации и способствует хрупкому разрушению. Холодные трещины 
образуют свищи, приводящие к воспламенению газа. 

Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в связи 

с освоением Сибири и Крайнего Севера. Более половины территории 
России расположено севернее изотермы января с температурой –20 °С 
(рис. 1.4) Такие районы, как Сибирь, Заполярье, Якутия, Дальний Восток, 
шельф Северного Ледовитого океана, характеризуются большими запасами 
полезных ископаемых и перспективны в промышленном отношении. 


Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в 

этих районах резко снижается. Анализ работы автохозяйств зоны с суровым 
климатом показал, что срок службы автомобилей в этой зоне по 
сравнению с европейской частью России сокращается в 2 раза, а аварии и 
поломки, связанные с климатическими условиями, выводят из строя до 
25 % парка машин. Поток отказов деталей тракторов и бульдозеров увеличивается 
в зимнее время в 2–6 раз по сравнению с летним периодом, 
деталей экскаваторов – в 5–7 раз. Особенно опасным является период 
пуска машин в работу после остановки. Бульдозер Д-572, эксплуатируемый 
на горных работах Северо-Востока страны, за год "теряет в массе" 
до 900 кг, бульдозер 41В – до 2200 кг. В настоящее время в Сибири и на 
Севере эксплуатируется несколько десятков тысяч машин только этого 
типа. 

 

 

Рис. 1.4. Области России с низкими климатическими температурами (даны изотермы 
со среднеянварской температурой) 

При низких температурах происходит разрушение сварных рам же-

лезнодорожных вагонов и ответственных литых деталей корпусов автосцепки. 
На промыслах Сибири частота отказов буровых установок зимой 
возрастает по сравнению с летним периодом более чем в 2 раза. При температурах 
ниже –35 °С во избежание крупных поломок приходится останавливать 
мощные экскаваторы, буровые установки, некоторые строительные 
машины, хотя регламентом работы северных горнодобывающих 
предприятий предусмотрена круглогодичная эксплуатация. 

Карьерные экскаваторы, выпускаемые производственным объедине-

нием "Уралмаш", "Ижорскими заводами" и рядом других предприятий, 
различаются по мощности, конструктивному и технологическому исполнению. 
Основными отказами, снижающими их работоспособность, являются 
отказы механической части машин. 

По данным ИФТПС ЯФ СО РАН, при сроке списания 10 лет факти-

ческий срок службы узлов экскаватора ЭКГ-8И составляет: для стрелы, 
растяжки стрелы, траков 2 года; для балки рукояти 7 лет; для ходовой 
рамы 2,5–3,0 года; для ковша 1,5 года. Замена вышедших из строя деталей – 
трудоемкий процесс, так как при этом приходится останавливать 
весь агрегат и демонтировать многие узлы. Например, для замены рукояти 
экскаватора ЭКГ-8И требуется 2 сут. Рост числа разрушений литых 
деталей происходит, как правило, в температурном интервале от –25 до 
–35 °С. Так, число разрушений рукояти экскаватора ЭКГ-8И увеличивается 
с 4–5 % при 20 °С до 20 % при –35 °С; частота поломок ковша экскаватора 
ЭКГ-8И возрастает с 8 % при 20 °С до 45 % при –35 °С. 

Хрупким разрушениям в зимнее время особенно подвержены свар-

ные детали рабочего оборудования: ковши, рукоять, стрелы – и ходового 
механизма: нижняя рама, натяжная ось и гусеничные рамы. 

По данным В. П. Ларионова [3], срок службы балок рукояти карьер-

ного экскаватора марки ЭКГ-4,6БС из низколегированной стали 10ХСНД 
при работе на карьерах Урала в 4 раза превышает срок службы балок из 
стали Ст3. Однако работоспособность рукоятей в условиях более холодного 
климата недостаточно высока. Если на Урале срок службы рукояти 
из стали 10ХСНД достигает 32 мес, то в зоне более холодного климата 
Якутии этот срок не превышает 5–10 мес, что составляет не более трети 
нормативного срока. 

Снижение работоспособности обусловлено не только усилением 

склонности металла рабочих частей к хрупкому разрушению, но и увеличением 
действующих нагрузок из-за смерзания грунтов. 

Из рис 1.5 видно, что у крупных карьерных экскаваторов Норильско-

го горнометаллургического комбината балки рукояти ковша в декабре 
ломались в 4 раза чаще, чем в июле [4]. 

Низкая стойкость в зимнее время наблюдается у экскаваторов не 

только отечественного производства. В производственном объединении "
Якутуголь" эксплуатируются гидравлические экскаваторы 204М 

Рис. 1.5. Распределение частоты поломок 
балки рукояти ковша экскаваторов n (1) и 
среднемесячных температур tср.м (2) на рудниках 
Норильского горнометаллургическо-
го комбината 

 

"Суперфронт" вместимостью ковша 
20 м3, электромеханические экскаваторы 
201MSS вместимостью ковша 
16 м3. Эти экскаваторы изготовлены 
фирмой "Сумитомо-Марион" (Япония). 
В ПО "Кемеровоуголь", наряду 
с этими экскаваторами, эксплуатируются 
экскаваторы РН2300 фирмы 
"Кобе стил" (Япония). 

Опыт эксплуатации этих экска-

ваторов показывает, что число отказов 
механических систем в зимний 

период эксплуатации возрастает в 3–4 раза по сравнению с летним, что 
указывает на значительное влияние климатического фактора на надежность 
работы оборудования. Значительное время экскаваторы простаивают 
из-за хрупких разрушений зубьев ковшей. Зуб ковша представляет 
собой отливку из высокопрочной хромоникельмолибденовой стали массой 
до 370 кг, длиной 1200 мм, шириной 280 мм и высотой 380 мм. Отказы 
зубьев составляют до 50 % отказов всех элементов механических систем 
экскаватора, причем в холодный период эксплуатации число отказов 
возрастает в 2–3 раза. 

По данным ПО "Якутуголь", из-за аварийных отказов экскаваторов 

ЭКГ-12,5 величина удельного ущерба в зимнее время в 7–8 раз выше по 
сравнению с летним периодом. 

Обследование, проведенное Институтом физико-технических про-

блем Севера (г. Якутск) под руководством В. П. Ларионова [3], показало, 
что наиболее часто причинами разрушений сварных конструкций экскаваторов 
является несоответствие основного конструкционного материала 
по хладостойкости (около 29 %), а также использование технологии и 
сварочных материалов, не обеспечивающих хладостойкость соединения 
(24 %). В среднем по районам Крайнего Севера страны каждый карьерный 
экскаватор простаивает 70–90 дней в году вследствие неприспособленности 
к работе при низких температурах. 

Скорость и порывистость ветра также могут способствовать хладно-

ломкости. Сильный ветер способен создавать в конструкциях динамические 
напряжения. Кроме того, при изменении температуры воздуха ветровая 
нагрузка усиливает теплоотвод, что дополнительно повышает перепад 
температур между сердцевиной и поверхностью конструкции и 
вызывает развитие напряжений. В высоких конструкциях типа башенных