Ю.Г. Лузенин

РОЛЬ МЕТАЛЛУРГИИ
В РАЗВИТИИ
РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ

Федеральный научно-производственный центр
Научно-производственное объединение «Искра»

Ю.Г. Лузенин

Роль металлургии в развитии
ракетной техники

Пермь 2010

УДК 669:629.7.036.54-66
ББК 34.3+39.6
Л 838
Рецензенты:д-р техн, наук, проф. В.С. Шайдуров;
д-р техн, наук, проф. ГА. Береснев

Лузенин Ю.Г. Роль металлургии в развитии ракетной техники/
Издательский дом «Пресстайм». - Пермь, 2010.- 92с.

ISBN 978-5-98975-323-9
Книга
посвящена
высокопрочным
сталям
и
сплавам.
Изложена история создания при НПО «Искра» отдела главного
металлурга, коллектив которого сумел за довольно короткий
срок с привлечением ведущих институтов страны осуществить
качественный скачок в развитии принципиально нового
направления в области материаловедения по внедрению
высокопрочных сталей и сплавов для РДТТ, развитию и укреплению
металлургической базы для их производства.
Большое
внимание
уделено
методологии
проведения
исследований, как по установлению природы дефектов, так и
определению причин разрушения деталей и сборочных единиц
при различных видах испытаний.
Издание предназначено инженерно-техническим специалистам,
работающим над созданием РДТТ, а также студентам и аспирантам,
интересующимся проблемами металлургии в машиностроении.

©Лузенин Ю.Г., 2010

5

Содержание
Список сокращений................................................................................... 7

Предисловие................................................................................................. 8
История становления отдела главного металлурга.......................... 9

Изыскание высокопрочных сталей.................................................... 13

Пути совершенствования высокопрочных сталей......................... 18
К вопросу о свариваемости высокопрочных сталей....................... 25
Большой шахтный агрегат - ключ в решении задачи
создания длинномерных корпусов ДУ................................................ 31
Быть исследователем - это призвание.............................................. 36

Обобщенный опыт и методология проведения исследований.. 38

Статистика - важнейшее звено в отработке изделий РТ............ 48
Демократия в действии....................................................................

49

Хороший снабженец - гарантия успеха............................................. 52
Отличительные особенности высокопрочных сталей.................... 54
Мартенситно-стареющие стали........................................................... 65

Титановые сплавы..................................................................................... 75
Заключение..................................................................................................90

Литература................................................................................................... 91

6

Список сокращений
БША - большой шахтный агрегат
ВДП - вакуумно-дуговой переплав
ДУ - двигательная установка
КТИ - контрольно-технологические испытания
КД - конструкторская документация
ЛИ - летные испытания
НИР - научно-исследовательская работа
ОСИ - огневые стендовые испытания
РДТТ - ракетный двигатель твердого топлива
РТ - ракетная техника
СРС - стартово-разгонная ступень
ТЗП - теплозащитное покрытие
ЭШП - электрошлаковый переплав
Ас, - критическая точка стали: температура перехода
перлита в аустенит при нагревании
Ас3 - критическая точка стали: температура образования
однородной структуры - аустенита
Мн - критическая точка стали: температура начала распада
переохлажденного аустенита с образованием мартенсита
о0 2 - условный предел текучести
ав- предел прочности на растяжение
5 - относительное удлинение
у - относительное сужение
ан - ударная вязкость
VCB - скорость сварки
1СВ - сила тока при сварке
11д - напряжение дуги при сварке

7

Предисловие
Данная книга - это исповедь инженера-металлурга, авто­
ра этих строк посвящается тем, кто стоял у истоков создания
твердотопливных ракетных двигателей, кто с пониманием от­
носился к проблеме и сделал все возможное для развития ме­
таллургической базы, позволившей осуществить качественный
скачок в развитии новой техники в части создания высокопроч­
ных сталей и сплавов, передовых технологий.
Автором обобщен накопленный лабораторией металловеде­
ния НПО «Искра» колоссальный опыт в отработке изделий ра­
кетной техники, основанный на многочисленных исследовани­
ях по установлению причин неудовлетворительных испытаний,
установлению природы дефектов, проведению целого ряда
научно-исследовательских работ по внедрению новых марок
сталей и сплавов.
Книга представляет интерес для конструкторов и технологов,
которые занимаются проектированием РДТТ на основе высо­
копрочных сталей и сплавов.
Обобщенный в книге опыт в отработке изделий РТ позволит
уйти от возможных ошибок в практической деятельности, со­
кратить необходимый объем материальной части для отработ­
ки вновь создаваемых изделий, решить главную задачу в соз­
дании надежных конструкций в минимально короткие сроки.

8

История становления отдела главного металлурга
В начале 60-х годов стало ясно, что новое направление - соз­
дание ракетных двигателей на твердом топливе, которое под
руководством главного конструктора Михаила Юрьевича Цирульникова набирало высокие темпы, не может успешно раз­
виваться без металлургической базы.
С этой целью было принято решение
организовать на Пермском машино­
строительном заводе им. В.И.Ленина
в отделе главного металлурга лабора­
торию высокопрочных сталей. Возгла­
вить вновь созданное подразделение
было поручено опытному специалиступрактику заместителю главного метал­
лурга Николаю Ивановичу Суятину.
Используя данный ему директором за­
вода им. В.ИЛенина Виктором Никола­
евичем Лебедевым карт-бланш, он в ре­
зультате продуманной кадровой политики
Рис. 1. н.и. Суятин из числа опытных специалистов и пер­
главный металлург
НПО «Искра»
спективных выпускников кафедры метал­
ловедения и термической обработки Пермского политехнического
института (ППИ) за короткий промежуток времени сумел создать
коллектив лаборатории, который активно включился в работу.
Дата создания лаборатории - 10 октября 1961 г. - практи­
чески совпала с моим поступлением на работу на завод им.
В.И.Ленина после окончания ППИ. Так, в числе шести других ин­
женеров-металлургов волею судьбы я оказался у истоков дела,
которое начинать надо было с нуля, поскольку ни у одного из
нас не было опыта и знаний в этой области деятельности, да и
сами высокопрочные стали еще только что начали появляться и
для их внедрения необходимо было немало времени и сил.
К решению поставленной задачи по разработке и внедрению
высокопрочных сталей был привлечен научно-технический по­
тенциал ведущего в системе оборонной промышленности ма­
териаловедческого института, который в те времена называл­
ся НИИ-13, способный творчески воспринимать и применять в
9

конкретных разработках достижения науки и техники.
Это были годы напряженного труда, интересной работы, посто­
янного поиска. Многое из того, что делалось, делалось впервые в
отечественной практике, впервые в отрасли. Работали с полной от­
дачей сил, придерживаясь неписаного закона: с работы не уходить,
пока не доведешь до конца то, что намечено на текущий день и в
первую очередь то, что необходимо сделать, во что бы то ни стало.
Работали в тесном сотрудничестве с ведущими специалистами
института НИИ-13, постоянное представительство которых обес­
печил по договоренности директор института Ф.А. Куприянов.
Пример самоотверженного труда во всем показывал сам глав­
ный конструктор Михаил Юрьевич Цирульников, заряжая всех, кто
группировался вокруг него, своим энтузиазмом, трудолюбием.
Концентрация интеллектуальных и материальных ресурсов,
направленных на развитие ракетной техники, наращивала тем­
пы, и уже вскоре стало ясно, что одними исследовательскими
работами не обойтись, нужны технологи. И в середине 1962 г.
создается бюро термической обработки, которое возглавил
пришедший в лабораторию еще один выпускник кафедры ме­
талловедения и термической обработки, имеющий к тому же
опыт работы на производстве - Владимир Васильевич Лукьянов.
Возник тандем, давший, несомненно, положительные результа­
ты, когда исследовательская группа проводила необходимый по­
иск материалов, режимов термической обработки, а технологиче­
ская группа осваивала и внедряла эти разработки в производство.
Если был получен отрицательный результат, проблема снова
возвращалась в исследовательскую группу, где анализировалась
с привлечением всей достоверной информации на основании
имеющейся статистики. При этом технологи принимали актив­
ное участие в проведении дальнейшего поиска новых решений.
Постепенно круг вопросов продолжал расширяться, и воз­
никла реальная необходимость в организации в КБ отдела
главного металлурга, что и было осуществлено в апреле 1965 г.
Основоположниками вновь созданного отдела стали работ­
ники лаборатории высокопрочных сталей и бюро термической
обработки, переведенные с завода им. В.И. Ленина, среди них:
В.В. Лукьянов, Ю.Г. Лузенин, Ю.М. Таранжин, Б.А. Пьянков,
М.П. Рыженкова, О.А.Мосина, Д.Г.Пейсахович.
10

Ю.М. Таранжин

Б.А. Пьянков

М.П. Рыженкова

О.А. Мосина

Рис. 2. Коллектив отдела главного металлурга
на этапе его становления
11

Формирование отдела шло по трем направлениям:
- технология термической обработки и обеспечение произ­
водства заготовками;
- исследовательские и контрольные лаборатории;
- технология сварки.
Все понимали, что для нормальной работы отделу требуется
хорошее оснащение. Нужды микроскопы, твердомеры, испыта­
тельные машины. 1де их взять? Помог случай и совет «главного».
Случаем этим был приезд к нам министра С.А.Афанасьева. Я, к
тому времени уже назначенный начальником лаборатории метал­
ловедения, и начальник лаборатории механических испытаний
Б.А. Ковалев обратились к Н.И. Суятину, чтобы он уговорил Миха­
ила Юрьевича, и тот выступил ходатаем перед министром в части
оказания помощи по оснащению отдела. Михаил Юрьевич внял
нашей просьбе, однако неожиданно предложил другой вариант
решения вопроса, основанный на том, что министр когда-то ра­
ботал на заводе им. В.И. Ленина и хорошо знал Н.И. Суятина.
Он предложил подготовить за его подписью письменное обра­
щение к министру, и в тот момент, когда министр «со свитой» бу­
дет проходить через проходную как бы неожиданно встретиться
с ним. Вариант оказался верным - встреча состоялась. Николай
Иванович во время диалога посетовал, что в КБ создали отдел
главного металлурга, а приборов и оборудования нет. Тут же на
вопрос, что нужно, передал министру подписанное Михаилом
Юрьевичем письмо с перечнем всего необходимого оборудо­
вания и приборов, на котором Сергей Александрович написал
короткую резолюцию своим клеркам: «Разобраться, достать,
доложить». С такой резолюцией мы срочно поехали в Москву в
министерство. Надо было видеть изумленное лицо той женщи­
ны, от которой зависело оформление всех наряд-заказов, когда
на ее не очень приветливую встречу с репликами: «Я вас не вы­
зывала», «Командировку отмечать не буду», «Показывать ничего
не намерена», мы положили на стол письмо с резолюцией ми­
нистра. Она не только нас ознакомила со всеми оформленными
заказами на их приобретение, но и как могла, сдвинула сроки на
их поставку максимально «влево». Кроме того, подсказала, мне,
в частности, возможность еще ускорить их прохождение, если
я поеду в Ленинградское оптико-механическое объединение
12

(ЛОМО). Дала телефон представителя главка, курирующего это
объединение, и обещала с ним переговорить на предмет сокра­
щения сроков выполнения заказов. Но больше всего мне повез­
ло в самом ЛОМО, где начальник отдела сбыта оказался пермяк
и, как земляку, оказал содействие в приобретении оборудова­
ния, которое уже через три месяца стало поступать в отдел.
Ракетная техника продолжала развиваться, вместе с ней шло
развитие и укрепление КБ, в состав которого входил отдел
главного металлурга, насчитывающий к тому времени уже де­
сять структурных подразделений: лабораторию металловеде­
ния, лабораторию эрозионно-стойких материалов, бюро тер­
мической обработки, лабораторию механических испытаний,
химическую лабораторию, лабораторию теплофизики и нераз­
рушающего контроля, технологическое бюро сварки, лабора­
торию сварки, заготовительное бюро.
Наряду с все возрастающей текущей работой по оценке каче­
ства металла, сварных швов, поиску причин разрушения кон­
струкций одним из важнейших направлений во вновь созданных
подразделениях являлась работа научно-исследовательского
характера, основанная на методическом построении, чистоте
эксперимента, тщательном скрупулезном анализе полученных
результатов. Как правило, за год проводилось до 2-4 научно-ис­
следовательских работ, в которых активное участие принимали
ведущие институты страны - НИИ-13, ВИАМ, ЦНИИЧермет, Ин­
ститут электросварки им. Е.О.Патона АН УССР и др. Это направ­
ление считалось приоритетным, и отдел в этом немало преуспел.

Изыскание высокопрочных сталей
Приобретенный КБ опыт при создании первой твердото­
пливной ракеты ЗМ2 показал, что существующие конструк­
ционные легированные стали, такие как ЗОХГСА, 25ХГНМФА,
при достижении максимально возможной категории прочно­
сти КМ > 140 кгс/мм2 не позволят осуществить качественный
скачок в развитии ракетной техники.
Нужна была принципиально новая сталь, обладающая высо­
ким показателем отношения прочности к удельному весу. При
этом она должна быть технологичной, иметь показатели пла­
13

стичности, вязкости, позволяющие реализовать их при высоких
значениях прочности в конструкции, обладать относительно
высоким значением отношения предела текучести к прочно­
сти, хорошей свариваемостью, сопротивлением коррозии.
Разработка высокопрочных марок сталей, не имеющих аналогов в
мире, стала одним из главных направлений повышения эффектив­
ности корпусов ДУ и одним из приоритетных в научно-исследова­
тельской работе, к проведению которой был привлечен научный по­
тенциал ведущих институтов страны и, в первую очередь, НИИ-13.
В результате проведенного поиска сотрудниками НИИ-13
при тесном взаимодействии со специалистами лабораторий
высокопрочных сталей удалось создать и провести апробиро­
вание в производственных условиях двух марок стали - СП-28
(28ХЗСНМВФА) и СП-33 (ЗЗХЗСНМВФА), которые в термиче­
ски упрочненном состоянии обеспечивали категорию прочно­
сти КМ 160 и КМ 170 соответственно. Признанным автором этих
сталей был старший научный сотрудник НИИ-13 Е.Г. Перель­
ман и это объясняло нелогичность в их названии и двойствен­
ном написании буквы «П», а не «В». Создание этих сталей было
революционным прорывом в развитии ракетной техники, они
получили широкое внедрение в качестве листового материала
для силовых элементов конструкции (обечаек, днищ).
Почти в это же время усилиями специалистов металлургиче­
ской лаборатории завода им. В.И. Ленина была разработана
аналогичного класса сталь марки ЗОХЗГСНМФА, которая по от­
ношению к сталям марок СП-28, СП-33 обладала лучшей прокаливаемостью, благодаря чему она получила применение в
наиболее массивных элементах конструкции ДУ - шпангоутах,
фланцах, патрубках. Безусловно, эта разработка в какой-то
степени затрагивала интересы института, и со стороны его со­
трудников в течение длительного периода времени предпри­
нимались попытки, сдерживающие ее внедрение. Тем не менее
усилиями специалистов завода им. В.И.Ленина, лаборатории
высокопрочных сталей эта сталь получила всеобщее призва­
ние, на нее были оформлены межотраслевые технические ус­
ловия, паспорт, патент, она стала широко использоваться в ДУ
разработки КБ в качестве концевых элементов.
В табл. 1 приведен химический состав разработанных высо­
14

копрочных сталей.
Высокопрочные стали типа «СП» относятся к мартенситному
классу, высокая прочность которых является следствием обра­
зования особой мартенситной структуры после упрочняющей
термической обработки.
Таблица 1
Химический состав сталей

Марка
стали

Химический состав,%

С

МП

8!

Сг

М

Мо

УУ

V

8
I|р
не бс)лее

СП-28
0,26 0,50 0,90 2,80 0,90 0,35 0,80 0,05
0,015 0,010
(28ХЗСНМВФА) 0,31 0,80 1,20 3,20 1,20 0,50 1,20 0,15
0,29 0,50 0,90 2,80 0,90 0,35 0,80 0,05
СП-33
0,015 0,010
(ЗЗХЗСНМВФА) 0,34 0,80 1,20 3,20 1,20 0,50 1,20 0,15

ЗОХЗГСНМФА

0,28 0,70 0,90 2,80 1,20 0,45
0,33 1,10 1,20 3,20 1,50 0,55

-

0,08
0,015 0,015
0,15

Примечание: суммарное содержание серы и фосфора не более 0,022%.
Легирование ее такими элементами, как хром и никель, сдви­
гающим С-кривую вправо и снижающими критическую ско­
рость закалки, делают сталь, закаливающейся на воздухе. Это
свойство стали самозакаливаться на воздухе повышает ее
технологичность. Кроме того, введение никеля улучшало прокал иваемость стали. Именно эта отличительная от сталей типа
«СП» особенность, а также более высокое содержание марган­
ца позволили обеспечить после упрочняющей термической об­
работки требуемую прочность в сечениях до 80 мм.
При этом исходили из того, что дальнейшее увеличение нике­
ля более 2% может резко снизить температуру начала образо­
вания мартенсита и привести к сохранению большого количе­
ства остаточного аустенита.
Существенным моментом в определении химического со­
става сталей является введенное ограничение по содержанию
вредных примесей - серы и фосфора, которое привело к суще­
ственному улучшению свариваемости сталей, повышению пла­
стичности, сопротивлению удару. При этом руководствовались
известным пониманием, что при суммарном их ограничении (не
более 0,022%) совместное их влияние аддитивно [10]. Вообще
15

химический состав для высокопрочных сталей выбирали из со­
ображений правильного соотношения легирующих элементов с
учетом их влияния на прочность и пластичность стали. В част­
ности, учитывалось, что ванадий, являясь ценным легирующим
элементом с точки зрения повышения устойчивости стали про­
тив отпуска, склонен к образованию карбидов и нитридов, ко­
торые с трудом растворяются в аустените при нагреве под за­
калку. Повышенное содержание ванадия может в сочетании с
углеродом привести к уменьшению устойчивости стали против
отпуска, снижению твердости мартенсита, а в случае увеличе­
ния температуры закалки, с целью достижения максимального
растворения карбидов, к интенсивному окалинообразованию,
получению нежелательной крупнозернистой структуры. Огра­
ничение содержания молибдена также было обусловлено, при
всем положительном его влиянии, склонностью к интенсивному
окалинообразованию при упрочняющей термической обработ­
ке. Введение кремния позволяло повышать температуру рас­
пада мартенсита, делающую сталь более отпускоустойчивой.
Эффект отпускоустойчивости стали также усиливали добавки
марганца и особенно хрома. Температура закалки для высоко­
прочных сталей определялась с учетом характера влияния леги­
рующих элементов на положение критических точек, распреде­
ления легирующих элементов между фазами стали и влияния их
на механизм и кинетику фазовых и структурных превращений.
В табл. 2 приведены критические точки для высокопроч­
ных сталей.
Таблица 2

Критические точки сталей
Марка
стали
СП-28
28ХЗСНМВФА
СП-33
ЗЗХЗСНМВФА

ЗОХЗГСНМФА

Критические точки сталей, °С

Ас,

Ас3

мн

800

865

330

800

855

300

775

900

350

16

Экспериментальным путем, исходя из установленных кри­
тических точек, методом пробной закалки с интервалом 20°С
была подобрана температура закалки в пределах 900-950°С.
Выдержку при закалке устанавливали из соображений оптими­
зации величины обезуглероженного слоя.
Экспериментальными работами, проведенными в лаборато­
рии высокопрочных сталей, было показано, что при достижении
величины обезуглероженного слоя 0,2-0,3 мм не наблюдается
падения прочности и в то же время этот слой служит «мягкой
подушкой», которая при высокой чувствительности высоко­
прочных сталей к концентраторам напряжений сводит на нет
влияние различного рода поверхностных дефектов в виде ри­
сок, забоин и др. при их залегании в пределах этой величины.
С целью получения необходимого оптимума для уменьшения
величины обезуглероженного слоя был введен предваритель­
ный подогрев сборок в печи до температуры 650-680°С, кото­
рый позволил сократить время пребывания в закалочной печи
до 15-30 мин в зависимости от толщины листового материала
обрабатываемых сборок и обеспечить величину обезуглеро­
женного слоя в пределах 0,2-0,3 мм.
Следующим этапом было установление температуры отпу­
ска, которая так же подбиралась экспериментальным путем
из соображения наиболее полного использования влияния ле­
гирующих элементов, в первую очередь таких, как молибден,
хром, кремний. В этом плане, с точки зрения полного снятия
напряжений, получения при сохранении требований по проч­
ности показателей пластичности и вязкости, реализуемых в
конструкции, была выбрана температура отпуска 300-350°С,
выдержка в зависимости от габаритов изделий от 1,5 до 4-4,5
часов, охлаждение, как и в случае закалки, на воздухе. При под­
боре режима отпуска выявилась характерная для высокопроч­
ных сталей, так же, как и для ряда других, склонность к отпуск­
ной хрупкости, которая характеризуется снижением ударной
вязкости в интервале температур 400-500°С. Природа этого
явления объясняется накоплением примесей в пограничных
слоях зерен, их сегрегации и последующем выделении избы­
точных фаз (карбидов, нитридов) [8]. Однако у высокопрочных
сталей при этом не наблюдается резкого перехода от пластич17

ного состояния к хрупкому, а происходит постепенное сниже­
ние работы удара [10].
С другой стороны, благодаря легирующим элементам (молиб­
ден, хром) у высокопрочных сталей наблюдается явление вторич­
ного повышения твердости, когда эти значения сохраняются на
достаточно высоком уровне при температуре отпуска 600-650°С,
хотя прочностные показатели снижаются при этом на ~ 20%.
В табл. 3 приведен минимально гарантируемый уровень ме­
ханических свойств после упрочняющей термической обработ­
ке по выбранному режиму.
Таблица 3
Механические свойства сталей типа «СП»
Механические свойства

Марка
стали

СП-28
28ХЗСНМВФА
СП-33
ЗЗХЗСНМВФА
ЗОХЗГСНМФА

Условный Предел
предел
прочно­
сти
текуче­
сти,
при рас­
тяжении,
ов>
СТ0.2’
кгс/мм2
кгс/мм2

Относи­
тельное
удлине­
ние,

Относи­ Ударная
тельное вязкость,
сужение,

5,
%

V.
%

ан,
кгс-м/см2

135

160

8,0

20,0

4,0

145

170

7,0

20,0

4,0

155

170

7,0

20,0

4,0

Пути совершенствования высокопрочных сталей
Разработанная металлургами в период освоения высокопроч­
ных сталей технология выплавки в мартеновских и дуговых элек­
тропечах обеспечивала необходимые условия для снижения со­
держания в металле вредных примесей в виде серы и фосфора,
газов и неметаллических включений до значений, удовлетворя­
ющих требованиям принятых нормативных документов.
Однако уровень загрязненности металла неметаллическими
включениями и газами в результате взаимодействия жидкой
стали в процессе выплавки и разливки с огнеупорными мате­
риалами, шлаком и атмосферой для высокопрочных сталей
18

был слишком высок. При затвердевании в слитке образовыва­
лись металлургические дефекты в виде усадочной раковины,
рыхлости, ликвационной неоднородности, пористости и дру­
гих дефектов, снижающих пластичность металла при последу­
ющей его горячей обработке (ковке, штамповке), ухудшающих
качество готового полуфабриката. Специфика высокопрочных
сталей требовала получения высококачественного металла,
которому были бы не свойственны характерные для обычных
слитков металлургические дефекты.
С этой целью в 1963 году металлургической лабораторией
завода им. В.И. Ленина, работавшей под руководством канд.
техн, наук Г.К. Петухова был введен дополнительно способ ра­
финирования металла в ковше специально приготовленными
жидкими синтетическими шлаками.
Суть этого метода заключалась в том, что в ковш сначала слива­
ли нужное количество синтетического шлака требуемого состава,
а затем на этот шлак мощной струей выпускали из печи металл.
В результате эмульгирования, сопровождаемого повышени­
ем интенсивности реакций взаимодействия металла и шлака,
вследствие низкой его вязкости в момент перемешивания с
металлом и низкого содержания в нем окислов железа, проис­
ходило достаточно эффективное удаление из металла кислоро­
да и неметаллических включений [1]. Несколько позже допол­
нительно было внедрено внепечное вакуумирование стали, как
эффективное средство удаления водорода из металла, умень­
шение его флокеночувствительности при изготовлении различ­
ного рода заготовок (поковок, штамповок, сортового проката).
Принятые меры существенно повысили качество высоко­
прочных сталей, позволили уйти от целого ряда металлурги­
ческих дефектов, характерных для выплавки в мартеновских
и дуговых электропечах.
Однако задачу получения высококачественного металла, столь
необходимую для высокопрочных сталей, в полной мере решить
не удалось. По-прежнему в процессе проводимых исследова­
ний фиксировались в металле различных заготовок неметалли­
ческие включения (нитриды, сульфиды, оксиды, шпинаты), кото­
рые в поле контролируемого микрошлифа при увеличении 100
крат по 5-балльной шкале оценивались выше 5-го балла.
19

Пока металлурги искали пути дальнейшего совершенство­
вания качества высокопрочных сталей, на предприятии раз­
разилось очередное «ЧП». В 1967 году при летных испытаниях
произошел отказ двигателя 1 -й ступени ракеты 8К98 в связи
с разрушением корпуса двигателя по шпангоуту заднего дни­
ща. При исследовании фрагмента, вырезанного вблизи пред­
полагаемого очага разрушения, металлографическим анали­
зом было выявлено скопление неметаллических включений
выше 5-го балла. Этот факт позволил выдвинуть, как позднее
оказалось, ложную версию, что в разрушении изделия виноват
металл, имеющий высокую степень загрязненности неметал­
лическими включениями. Эта версия была удобна для защиты
конструкции в целом, и ее настойчиво отстаивали конструкто­
ры во главе с Михаилом Юрьевичем. Более того, конструкторов
поддержал институт НИИ-13, подтвердив в лице заведующего
лабораторией металловедения и термической обработки Е.Д.
Гидона правомерность этой версии. По настоятельной просьбе
Михаила Юрьевича он написал в комиссию докладную записку
о том, что повышенная загрязненность в металле шпангоута за­
днего днища могла сама по себе привести к отказу двигателя.
Начались «жаркие» дни.
По принятому комиссией решению весь задел шпангоутов
был подвергнут тотальному контролю на загрязненность стали
неметаллическими включениями. Работали в 2 смены, включая
субботы и воскресенья. Шпангоуты, у которых при просмотре
в поле микрошлифа выявлялись включения выше 5-го балла,
в работу не допускались, хотя все понимали, и в первую оче­
редь металлурги, субъективность проводимого метода оценки,
не гарантирующего наличие неметаллических включений в со­
седних участках. Бороться надо было не с причинами, а след­
ствием, и металлурги это чувствовали, как никто.
Для установления истинной причины разрушения комиссией,
которая работала под председательством министра общего
машиностроения С.А.Афанасьева, было назначено проведение
огневых стендовых испытаний. Результат испытаний превзошел
все ожидания. Изделия разрушились так же, как и при летных,
по заднему шпангоуту. Металлографические исследования,
проводимые лабораторией металловедения, показали, что очаг
20

разрушения находится в радиусе уплотнительной канавки в рай­
оне клинового замка. Просмотром микрошлифов в очаге разру­
шения и вблизи наличия неметаллических включений выше 5-го
балла не обнаружилось, прочностные и пластические характе­
ристики металла шпангоута находились в полном соответствии
с требованиями нормативной и конструкторской документации.
Вместе с тем осмотром вырезанных поперечных макротемплетов в зоне очага разрушения и прилегающих участков было уста­
новлено, что в основе причины разрушения лежит совокупное
действие концентратов напряжений от радиуса уплотнительной
канавки, формируемого режущим инструментом и составляю­
щим по результатам замера ЦИЛ 0,3 мм, и угла засверловки от­
верстия со стороны наружной полки шпангоута, которое к тому
же за счет глубины засверловки ослабило сечение в этом райо­
не шпангоута до недопустимой величины (рис. 3).

Рис. 3. Поперечное сечение шпангоута, вырезанного из разрушенного
корпуса двигателя первой ступени изделия 8К-98

Материалы исследования вместе с образцами были пред­
ставлены на комиссию и лично министру С.А. Афанасьеву. Кон­
струкция явно требовала принятия срочных мер по доработке
и, несмотря на то что Михаил Юрьевич продолжал отстаивать
версию о влиянии неметаллических включений, в соответствии
с принятым решением конструкцию доработали в части увели­
чения радиуса уплотнительной канавки до 5,0 мм, уменьшения
глубины засверловки отверстий, формирования плавного пе­
рехода в месте ее окончания.
21

К тому же еще из соображений надежности была увеличена
толщина полки шпангоута в зоне клинового замка и увеличены
радиусы с обеих сторон до 5,0 мм (рис. 4)

Рис. 4. Поперечное сечение новой конструкции шпангоута корпуса дви­
гателя первой ступени изделия 8К-98

Работоспособность такой конструкции была подтверж­
дена первыми же положительными результатами огневых
стендовых испытаний.
Казалось, истина восторжествовала, но это дорого обошлось
предприятию: по результатам работы комиссии главный кон­
структор, продолжающий отстаивать ложную версию, был ос­
вобожден от занимаемой должности.
Для металлургов же эта ситуация послужила дополнитель­
ным импульсом в поиске путей совершенствования качества
высокопрочных сталей, и эти пути вскоре были найдены.
Приоритет в получении высококачественных высокопрочных
сталей принадлежит заводу им. В.ИЛенина. Именно там усилия­
ми металлургической лаборатории и лаборатории высокопрочных
сталей в кратчайшие сроки был освоен разработанный Институ­
том электросварки им. Е.О. Патона АН УССР процесс электрошлакового переплава (ЭШП), который впоследствии получил широ­
кое признание не только у нас в стране, но и за рубежом [2].
Сущность ЭШП заключается в переплаве расходуемых элек­
тродов, в качестве которых используются слитки из высоко­
прочной стали, в металлическом водоохлаждаемом кристал­
лизаторе под слоем шлака. Этот способ явился логическим
продолжением электрошлаковой сварки, изобретенной в свое
22

время специалистами института АН УССР им. Е.О. Патона. Вы­
сокая степень рафинирования металла с помощью шлаков
соответствующего состава в сочетании с направленной кри­
сталлизацией металла в осевом или радиально-осевом на­
правлении обеспечивала в этом случае плотную однородную
макро- и микроструктуру без дефектов, связанных с усадочны­
ми явлениями, сегрегацией [1].
В процессе ЭШП металл очищается от вредных примесей,
уменьшается не только количественный состав неметалличе­
ских включений, но и изменяется их характер: исчезают стро­
чечные включения, остальные измельчаются и рассредото­
чиваются в объеме слитка. Все это объясняется постоянным
разбавлением металла в ванне электродным металлом и хоро­
шим перемешиванием жидкого металла конвективными пото­
ками в шлаковой и металлургической ванне [1]. Слитки ЭШП
при этом имеют, как правило, чистую ровную поверхность, что
исключает необходимость их обдирки, зачистки.
Характерной особенностью ЭШП является проявление в литой
макроструктуре электрошлаковых слитков и макроструктуре
деформированного металла чередующихся полос, повторяю­
щих очертания фронта жидкой металлической ванны. В основе
получения такой слоистой макроструктуры лежит изменение
баланса между поступлением тепла и теплоотвода, которое в
свою очередь может вызвать частичное подплавление затвер­
девшего слоя металла. При устойчивости процесса образова­
ния слоев кристаллизации данное явление неизбежно, и оно
способствует диспергированию примесей. Такое формирова­
ние структуры следует рассматривать как положительное [1].
Плотная структура металла, полученного электрошлаковым
переплавом, меньшая степень дендритной неоднородности,
пониженное содержание газов, дисперсное и равномерное
распределение части неметаллических включений по всему
объему привели к существенному повышению характеристик
пластичности и вязкости в поперечном направлении и, как
следствие, резкому уменьшению анизотропии. Этот эффект
имел особенно важное значение для таких элементов конструк­
ции ракетных двигателей, как шпангоуты, патрубки, фланцы,
работающие в условиях сложнонапряженного состояния.
23

Так была решена проблема получения высококачественной высо­
копрочной стали для сортового металла (поковок, штамповок) и на­
ступила пора освоения листового проката, который изготавливал­
ся на Украине металлургическими гигантами: отливал слитки завод
«Днепроспецсталь», завод «Запорожсталь» - изготавливал прокат.
Как ни странно, электрошлаковый переплав, полученный на
Украине в институте электросварки АН УССР им. Е.О. Патона,
не получил признания и развития на заводе «Днепроспецсталь»,
где сталь по прежнему производили методом «открытой» плав­
ки. Однако резкое снижение выхода годного металла в «откры­
той» плавке после ужесточения требований по неметаллическим
включениям; постоянная тяжба между заводами «Запорож­
сталь» и «Днепроспецсталь» относительно природы образова­
ния неметаллических включений, их формирования на переделе
до недопустимой величины; настойчивые требования предпри­
ятий-изготовителей ракетной техники, в том числе и КБмаш (г.
Пермь), практически заставили завод «Днепроспецсталь» «по­
вернуться лицом» к проблеме получения высококачественного
металла. Что было решено за счет выплавки стали в вакуумных
дуговых электропечах. Металл, полученный в вакуумно-дуговых
печах, также как и металл ЭШП, характеризовался высокой изо­
тропностью свойств, низким содержанием газов, низким со­
держанием и равномерным распределением неметаллических
включений, плотной макроструктурой. Ему не свойственны были
характерные для сталей, полученных методом «открытой вы­
плавки», дефекты ликвационного происхождения.
Это было завершающим этапом решения проблемы получе­
ния высококачественной высокопрочной стали, результатом
которой была откорректированная нормативная документация
(технические условия) в части ограничения неметаллических
включений не выше 2-го балла.
Сталь получила надежную «прописку» в изделиях ракетной
техники. Для удобства в работе конструкторов и техноло­
гов авторский коллектив в лице Н.И.Суятина, В.В.Лукьянова,
А.Д.Кудымова, Ю.Г.Лузенина в 1968 году выпустил справочное
пособие по высокопрочным сталям [9], пятьдесят экземпляров
которого, в частности, были переданы Высшему командному
инженерному училищу (ВКИУ г. Пермь) для обучения курсантов.
24

К вопросу о свариваемости высокопрочных сталей
Способность высокопрочных сталей свариваться имеет боль­
шое значение для тонкостенных конструкций цилиндрической
формы, к каким относятся корпуса ракетных двигателей. Вме­
сте с тем опыт работы с высокопрочными сплавами показал,
что сварка таких сталей требует большей тщательности ис­
полнения, чем сварка конструкционных сталей меньшей проч­
ности, так как в этом случае любые отклонения от принятой
технологии могут сопровождаться возникновением различных
металлургических дефектов, которые могут привести к небла­
гоприятным последствиям вплоть до разрушения изделий.
Техника сварки таких сталей требует, как правило, тщатель­
ной подготовки поверхности стыкуемых кромок. Они должны
быть очищены от окалины, обезжирены, процесс сварки дол­
жен проводиться в помещении, не содержащем пыли. Особое
внимание следует уделять закреплению стыкуемых кромок в
приспособлении и его установке, исключающей перекосы. Для
отвода тепла приспособление должно иметь канавку, предот­
вращающую прямой контакт со свариваемым металлом.
Наиболее надежной сваркой высокопрочных сплавов явля­
ется аргонно-дуговая сварка вольфрамовым электродом, ко­
торая обеспечивает наиболее гладкую поверхность сварного
шва, в большинстве случаев не требующей зачистки. Состав
наплавленного таким образом металла меняется незначитель ­
но и представляет собой нечто среднее между составом основ­
ного металла и сварочной проволоки, практически обеспечивая
равнопрочность сварного соединения основному металлу [10].
К наиболее характерным дефектам, образующимся при свар­
ке высокопрочных сталей, способных повлиять на работоспо­
собность изделия, относятся нарушающие геометрию сварных
швов подрезы, смещение кромок, большое количество пор,
вольфрамовые включения, шлаки.
На рис. 5 показан подрез на продольном сварном шве, кото­
рый привел к преждевременному разрушению изделия.
Допустимость таких дефектов должна быть оговорена тре­
бованиями конструкторской документации. Недопустимые де­
фекты в виде раковин и прожогов подлежат исправлению. Осо25

Рис. 5. Вид продольного сварного шва в области очага разрушения с
наличием подреза

бое внимание следует уделять такому дефекту, как непровар,
который, как правило, приводит к случаям преждевременного
разрушения изделий (рис.6).
При хорошей подгонке кромок он плохо фиксируется на рент­
геновской пленке и зачастую не улавливается или может быть
пропущен, если просмотр пленок проводит лаборант, не имею­
щий достаточного опыта.

Рис. 6. Фрагмент излома сборки с наличием непровара

Были, к сожалению, и такие случаи, когда по сомнительным
участкам на рентгеновской пленке, под давлением авторитета
начальника участка, лаборант давал положительное заключе­
ние, что приводило к неприятным последствиям.
Для исключения непроваров в КБмаш было принято сварку
проводить независимо от толщины свариваемого металла в
три прохода с присадочной проволокой из 18ХМА.
Режимы сварки подбирали экспериментальным путем на
пластинах в лабораторных условиях и назначали на основании
заключения, выдаваемого лабораторией металловедения по­
сле проведенного исследования, включающего в себя оцен­
ку прочности и пластичности сварного соединения. Наряду с
этим проводилась оценка макро- и микроструктуры, формиро­
вания геометрии сварного шва на предмет отсутствия внешне­
видовых дефектов, особенностей структуры в части дендрит­
ного строения сформировавшихся кристаллов, формирования
зоны крупного зерна в участие неполного расплавления [7].
26

Таким образом, применительно к корпусам III ступени ракеты
8К98 при изготовлении обечаек из листовой стали СП-33 тол­
щиной 1,7 мм для продольных сварных швов были подобраны
режимы сварки, приведенные в табл. 4.
Таблица 4
Режимы сварки
Номер прохода
Сила тока
Напряжение
Скорость сварки
дуги ид,В
'св '
VCB >м/4
1

65-70

10-12

11,4

2

75-85

10-12

11,4

3

70-75

10-12

12,5

После сварки обечайки проходили общий печной отпуск на шахт­
ном агрегате при температуре 740 °С с выдержкой 1,0 -1,5 часа.
При этом существенным моментом (гарантом исключения
образования холодных трещин) являлось выполнение требо­
ваний по разрыву по времени между окончанием сварки и на­
чалом отпуска, который не должен превышать 4 часов.
Но даже такой, казалось бы, надежный принятый вариант
сварки не был застрахован от непровара, и в тех случаях, когда
при первом проходе у сварщика дуга по различным причинам
уходила в сторону, образование непровара было неизбежно.
Схематически это представлено на рис. 7.

Рис 7. Возможный случай непровара при трехпроходной сварке
Особо следует остановиться на сварке кольцевых сварных швов.
Но прежде чем перейти к этому необходимо обратить внимание на
еще один чрезвычайно опасный дефект сварных швов - это горячие
трещины, которые могут привести к самым неприятным послед ствиям.
Из литературных источников [5, 10] известно, что на склон­
ность высокопрочных сталей к образованию горячих трещин
27

могут оказывать влияние вредные примеси - фосфор и сера.
В этом плане в сталях СП-28 и СП-33 содержание серы и фос­
фора было сведено до минимума (см. табл.1) и, казалось бы,
образование горячих трещин маловероятно. Однако совершен­
но неожиданно такой случай не только был зафиксирован, но и
привел к созданию аварийной ситуации, когда по причине пре­
ждевременного разрушения корпусов при испытании рабочим
давлением вся партия ушла в брак. Более того, имел место от­
каз при летных испытаниях по причине разрушения двигателя III
ступени изделия 8К98 по одной из этих трещин. Определяющим
фактором в образовании горячих трещин явилось назначение
сварщиками максимально возможной силы тока lCB = 140-155А
при скорости сварки VCB= 20 м/ч и напряжении дуги ид = 10-12В,
гарантирующей проплав на всю толщину стыкуемых кромок.
Предпринятые меры были направлены на исключение образо­
вание непроваров в кольцевых сварных швах. Такой подход не
приводил к неприятным последствиям - пока лист поставлялся
заводом «Запорожсталь», как это принято у металлургов, ближе
к верхнему пределу допуска по толщине 5=1,7±0,13 (5=1,83 мм).
Трагедия случилась в тот момент, когда однажды лист был по­
ставлен на нижнем пределе по допуску (5=1,57 мм) и его за­
пустили в работу без проверки на свариваемость. Качество
кольцевых сварных швов резко ухудшилось. Ширина первого и
второго проходов увеличилась в 1,5 раза, швы оказались про­
саженными на значительную глубину.
При 3-м проходе наблюдалось смещение подварочного шва
относительно стыка с выходом проплава на наружную поверх­
ность. В местах неперекрытия первых двух проходов имела ме­
сто подварка изнутри четвертым проходом (рис. 8).

Рис. 8. Характер формирования кольцевого сварного шва в стыке обе­
чаек: а - первый проход; б - второй проход; в - третий проход;
г - четвертый проход; д - пятый проход

28

Последующие результаты металлографического исследования по­
казали, что шов имеет грубое дендридное строение в зоне крупного
зерна (зона перегрева металла) изнутри сборки по границе сплавле­
ния первых двух проходов с основным металлом, в участках, где они
не перекрывались третьим, образовались горячие трещины (рис. 9).

Рис. 9. Микроструктура сварного шва
с наличием горячей трещины

Очевидно, что завышенные режимы сварки при минимальной
толщине свариваемых обечаек привели к возникновению растя­
гивающих напряжений, превысивших прочность металла погра­
ничных областей и, как следствие, кобразованию горячих трещин.
Трещины имели незначительную глубину залегания *0,5 мм
и слабое раскрытие, в связи с чем они практически не выяв­
лялись рентгеноконтролем. При испытании корпусов рабочим
давлением они приводили к потере герметичности по причине
течи по месту их образования или к разрушению корпуса.
Часть трещин, не выявленных непосредственно после свар­
ки и отпуска, раскрывалась в процессе последующей упроч­
няющей термической обработки и хорошо фиксировалась на
рентгенпленке при повторно назначенном рентгеноконтроле.
Сильно окисленная под цвет окалины трещина в продольном
направлении с глубиной раскрытия 0,5 мм после повторной
опрессовки переходила в поперечную с окислением по цветам
побежалости, как результат воздействия температуры отпуска
(300°С - 4 часа) после гидроопрессовки.
Все это потребовало принятия срочных мер по уточнению ре­
жимов сварки кольцевых швов, которые после проведения соот­
ветствующих исследований выглядели, как это показано в табл .5.
29

Номер прохода

Таблица 5
Уточненные режимы сварки кольцевых швов_____
Скорость сварки
Сила тока
Напряжение
1СВ,А
^в,м/ч
дуги ия,В

1

107-112

10-12

20

2

105-110

10-12

20

3

80-85

10-12

20

Отпуск кольцевых швов с разрывом во времени не более 4 ча­
сов осуществлялся на установке ТВЧ при температуре 600-650 °С
с выдержкой 10-15 мин.
Одной из характерных особенностей высокопрочных сталей
является то, что сварка в термически упрочненном состоянии
для нее является недопустимой.
Нарастающая в этом случае скорость деформации, обу­
словленная чрезвычайно высоким градиентом температур
между сварочной ванной и основным металлом, находящимся
в упрочненном состоянии, приводит к образованию напряже­
ний, под воздействием которых возникают трещины [7].
Эту, ставшую известной со времен отработки изделия 8К98П,
истину и в настоящее время нередко забывают, и результат не
заставляет себя ждать. Образование трещин неизбежно, и в
конечном итоге изделие приходит в негодность.
Во времена же освоения изделия 8К98П решение проблемы
сварки в термически упрочненном состоянии было жизненно
важной задачей и единственным выходом в создании крупно­
габаритных длинномерных конструкций, каким являлись кор­
пуса двигателя I ступени 8К98П.
Необходимость соединения термически упрочненных полу­
корпусов сварным швом была обусловлена отсутствием шахт­
ного агрегата. Все силы, весь научный потенциал НИИ-13 были
брошены на решение этой проблемы. Что только не пытались
сделать: сварка с подогревом, утолщение обечаек по месту
стыка, введение промежуточных колец. Результат был один - в
сварном шве образовались трещины (рис. 10,11), сборки пре­
ждевременно разрушались, и все это в конечном итоге привело
к необходимости строительства большого шахтного агрегата.
зо

Рис. 10. Общий вид излома с наличием трещины
в участке замыкающего сварного шва.

Рис. 11. Микроструктура замыкающего сварочного шва
в различных участках

Большой шахтный агрегат - ключ в решении задачи
создания длинномерных корпусов ДУ
После серии неудач, связанных с преждевременным разру­
шением при гидравлических испытаниях корпусов ДУ I ступе­
ни 8К98 по сварному шву, соединяющему термически упроч­
ненные полукорпуса, стало ясно, что без шахтного агрегата,
позволяющего делать упрочняющую термическую обработку
всего корпуса, не обойтись. В соответствии с принятым реше­
нием в 1965 году по проекту «Гипроавиапром» началось строи­
тельство большого шахтного агрегата - БША (рис. 12).
Созданный за короткий промежуток времени БША представ­
лял собой полностью автоматизированный комплекс печного
и калибровочного оборудования, состоящий из печей подо­
грева, отпуска, разжимных и монолитных оправок, над кото­
рыми на подвижной эстакаде смонтирована закалочная печь.
Печная арматура для крепления корпусов (скалка, паук, цепь)
была выполнена из жаростойкой стали Х18Н25С2, пригодной
для длительной работы нагруженных деталей до температуры
1000-1100 °С [3]. Это было уникальное, единственное в Совет-

31

ском Союзе сооружение, высота которого
достигала 36 м при высоте здания 42 м.
Технологическая схема БША приведена на
рис. 13.
Агрегат позволял проводить упрочняю­
щую термическую обработку крупногаба­
ритных длинномерных изделий, каковыми
являлись корпуса ДУ I ступени изделия
8К98 (01800 мм, 1=7,0 м), кроме того од­
новременно с получением максимальной
прочности на сталях типа СП обеспечива­
лись
геометрические параметры, степень
Рис 12. Большой
шахтный агрегат
точности которых не имела себе равных в
практике термической обработки.
Вследствие крайне малой жесткости корпусов (отношение
толщины стенки к диаметру составляло 1:500) и значительной
их длины (ДУ III ступени 1=2,5 м; ДУ I ступени 1_=7,0 м) при за­
калке даже на воздухе овальность доходила в отдельных случа­
ях соответственно до 10 мм на корпусах ДУ III ступени и 35 мм
на корпусах ДУ I ступени. Кроме этого в районе сварных швов
и особенно подварок наблюдалась «утяжка» металла. Поэтому
без специальных технологических приемов, естественно, не­
возможно было обеспечить заданные в конструкторской доку­
ментации требования:

Рис. 13. Технологическая схема БША:
1 - закалочные печи, смонтированные на подвижных эстакадах;
2 - разжимные калибрующие оправки с системой принудительного воз­
душного охлаждения; 3 - кантователь; 4 - печь подогрева;
5 - отпускные печи; 6 - бак воздушного охлаждения; 7 - промывочный
бак; 8 - масляный бак; 9 - селитровая печь-ванна.

32

- на корпуса ДУ III ступени - овальность не более 2,0 мм,
непрямолинейность образующей - до 1,0 мм, отклонение
внутреннего диаметра от номинала - до 1,0 мм;
- на корпусах ДУ I ступени - овальность до 5,0 мм, непрямолиней­
ность - до 3,0 мм, отклонение внутреннего диаметра - до 3,0 мм.
Введение операции предварительного подогрева сборок до
температуры 650-680°С перед закалкой, а также наличие пере­
движной закалочной печи позволяло производить насадку кор­
пуса непосредственно на оправку, снизить до минимума ве­
личину обезуглероженного слоя, обеспечить незначительное
коробление при нагреве и совместить операцию охлаждения
при закалке с калибровкой на оправке.
Калибровка при закалке предъявляет определенное требова­
ние к материалу обечаек и шпангоутов - достаточную степень
устойчивости аустенита в температурном интервале правки,
исключающую процессы промежуточного превращения стали
под действием деформации. В сущности процесс калибровки
корпусов в закаленном состоянии основан на изменении раз­
меров (0) тонкостенных труб в процессе их нагрева.
Технологический процесс правки заключается в следующем:
- изделие нагревается в закалочной печи до температуры
950±10°С;
- далее закалочная печь передвигается по рельсам и останав­
ливается над оправкой, выполненной из нержавеющей стали
и находящейся в сжатом состоянии;
- затем открывается крышка печи, и изделие опускается, на­
деваясь на оправку;
- сектора оправки в исходном состоянии (при нормальной
температуре) раздвигаются на заданный номинальный вну­
тренний диаметр, требуемый по чертежу, при этом калибро­
вочный диаметр устанавливается как сумма номинального
внутреннего диаметра плюс величина упругих деформаций
при калибровке, которая определена экспериментальным пу­
тем, и люфта оправки;
- в процессе охлаждения диаметр изделия уменьшается и
при определенной температуре плотно охватывает оправку происходит натяг, часть которого идет на упругую (Dy), часть
на пластическую (Dn) деформацию;
33

- после полного охлаждения сектора оправки возвращаются в
исходное состояние, а изделие свободно снимается с оправки.
Способ расчета геометрических параметров изделия в процес­
се правки базируется на дилатометрической кривой (рис. 14).
Да*

Рисунок 14. График определения параметров калибровки труб на раз­
личных оправках при закалке:
- изменение диаметра трубы при нагреве и охлаждении в свободном
состоянии;-------- то же при колибровке на оправке в процессе охладжения; Тк - температура начала колибровки; Юу - упругая деформация
диаметра при калибровке; Оп - пластическая деформация диаметра при
калибровке; Ои и Ок - диаметры труб исходной и после калибровки;
0о - диаметр оправки в момент калтбровки.
Изменение размеров идет по следующей закономерности:
- в процессе охлаждения при температуре ~435°С происхо­
дит контакт изделия с оправкой;
- при дальнейшем охлаждении до температуры начала мар­
тенситного превращения между изделием и оправкой возни­
кает натяг и происходит калибровка корпуса;
- в процессе мартенситного превращения, идущего с увеличением
объема, диаметр изделия увеличивается и отходит от оправки;
- при фактической температуре цеха между изделием и
оправкой снова возникает небольшой натяг.
Таким образом, была решена проблема обеспечения жестких
требований геометрических параметров в процессе упрочня­
ющей термической обработки тонкостенных, длинномерных
конструкций цилиндрической формы.
34

В1968 году эта работа была удостоена золотой медали ВДНХ.
Нельзя не отметить тот факт, что при строительстве большого
шахтного агрегата исходили из концепции, что закалку сборок
следует проводить в печах с контролируемой атмосферой, что­
бы свести на нет влияние величины обезуглероженного слоя,
исключить окалинообразование. С этой целью по рекоменда­
ции института НИИ-13 одновременно начали строить здание
для азотно-компрессорной станции, которая позволяла бы
термическую обработку делать в среде азота.
Однако в ходе строительства проведенными исследовани­
ями было показано, что наличие обезуглероженного слоя в
определенных пределах (0,2-0,3 мм) не только не приводит к
снижению прочности, но и оказывает благоприятное действие
с точки зрения уменьшения чувствительности стали к поверх­
ностным концентраторам напряжений в виде рисок, забоин и
др. После этого необходимость в строительстве такой станции
отпала, а построенное здание азотно-компрессорной станции
было отдано под другие производственные нужды. Вот уж дей­
ствительно - нет худа без добра!
Параллельно с решением задачи термофиксации корпусов ДУ
достигалась и другая цель - обеспечение геометрии обечаек, рас­
трубов, днищ после сварки, штамповки. Производственный опыт
показал, что правка установкой в отдельные сечения разжим­
ных колец для калибровки в упругопластической области не дает
должного эффекта и не обеспечивает качественного выполнения
сборочных и сварочных операций. Причина этого - равномер­
ность по диаметрам стыкуемых кромок, неправильная их форма.

Рис. 15. Схема калибровки на монолитных аустенитных оправках

35

Для устранения этих недостатков была применена термофикса­
ция на монолитных аустенитных оправках в процессе проводимо­
го отжига после сварки по схеме, приведенной на рис. 15, где Д,
- внутренний диаметр обечайки, Д1 - наружный диаметр оправки.
Этот метод правки успешно применяется и в настоящее время
не только для сталей, но и для изделий из титановых сплавов.

Быть исследователем - это призвание
Многолетняя практика работы, связанная с проведением
исследований по установлению причин преждевременного
разрушения деталей, узлов и сборочных единиц, установле­
нию природы дефектов, выявленных при их изготовлении,
неоднократно подтвердила истину - человек может владеть
достаточным диапазоном знаний, обладать неплохими орга­
низаторскими способностями, уметь работать с литературой,
а исследователем не быть. И это действительно так, ибо ко
всему этому исследователь должен иметь еще аналитический
ум, обладать логическим мышлением, интуицией, которые по­
зволили бы ему грамотно подойти к методологическому по­
строению решаемой задачи, а самое главное - провести на ос­
новании полученных результатов детальный анализ и сделать
технически обоснованные выводы.
При всем этом в процессе проведения исследований после­
довательность действий, целенаправленность в проводимом
поиске, умение выделить главное в сложном переплетении
технических вопросов нередко могут играть решающую роль.
На практике часто встречаются случаи, когда, увлекшись, ис­
следователь расширяет глубину поиска и, забывая о главном,
начинает искать причину выявленной, к примеру, структурной
неоднородности материала, не имеющую никакого отношения
к решению поставленной задачи. И это, безусловно, ведет к
затягиванию сроков выпуска исследований, распылению сил
и ни в коей мере не способствует проведению поиска в нуж­
ном направлении по установлению истинной причины разру­
шения исследуемого объекта.
Иногда бывает и так, что вновь пришедшие специалисты,
привлеченные к проведению исследования, сделав всю необ36

ходимую подготовительную работу,
не в состоянии изложить обобщен­
ный материал, сделать аргументи­
рованные выводы. С такими специа­
листами, к сожалению, приходиться
расставаться. В этом плане поиск и
воспитание кадров - важнейшее зве­
но в работе руководителя подразде­
ления, каким является лаборатория
металловедения. В первую очередь
в
лаборатории
металловедения
КБмаш был хорошо налаженный кон­
такт с кафедрой металловедения и
термической обработки Пермского
Рис. 16. В.И. Агафонова
политехнического института (ППИ, в
настоящее время ПГТУ), выпускниками которого были боль­
шинство сотрудников отдела главного металлурга. Вместе с
представителем отдела кадров нам часто приходилось выез­
жать в ППИ и пока «кадровик» знакомился с личными делами
студентов, мы встречались с профессорско-преподаватель­
ским составом кафедры. В результате личной беседы с пре­
подавателями получали рекомендации и характеристики на
перспективных студентов, склонных к исследовательской ра­
боте, и приглашали их на КБмаш на преддипломную практику
с условием, что после защиты диплома они остаются работать
в лаборатории металловедения КБ. Практически эти студенты
после защиты диплома приходили на предприятие подготов­
ленными специалистами, а их дипломные работы, как прави­
ло, были завершающим этапом какого-либо раздела научноисследовательской работы, имеющей большое практическое
значение. Такая подготовка позволяла им быстро продвигать­
ся по службе, становиться универсальными специалистами.
Среди таких специалистов хотелось бы отметить В.И. Агафо­
нову (рис. 16), которая после успешной дипломной работы по
высокопрочной стали ЗОХЗГСНМФА не менее успешно рабо­
тала как инженер-исследователь в этой области.
Врожденный талант в проведении исследований в силу склады­
вающихся обстоятельств не раз позволял ей менять направление
37

научной деятельности и подключаться к работам по мартенситно­
стареющим сталям, титановым сплавам, ниобию и даже углеродуглеродным композиционным материалам.
В результате, в силу своего умения оперативно, качественно
проводить исследования, на основе проработки литературных
источников, правильно выбранном методологическом постро­
ении эксперимента, грамотного анализа полученных результа­
тов, она выросла в уникального специалиста, осуществившего
на завершающем этапе своей трудовой деятельности разра­
ботку методологии проведения исследований.
В сфере продвижения специалистов, воспитанников лабора­
тории металловедения, у нас даже был конфликт с главным ме­
таллургом после того как он забрал очередного специалиста
с повышением в другую службу. На наши претензии по поводу
того, что, не успев вырастить очередного специалиста, у нас
его забирают, он спокойным тоном ответил: «Забирал и буду
забирать. Лаборатория металловедения - кузница кадров, вот
и продолжайте «ковать». Пришлось с этим смириться и продол­
жать с еще большей энергией заниматься подбором кадров, в
том числе и поиском на стороне, в смежных подразделениях.
В любом случае, достойные специалисты - успех нашей, во
многом творческой деятельности. Среди них: зам. главного
металлурга Ю.Ф.Климов, главный металлург Е.А.Афанасьев,
главный механик Э.Г.Ральников, ведущие специалисты отдела
главного металлурга Р.И.Бурикова, А.И.Сунцова, В.Н.Карякин,
Л.А.Шустова, О.В.Килина, начальник конструкторского отде­
ла С.Б.Логунов, ставший главным металлургом ПЗМ г.Пермь
А.Д.Бухалов и многие другие.

Обобщенный опыт и методология проведения
исследований
В течение ряда лет лабораторией металловедения выработана
методология проведения металлографических исследований
по установлению природы дефектов, определению причин раз­
рушения деталей и сборочных единиц, изготовленных из высо­
копрочных марок сталей, титановых и алюминиевых сплавов.
Обобщенный в данном разделе опыт построен на анализе ре­
38

зультатов более 10ОО исследований, выполненных металлогра­
фической лабораторией с 1961 г. Эти исследования, собранные
по окончании каждого года в тома, могут служить наглядным
пособием по поиску и определению аналогичных дефектов,
установлению причин разрушения изделий, сборочных еди­
ниц, деталей, а также могут быть полезными конструкторам и
технологам при выработке мероприятий по снижению произ­
водственного брака, исключению случаев преждевременного
разрушения различного рода деталей, сборочных единиц при
воздействии эксплуатационных нагрузок в процессе проведе­
ния различного рода испытаний.
Как известно, поведение материала в конструкции зависит не
только от комплекса характерных для него свойств, но и от осо­
бенностей самой конструкции, технологии выполнения ее уз­
лов и деталей, рабочей среды и других условий эксплуатации.
В основу изучения и толкования процессов деформирования
и разрушения, а также методов повышения конструкционной
прочности должен быть положен принцип комплексного рассмо­
трения свойств материала, особенностей оценки конструкции и
технологии, условий сборки, действующих нагрузок при различ­
ного рода испытаниях и эксплуатации, различных отклонений и
нарушений конструкции и техпроцессов в производстве.
Одной из основных задач металлографической лаборатории
является проведение контрольных и арбитражных исследо­
ваний по проверке качества металла, установлению природы
дефектов металлов и сплавов, определению причины их обра­
зования, установлению причины разрушения деталей, узлов и
изделий, выдаче рекомендаций, направленных на повышение
качества металла, исключению аномальных случаев, связан­
ных с преждевременными разрушениями.
Анализ статистических данных по результатам исследования
по установлению характера дефектов, определению причин
разрушения деталей, сборочных узлов и изделий показал, что
основные причины их появления можно разбить на три группы:
-конструкторские недоработки, упущения или ошибки, кото­
рые составляют 28% от общего количества дефектов;
-дефекты, связанные с неудовлетворительным качеством ис­
ходного металла, - 35%;
39

-дефекты и разрушения, связанные с нарушением требова­
ний технологической и конструкторской документации, - 37%.
Основные конструкторские недоработки, упущения или
ошибки, приводящие к появлению дефектов, вызывающих
преждевременное разрушение:
- угловые переходы, которые являются концентраторами на­
пряжений как при термической обработке, так и при статиче­
ских и виброиспытаниях;
- сечения, ослабленные различного рода отверстиями, вы­
борками металла;
- неправильно выбранный материал;
- неучтенные (нерегламентированные) эксплуатационные
или технологические нагрузки.
Дефекты, связанные с неудовлетворительным качеством
исходного металла, являются в основном дефектами метал­
лургического происхождения в виде отклонений химического
состава, неоднородности структуры по сечению, нарушения
сплошности металла, прочими дефектами, обусловленными
особенностями выплавки стали или изготовлением различного
рода заготовок. Данные дефекты могут быть выявлены на раз­
личных стадиях технологического процесса: при входном кон­
троле, неразрушающем контроле на различных переделах в
процессе механической обработки или деформации, при тер­
мической обработке или сварке, либо в процессе испытаний.
Нарушение требований технологической и конструкторской
документации, приводящие к возникновению дефектов и пре­
ждевременным разрушениям, могут происходить также на
всех стадиях техпроцесса:
-ошибки в выборе марки материала;
- нанесение поверхностных дефектов в виде рисок, забоин,
ослабления сечений до недопустимой величины из-за низкой
культуры производства;
- нарушение режимов термической обработки или сварки,
приводящее к образованию трещин, непроваров, прожогов;
- перекос или приложение чрезмерного усилия при сборке,
неравномерное распределение нагрузки при затяжке.
Порядок проведения исследований условно можно разде­
лить на несколько этапов, позволяющих последовательно по­
40

дойти к установлению причины разрушения объекта.
Первая фаза проведения исследования - это оценка общего
состояния разрушившегося объекта.
Эту работу предпочтительнее начинать на месте поломки, т.е.
на месте испытаний изделия, механической или термической
обработки, сварке и других операций, в процессе которых про­
изошло разрушение или обнаружение дефекта. От тщательно­
сти и полноты расследования обстоятельств на месте полом­
ки или обнаружения дефекта в значительной степени зависит
правильность установления причины разрушения. Расследо­
вание включает в себя осмотр детали в сборке, выяснение об­
стоятельств, условий и отклонений от режима работы изделия
или его испытаний, опрос рабочих и мастеров.
При обнаружении дефектов в процессе изготовления при
сварке, механической или термической обработках обязателен
опрос рабочего, выполняющего операцию. При этом необходи­
мо выяснить количество деталей в партии, сколько из них с де­
фектами, узнать личное мнение рабочего о возникшем дефекте.
С целью определения характера обнаруженного дефекта или
причины поломки детали на исследование, по возможности,
необходимо взять как деталь с дефектом, так и без такового
для проведения сравнительного анализа.
В случае разрушения на исследование забираются обе поло­
винки детали из наиболее характерного участка, места пред­
полагаемого очага разрушения. При этом необходимо просле­
дить, чтобы вырезка этих участков была проведена аккуратно,
без нарушения поверхности излома в зоне предполагаемого
очага разрушения и прилегающих участков.
Вторая фаза - это изучение конструкторской документации
и технологических процессов на их изготовление. Необходи­
мо провести анализ состояния разрушенных, поврежденных и
сопрягаемых с исследуемым объектом деталей, четко опреде­
лить по чертежу местонахождение очага разрушения, развитие
линий разрушения, выявить возможное наличие концентрато­
ров напряжений, обусловленных конструкцией в виде угловых
переходов, утонений, отсутствием разгрузочных шеек на бол­
тах, достаточности и правомерности технических требований,
заложенных в чертеже на деталь или сборочную единицу, воз­
41

можных отступлений от нормативной документации или недо­
работок чертежа, особенно в части расположения детали по
отношению к сопрягаемым в сборке или оснастке.
В последнем случае необходимо оценить возможное дей­
ствие при испытании нерегламентированных нагрузок на осно­
вании проведенных прочностных расчетов.
Затем точно так же следует провести анализ технологической
документации на предмет полноты заложенных требований,
отступлений, зафиксированных или не нашедших отражения,
но могущих привести к преждевременному разрушению.
Третья фаза - это фрактография изломов.
Для установления причин разрушения деталей сборочных
единиц весьма важно проанализировать характер излома.
Практика исследований всех аварийных изделий с привлече­
нием максимально возможных оптических средств показывает,
что вид излома дает специалисту значительно больше данных
для анализа причин разрушения, чем остальные исследования.
Поэтому первой заботой исследователя должно быть тща­
тельное сохранение излома разрушенной детали от повреж­
дений. Более того, даже после окончательного исследования
излом разрушенных деталей должен храниться продолжитель­
ный срок, как вещественное доказательство правильности дан­
ного заключения, использования его в качестве доказательной
базы в случае повторения разрушений подобного типа. Все ра­
боты, связанные с анализом разрушенных деталей (травление,
приготовление микрошлифов, взятие стружки на химический
анализ), необходимо проводить на одной из половинок изло­
ма. Сохранение и бережное отношение к излому должно быть
основным правилом исследователя.
В начале анализа необходимо установить, произошло ли разру­
шение при статических нагружениях или от усталости при цикли­
ческих нагрузках. Излом усталости характеризуется, как правило,
наличием четко разграниченных зон прогрессивно распростра­
няющейся трещины. Визуально эти зоны можно идентифициро­
вать, как зону затертости с проявлением концентрических кругов
и зоной окончательного излома при статической нагрузке.
Определение характера излома проводится визуальным ос­
мотром, с помощью лупы, бинокулярного микроскопа стерео­
42

скопического МБС-2 и других оптических средств.
Следует установить, является ли излом однородным по всей про­
тяженности или имеет две (либо более) зоны с различным харак­
тером разрушения. Характерным случаем разрушения при полной
реализации прочности металла является наличие по всей протя­
женности излома под утлом 45°, свидетельствующего о пластиче­
ской деформации в результате действия максимальных касатель­
ных напряжений, так называемое разрушение путем среза [6].
Такой излом, называемый волокнистым или вязким, пластичным,
характеризуется почти полным отсутствием кристаллических фа­
сеток на поверхности. Особенности построения обусловлены де­
формацией зерен, вытянувшихся в волокна. Чаще всего этот вид
излома сопровождается явными признаками деформации вблизи
излома, а по месту начала разрушения - в наиболее ослабленном
сечении - вспучиванием металла с утонением стенки.
Данный вид разрушения свидетельствует о полной реали­
зации прочности металла, а если разрушение произошло при
давлении ниже расчетного, о допущенной ошибке в расчете.
Если излом имеет две (или несколько) зоны с различным ха­
рактером разрушения, то следующим и более важным момен­
том является нахождение очага разрушения или, иначе гово­
ря, места начала разрушения. Этот этап исследования имеет
чрезвычайно большое значение, так как нахождение очага по­
зволяет во многих случаях обнаружить и его причину. Обычно
такой очаг составляет малую зону, с которой начинается и за­
тем распространяется разрушение. Найти его можно при тща­
тельном изучении рельефа излома.
Для высокопрочных сталей с типичным для них признаком ма­
лопластичного разрушения от действия растяжения с изгибом
излом характеризуется наличием на поверхности небольших вы­
ступов, впадин, имеющих вид гиперболической конфигурации и
в совокупности образующих рисунок «елочки» или шеврона, на­
правленный острием в сторону очага разрушения (рис. 17).
Как правило, очаг разрушения находится непосредственно
у поверхности исследуемого объекта, поскольку она является
наиболее вероятным местом концентрации напряжений. Оча­
гом разрушения могут служить различного рода механические
повреждения, полученные в процессе изготовления деталей,
43

Рис. 17. Общий вид шевронного излома в очаге разрушения
сборочных единиц (риски, зарезы, вмятины), радиусные пере­
ходы; коррозионные поражения металла, вскрывшиеся при
механической обработке дефекты металлургического харак­
тера; повреждения металла с образованием различного рода
трещин, надрывов, полученные на различных переделах (свар­
ка, термическая обработка, сборка с приложением нерегламентированных усилий, ударных нагрузок).
Отсюда следует, что не может, в частности, служить причиной
разрушения выявленная при просмотре микрошлифа в мас­
сиве детали загрязненность неметаллическим включениями
или вскрывшиеся дефекты металлургического происхожде­
ния, если они совпадают с очагом разрушения. Обычно у вы­
сокопрочных сталей в зоне очага разрушения излом хрупкий от
действия нормальных напряжений. Он имеет кристаллическое
строение, характеризуется наличием на поверхности блестя­
щих плоских участков (фасеток); возникает в условиях разру­
шения, протекающего с малой пластической деформацией.
Разновидностями хрупких изломов являются:
- камневидный излом, характеризуемый зернистым строе­
нием, матовый, является следствием перегрева первичных
аустенитных зерен и последующей термической обработки; в
зависимости от степени перегрева он может быть крупнокри­
сталлическим или мелкокристаллическим;
- нафталинистый излом характеризуется крупнозернистым стро­
ением при наличии на поверхности гладких блестящих фасеток,
чаще встречается в инструментальных сталях при неправильной
технологии горячей механической или термической обработок;
- шиферный излом, имеющий древовидное, слоистое строе­
ние. Слои идут в виде почти параллельно расположенных друг
44

другу нитей разной длины, оканчиваются поперечными усту­
пами; наблюдается в кованом или прокатанном металле.
В более массивных концевых элементах конструкции, какими
являются шпангоуты, фланцы, испытывающих при нагружении
внутренним давлением сложнонапряженное состояние (рас­
тяжение с изгибом), излом, как правило, носит смешанный ха­
рактер. На поверхности такого излома перемежаются участки
хрупкого и пластичного разрушения, имеющие соответственно
кристаллическое или волокнистое строение. Участки пластично­
го разрушения характеризуются скосами с гладкой, блестящей
шелковистой поверхностью, располагающимися у поверхности
детали и служащими признаком участия в разрушении касатель­
ных напряжений. Участки хрупкого разрушения имеют характер­
ный шевронный излом, направленный острием «елочек» в сто­
рону очага разрушения. В тех случаях, когда разрушение идет
от концентрации напряжений, обусловленных конструктивными
особенностями детали, сборки (например, радиусные перехо­
ды), очагов разрушения может быть несколько.
У высокопрочных сталей нередко в отдельных участках излома
встречается такой вид, как вырыв - это углубления на одной по­
ловине разрушенной детали и соответственно выступ на другой
(встречной) половине. Возникает такой вид излома в процессе раз­
рушения вследствие неоднородности пластических свойств сосед­
них слоев металла, стенки такого излома гладкие, блестящие. Не­
редко такие углубления точечного характера ошибочно принимают
за выкрошившиеся неметаллические включения, отрабатывая лож­
ную версию относительно причин разрушения детали или сборки.
В практике автора был именно такой случай, когда при от­
ветственных испытаниях произошло разрушение корпуса ДУ
Ш ступени 8К98П по шпангоуту заднего днища; и в изломе, в
районе очага разрушения, было выявлено на одной части углу­
бление диаметром менее одного миллиметра. Задний шпанго­
ут изготавливается из высокопрочной стали ЗОХЗГСНМФА-Ш,
прошедшей электрошлаковый переплав. Неметаллические
включения в такой стали не превышают 2-го балла по ГОСТ
1778. Тем не менее, версия о возможном влиянии неметалличе­
ских включений на разрушение изделия конструкторами была
выдвинута как основная, и автору пришлось немало сил потра­
45

тить, чтобы убедить их в неправомерности этой версии путем
демонстрации ответной части детали и даже привлечения в ка­
честве арбитра представителя головной материаловедческой
организации, что в конечном итоге позволило найти истинную
причину разрушения изделия, провести с положительным ре­
зультатом повторные испытания и, в конечном итоге, это стало
определяющим фактором, позволившим выиграть конкурс у
КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе (г. Санкт-Петербург) по модер­
низации III ступени ракеты 8К98П.
Четвертая фаза - это оценка качества исследуемого металла.
В этом случае проводится проверка химического состава
исследуемого объекта спектральным, а при необходимости
аналитическим методами для подтверждения соответствия
исследуемого объекта марке стали, предусмотренной в кон­
структорской документации. При проведении сравнительного
исследования деталей с дефектами и без таковых химическо­
му анализу подвергаются обе детали. Затем с этой же целью
проводится проверка механических характеристик основного
металла, а также сварных швов, если очаг разрушения про­
ходит по сварному шву. Объем исследуемых характеристик
определяется требованиями конструкторской документации.
Характеристики проверяются на стандартных образцах, изго­
товленных в соответствие с требованиями нормативной до­
кументации: ГОСТ 1497 - для испытания разрывных образцов,
ГОСТ 9454 - для ударных. Однако, если по какой-либо при­
чине такие образцы невозможно изготовить, то в этом случае
допускается провести оценку характеристик на нестандарт­
ных образцах методом относительного сравнения с такими
же образцами, изготовленными из бездефектных деталей.
Образцы следует вырезать из участков, не подвергавшихся
пластической деформации. При анализе полученных резуль­
татов необходимо иметь в виду, что тонкостенный листовой
металл при нагружении внутренним давлением подвергается
нагартовке, которая характеризуется увеличением условного
предела текучести по отношению к исходному состоянию ме­
талла, а также более высоким значением прочности.
Для оценки состояния металла после отжига, нормализации,
упрочняющей термической обработки и др. по месту располо­
46

жения очага разрушения и в удалении от него с использованием
различных твердомеров (Бринелль, Роквелл, Виккерс) проводит­
ся замер твердости. Для определения глубины обезуглерожен­
ного слоя, структурных неоднородностей, особенно в зоне рас­
положения сварных швов, используют микротвердомер ПМТ-3.
Немаловажными факторами при проведении исследования
являются замеры геометрических параметров, которые мо­
гут служить основанием для установления причины преждев­
ременного разрушения исследуемого объекта. К ним могут
относиться радиусные переходы, риски, забоины глубинного
характера, выходящие за пределы величины обезуглерожденного слоя, различного рода утонения и другие отступления от
конструкторской документации.
Завершающей фазой в оценке качества металла является про­
ведение металлографического исследования. С этой целью из
участка с очагом разрушения и в удалении от него вырезаются и
готовятся микрошлифы. Вырезка и приготовление микрошлифа
из очага разрушения - особо ответственные операции, требую­
щие аккуратности и тщательности исполнения. Работу предпо­
чтительнее делать в присутствии инженера-исследователя.
В первую очередь при металлографическом исследовании
просматривают нетравленые микрошлифы на наличие неме­
таллических включений, которые оцениваются по 5-балльной
шкале по ГОСТ 1778, микротрещин, дефектов металлургиче­
ского характера типа волосовин, закатов и т.д.; коррозионных
повреждений и межкристаллитной коррозии.
Изучение микрошлифов проводят с помощь микроскопов при
увеличении хЮО, затем переходят при необходимости на более
высокие увеличения. Выявленные при просмотре шлифов анома­
лии следует сфотографировать. Затем часть шлифов подвергает­
ся травлению соответствующим реактивом для выявления макрои микроструктуры. Анализ микроструктуры с оценкой балльности
мартенсита, содержания остаточного аустенита или другие струк­
турные особенности позволяют судить о правильности выполнения
операции термической обработки и увязки с характером излома.
Заключительная фаза - это анализ полученных результатов с
констатацией фактов соответствия или несоответствия их кон­
структорско-технологической, нормативной документации,
47

оценка возможного их влияния на преждевременное разруше­
ние объекта и, самое главное, формулирование обоснованных
выводов относительно причины разрушения с рекомендация­
ми по исключению повторения подобных случаев.

Статистика - важнейшее звено в отработке изделий РТ
С самого начала освоения изделий ракетной техники сбо­
ру статистических данных уделялось исключительно большое
внимание. Каждый рабочий день начинался с обхода произ­
водства и сбора данных.
Статистика основывается на анализе паспортных данных по­
ступившего материала, результатах входного контроля, ре­
жимах упрочняющей термической обработки, данных образ­
цов-свидетелей и заканчивается комплектацией сборочной
единицы, куда эта сборка назначена, какие она прошла испы­
тания и какие при этом получены результаты.
Практически статистика носит сквозной характер с отраже­
нием всех особенностей изготавливаемых изделий.
Периодически проводился анализ статистики на основе гра­
фического построения. Такой анализ позволял своевременно
выявить наметившиеся тенденции изменения характеристик и
принять своевременные меры по корректировке режимов тер­
мической обработки или направить соответствующее уведом­
ление поставщикам с требованием принятия мер по улучше­
нию качества поставляемого металла.
Особенно, как важнейшее звено в отработке ракетной техни­
ки, статистика имела значение при установлении случаев пре­
ждевременного разрушения изделий.
Приведу только один пример. Однажды по окончании смены
Николаю Ивановичу Суятину позвонил Михаил Юрьевич Цируль­
ников и попросил его срочно зайти. Понимая, что этот вызов не
случаен, Николай Иванович взял меня с собой, я же попросил
задержаться начальника бюро термической обработки Бориса
Афанасьевича Пьянкова. От Михаила Юрьевича мы узнали, что
при огневых стендовых испытаниях произошло разрушение дви­
гателя 1 -й ступени по шпангоуту заднего днища. При этом он
высказал версию, как наиболее вероятную, что разрушение свя­
48

зано с качеством металла. Буквально через тридцать минут на
стол главному конструктору была положена справка, в которой
было представлено: из какой плавки был изготовлен этот шпан­
гоут, сколько шпангоутов было изготовлено из этой плавки, в ка­
кие сборки они были поставлены, какой уровень характеристик
имели шпангоуты, какие виды испытаний, включая ОСИ и ЛИ, эти
сборки прошли и какие при этом были получены результаты. По­
скольку все испытания имели положительные результаты, вер­
сия относительно качества металла была отклонена, а созданная
комиссия продолжила поиск причины в другом направлении.

Демократия в действии
Простота и скромность в обращении с людьми, уважитель­
ное к ним отношение, независимо от занимаемого положения,
внимание и забота о подчиненных - эти и другие характерные
для Михаила Юрьевича Цирульникова черты проявлялись на
всем его жизненном пути. Демократия, о которой мы сейчас
так много говорим, да мало что делаем, в поведении Михаила
Юрьевича чувствовалась во всем.
Достаточно только вспомнить, что на работу он предпочти­
тельно ездил вместе со всеми на электричке и у многих из нас
складывалось впечатление, что в этом было какое-то мораль­
ное удовлетворение, когда он замыкающим шел в толпе, кото­
рая, поднимаясь в гору, направлялась на работу в КБмаш. Если
он в силу обстоятельств на работу ехал на служебной машине
и видел на остановке стоявшего сотрудника, то непременно
останавливал машину, спрашивал на работу ли тот едет и, по­
лучив подтверждающий ответ, предлагал его подвести.
Работал он допоздна, но и нам приходилось постоянно за­
держиваться на работе и, конечно, было приятной неожидан­
ностью, когда в девятом часу вдруг раздавался звонок дежур­
ного, который по поручению Михаила Юрьевича обзванивал
городских, кто еще оставался на работе, и передавал, что Ми­
хаил Юрьевич уезжает домой и у него одно или два свободных
места. Если желаете, то можете уехать с ним. В столовую Ми­
хаил Юрьевич ходил в общую, которая тогда находилась в под­
вальном помещении КБ. Он приходил поздно, в числе послед­
49

них, и вместе со всеми стоял в очереди. Если кто-то оказывался
рядом, то Цирульников проявлял к нему живой интерес, забра­
сывал вопросами, спрашивал, какие проблемы мешают работе
и, если это требовали обстоятельства, помогал в их решении.
Так, однажды оказавшись с ним за одним столом, в беседе я
посетовал, что не могу в требуемый срок выполнить исследо­
вание, поскольку цех задерживает изготовление образцов. Не
успел я прийти на рабочее место, как мне позвонил начальник
цеха. Он уточнил: какие образцы нужно изготовить в первую
очередь, и на другой день образцы были готовы.
Но при всем своем демократизме Михаил Юрьевич был весь­
ма требователен и жёсток в сроках при решении краеугольных
вопросов. Все знали это, понимали и делали все, чтобы решить
поставленную задачу в требуемый срок. Знали и то, что благо­
дарность, если задача будет решена, не заставит себя ждать.
Вот только один характерный случай. При летних испытаниях
разрушился двигатель третьей ступени изделия 8К98 (в шутку
его называли «Верочка»). Разрушившиеся части двигателя раз­
бросало в радиусе 40 км. На поиски отправили воинскую часть,
которая, «прочесав» район, нашла разбросанные остатки двига­
теля, и они были доставлены в КБ. Среди них оказался темплет
с очагом разрушения с характерным шевронным изломом, ко­
торый хорошо просматривался, несмотря на копоть от горения.
Темплет был доставлен в кабинет Михаила Юрьевича по окон­
чанию смены. В 17 ч 30 мин Михаил Юрьевич пригласил к себе
главного металлурга, который с собой захватил и меня. Михаил
Юрьевич поставил задачу: к утру выдать заключение о причи­
нах разрушения. В другой ситуации это было бы просто не вы­
полнимо, но, осмотрев излом, я увидел четко выраженный очаг
разрушения в зоне расположения кольцевого сварного шва,
который напоминал аналогичные случаи, имеющие место у нас
на предприятии при целой серии разрушений корпусов в про­
цессе проведения КТИ. Все они являлись следствием образо­
вания горячих трещин при сварке обечаек из-за неправильно
выбранных режимов. Но для заключения требовалось прове­
дение более детального фрактографического анализа. Необ­
ходим был микроскоп, которым отдел, только что созданный,
еще не обладал. Об этом было сказано Михаилу Юрьевичу. По­
50

следовал вопрос, где его можно достать, и, когда ему мы отве­
тили, что на заводе им. В.И.Ленина, нам незамедлительно дали
машину, на которой мы съездили на завод, вывезли микро­
скоп и провели с его помощью необходимое изучение излома.
Фрактографический анализ подтвердил начальную версию от­
носительно горячей трещины при сварке и написанное от руки
в два часа ночи заключение легло на стол главного конструкто­
ра, а нас по его указанию развезли по домам. За проявленную
оперативность мы получили достойное денежное поощрение.
Благодаря своему большому жизненному опыту Михаил
Юрьевич неплохо разбирался в людях, и это помогало ему пра­
вильно их использовать в решении конкретных задач.
Был такой случай, связанный со строительством большого
шахтного агрегата. По ходу строительства вдруг выяснилось, что
снабженцы не могут достать предусмотренный проектной доку­
ментацией высококачественный кирпич по причине прекраще­
ния его производства. Поездка в Москву в проектный институт
для решения вопроса по замене не имела успеха. Тогда Михаил
Юрьевич, зная исключительные способности начальника цеха
А.П.Глумова достать все, что надо, хоть из-под земли, поставил
перед ним задачу: «Возьми, что тебе нужно, две недели сроку
и либо ты привозишь кирпич, либо ты не будешь начальником
цеха». Выбор был правильным. Взяв канистру спирта, деньги,
Александр Петрович выехал в командировку и уже через две
недели, непонятно где, в каком-то тупике он нашел два вагона
этого кирпича и пригнал их в г. Пермь. За это получил благодар­
ность от «главного», а БША был построен в требуемый срок.
Отработка ракетных двигателей из высокопрочных сталей
в силу незнания их особенностей, отсутствия необходимого
опыта, сопровождалась многочисленными случаями преждев­
ременного их разрушения при различных видах испытаний.
Каждое «ЧП», связанное с преждевременным разрушением
изделия, было объектом особого внимания Михаила Юрье­
вича. Как правило, он первый узнавал о случившемся и неза­
медлительно, невзирая на какие бы ни было обстоятельства,
приезжал на место, забирая по пути нужных специалистов. По
горячим следам проводился осмотр разрушенного объекта,
после чего в кабинете начальника цеха проводилось органи­
51

зационное совещание, на котором присутствовали все заин­
тересованные лица - от рядового исполнителя до ближайших
помощников Михаила Юрьевича. На совещании каждому пре­
доставлялось право выступить, высказать свое мнение, свою
версию. Затем намечались мероприятия, при этом сроки ис­
полнения устанавливались жесткие. Если их выполнение тре­
бовало организации работы в две смены с задействованием
выходных дней, следовал вопрос «главного»: «Скажите, сколь­
ко для этого надо денег?». Называлась и устанавливалась сум­
ма и все знали, что она будет выплачена. Конечно, это был до­
полнительный стимул к и без того интересной работе, который
заставлял работать не покладая рук.

Хороший снабженец - гарантия успеха
Феномен России заключается в том, что решение многих во­
просов построено на энтузиазме людей, их умении, стремле­
нии довести дело до логического завершения. И не будь у нас
таких энтузиастов, наверное, мы плелись бы в хвосте истории,
и уж точно не было бы у нас столь мощного рывка в развитии
ракетной техники, способствующей становлению нашей стра­
ны как «Великой державы». И в этом деле роль снабженца, без­
условно, далеко не последняя.
Вот один из примеров. Впервые в отечественной практике мы
получили право на изготовление Верхне-Салдинским металло­
обрабатывающим заводом (ВСМОЗ) холоднокатанного листа
из высокопрочного титанового сплава ВТ-23.
Этот сплав был принципиально новой разработкой Всесоюз­
ного института авиационных материалов. Он имел высокую ка­
тегорию прочности, которая устраивала конструкторов.
Для организации получения листа в условиях ВСМОЗ автора
отправили в командировку вместе с руководителем группы от­
дела материально-технического снабжения неким Г.Н. Деменевым. Надо было видеть как целенаправленно, продуманно,
проявляя достаточное понимание технологического процесса
изготовления листа, решал он поставленную задачу. Естествен­
но, свое посещение мы начали с кабинета главного инженера
ВСМОЗ Д.А. Цыценко, которому на стол положили письмо-об­
52

ращение нашего КБ с соответствующей резолюцией начальника
8-го Главного управления Министерства авиационной промыш­
ленности (МАП) Ф.И.Квасова. Это давало нам шанс на положи­
тельное решение вопроса по незамедлительному запуску в про­
кат отлитых, хотя и не для нас слитков. Начало было положено,
но надо было проверить - дошла ли команда до производства.
Мы отправились вначале в производственный отдел, а затем к
начальнику цеха, где получили заверения, что заказ принят к ис­
полнению и не далее как завтра начнется прокатка слябов.
Казалось, дело сделано, но это не устроило нашего снабжен­
ца, и он предложил проверить, доведено ли это поручение до
планово-распределительного бюро (ПРБ) и спущен ли заказ не­
посредственно на участок. Убедившись, что все необходимые
команды прошли, утром мы пришли в цех, где стали невольными
участниками этого потрясающего процесса - прокатки слябов.
Следующая операция - получение горячекатаного листа - долж­
на была проводиться в цехе горячей прокатки. Неуемный снабже­
нец тут же предложил зайти в ПРБ, чтобы проверить, заказана ли
машина для переброски слябов. Убедившись, что слябы отгрузи­
ли, и они поступили в цех горячей прокатки (а это была пятница),
он направился в кабинет главного инженера с просьбой об орга­
низации работы по нанесению плакировки в выходные дни.
После выхода приказа, предписывающего выход на работу в
субботу и воскресенье сварщику и слесарю, Г.Н. Деменев пред­
ложил зайти в отдел режима, чтобы договориться об оформле­
нии нам пропусков на эти дни. Мне это показалось излишним,
и напрасно - снабженец оказался весьма дальновидным. Когда
угром мы пришли в цех, то выяснилось, что слесарь по какойто причине не вышел на работу. Чтобы не сорвать приварку
плакированных обкладок пришлось нам самим заняться их на­
стройкой и креплением струбцинами.
Сроки нашей командировки давно уже кончились, но каж­
дый раз, докладывая главному инженеру о ходе выполненных
работ, мы получали команду - оставаться на месте, чтобы до­
вести дело до конца. Мы продолжали так же последовательно
отслеживать проведение технологических операций вплоть до
холодной прокатки, и это позволило нашему предприятию в
короткий срок, в течение декабря месяца, получить необходи­
53

мый лист и приступить к освоению нового изделия. Оставался
практически последний этап в получении листа - это дресси­
ровка, когда мы от главного инженера получили добро на выезд
домой. Но поскольку было уже 30 декабря, то у нас возникли
серьезные проблемы - с билетами на поезда было настолько
«глухо», что даже директор ВСМОЗ ничем нам не смог помочь.
И только наш снабженец, не растерявшись, нашел нетрадици­
онный вариант, добираться на перекладных электричках. С ше­
сти утра, находясь в течение 16 часов в дороге, мы к радости
наших домочадцев, за 2 часа до Нового года оказались дома,
уставшие, но с полным сознанием выполненного долга.
Я не раз рассказывал эту историю и не все ее воспринима­
ли адекватно. Иногда слышались реплики: «Разве же это нор­
мально!», «Разве так должно быть!».
Да, конечно, не нормально, и с этим можно согласиться, но без
такого подхода мы вряд ли бы достигли успехов в нашем деле.

Отличительные особенности высокопрочных сталей
Отличительной особенностью высокопрочных сталей являет­
ся высокая чувствительность к различного рода концентрато­
рам напряжений. Влияние концентраторов напряжения - это
те самые «грабли», на которые наступали не раз конструкторы
и технологи всей отрасли в процессе отработки РДТТ.
Схоластическая погоня за прочностью, базирующаяся на
прочностных расчетах, не раз приводила к негативным послед­
ствиям. Ввиду отсутствия опыта в работе с высокопрочными
сталями многие факторы, влияющие на работоспособность
материала в конструкции, приходилось познавать на практике.
В частности, не учитывалось столь известное на сегодняшний
день обстоятельство, что в конструкционных высокопрочных
сталях пластичность является весьма важным свойством.
Показателями, характеризующими пластичность металла в
условиях одноосного напряженного состояния, являются от­
носительное удлинение и относительное сужение. Однако при
высоких значениях прочности, неизменно сопровождаемых
снижением значений удлинения, этих показателей пластично­
сти материала может оказаться недостаточно для оценки пла­
54

стического течения в местах концентрации напряжений. В этом
случае для оценки истинной пластичности высокопрочных ста­
лей более эффективным является испытание на изгиб, обеспе­
чивающее плосконапряженное состояние в области, в которой
происходит разрушение [5].
К сожалению, эти столь важные показатели по оценке поведения
стали в условиях сложнонапряженного состояния никак не учиты­
вались при проведении прочностных расчетов. Более того, же­
лание конструкторов получить максимально высокий показатель
удельной прочности привело к очередному поиску, в результате
которого специалистами НИИ-13 была создана супервысоко­
прочная сталь СП-43М с пределом прочности более 200 кгс/мм2.
Конструкционную прочность стали решили проверить на мо­
дельных емкостях диаметром 300 мм. Из листового металла
были изготовлены обечайки, приварены шпангоуты. Экспери­
ментальные корпуса подвергнуты гидроиспытаниям внутрен­
ним давлением. Результат оказался непредсказуемым. Все
корпуса разрушились, как стекло, на мелкие кусочки при дав­
лении существенно ниже расчетного. Разрушившиеся части
корпусов имели хрупкий характер излома без видимых сле­
дов пластической деформации.
Полученные результаты показали, что прочностные расчеты,
базирующиеся только на пределе прочности при растяжении,
не корректны применительно к конструкциям, работающим в
условиях сложнонапряженного состояния. В такой конструк­
ции, наряду с прочностными характеристиками, важна реали­
зация характеристик пластичности и вязкости. Допуск же по
верхнему пределу прочности следует ограничивать, хотя и в
разумных пределах. Эта величина, установленная опытом от­
работки КБ, составила ав=185 кгс/мм2.
На основании проведенных исследовательских работ при­
шлось всю конструкторскую документацию на корпуса и днища
откорректировать в части введения ограничения по верхнему
пределу прочности и дополнительному введению характери­
стик пластичности и вязкости.
Известная истина о концентрации напряжений, вызываемая
надрезами и переходными сечениями, особенно характерна для
высокопрочных сталей. В реальных условиях нагружения в этих
55

участках конструкции наблюдается падение прочности, которое
может приводить к случаям преждевременного разрушения.
Наличие надрезов в виде рисок, забоин существенно меняет
напряженное состояние металла в данных участках. При этом
в процессе нагружения под действием растяжения, помимо
концентрации осевых напряжений, появляются окружные и
радиальные напряжения. В результате возникает трехосное
напряженное состояние, увеличивающее сопротивление пла­
стической деформации, максимум осевых напряжений под
действием пластической деформации перемещается вглубь
надреза, тем самым усугубляя фактор возможного разруше­
ния изделия по данному концентратору напряжений. Опреде­
ляющим фактором, приводящим к уменьшению пластичности
высокопрочных сталей, является профиль такого дефекта: чем
«жестче» надрез, то есть чем меньше угол раскрытия, меньше
радиус закругления и больше глубина, тем сильнее уменьшает­
ся пластичность в участке расположения дефекта.
Для оценки допустимой в конструкции величины различного
рода дефектов в виде надрезов была проведена специальная ра­
бота по оценке чувствительности сталей СП-28, СП-33 ктрещинообразованию путем измерения величины работы, затрачиваемой
при статических испытаниях на изгиб образцов до разрушения.
Для этой цели были изготовлены образцы в виде эллипса с
соотношением осей 1:2 с плавной закругленной заделкой, за­
жимаемой в специальную оснастку. Такие образцы в опреде­
ленной степени имитировали сложнонапряженное состояние,
возникающее в корпусах ракетных двигателей при нагружении
внутренним давлением. Далее в зоне приложения нагрузки эл­
липсовидным пуансоном наносили различные по глубине зале­
гания и углу раскрытия риски. Полученные результаты подтвер­
дили тот факт, что высокопрочные стали при наличии мелких
поверхностных дефектов в виде рисок, забоин резко теряют
прочность и особенно пластичность, однако это происходит в
тех случаях, когда их глубина превышает величину обезуглеро­
женного слоя (рис. 18). В пределах же величины обезуглерожен­
ного слоя металл слабо реагирует на подобного рода дефекты.
Исходя из этой концепции конструкторская документации была
откорректирована в части допустимости дефектов в виде рисок,
56

Рис 18. Наличие риски в зоне очага разрушения
забоин на глубину не более 0,2 мм (минимальная глубина обезу­
глероженного слоя после упрочняющей термической обработки),
а также обязательной зачистки всех остальных критичных дефек­
тов, глубина которых превышала установленные в КД требования.
Не менее важным фактором, приводящим к неприятным по­
следствиям, является влияние концентрации напряжений в
переходных сечениях. В условиях сложнонапряженного состо­
яния под действием изгибающих нагрузок в таких участках при
реальных условиях нагружения может происходить падение
прочности и, как следствие, преждевременное разрушение
изделия. Именно такие случаи, описанные выше, имелись в
разработках КБ, что привело к необходимости доработки всей
конструкторской документации в части введения радиусных
переходов как элементов, снижающих концентрацию напря­
жений, предъявления повышенных требований к чистоте обра­
ботки металла в напряженных участках конструкции.
Сопротивление высокопрочной стали хрупкому разрушению за­
висит не только от концентраторов напряжений в виде надрезов,
переходных сечений, но и, в условиях масштабного фактора, от
равномерности распределения нагрузки в общем объеме изделия.
Именно так была спроектирована конструкция корпуса ДУ
первой и третьей ступеней изделия 8К98П, в которой соедине­
ние корпуса с днищем осуществлялось через клиновой замок
(рис. 19). Клинья, сопрягаемая поверхность которых полно­
стью соответствовала в части радиусных переходов, заводи­
ли на всю длину через окна с помощью специальной машинки,
тем самым обеспечивая создание равномерно распределен­
ной нагрузки по всему периметру изделия.
Это требование было обязательным для всех видов испыта57

Рис. 19. Общий вид клинового соединения в поперечном сечении

ний, в том числе и при проведении операции полимеризации
ТЗП, проводимой при давлении 10 атм. Но вот стоило только
работникам завода в рамках оформленного рационализатор­
ского предложения перейти на неполную забивку клиньев, как
результат не замедлил сказаться. Произошедшее перераспре­
деление напряжений при давлении 10 атм привело к образо­
ванию надрыва металла по наиболее напряженному участку
шпангоута - радиусному переходу в уплотнительной канавке. В
результате три днища ушли в брак по этой причине, а весь за­
дел пришлось пересматривать, чтобы исключить попадание в
поставочные изделия некондиционных корпусов.
Следует отметить, что влияние таких концентраторов не может
быть компенсировано за счет увеличения толщины стенки конструк­
ции, а при недостаточной толщине, особенно когда встречаются два
встречных концентратора напряжений, как это было в практике КБ,
это может носить катастрофический характер, сопровождаемый
разрушением при давлениях существенно ниже расчетного.
Сюрпризы, которые преподносила высокопрочная сталь, сле­
довали один за другим. Так, совершенно неожиданно прояви­
лось влияние мела, который широко применялся для разметки
и маркировки корпусов и днищ при рентгеноконтроле сварных
швов. Под воздействием высокой температуры закалки мел
вступал во взаимодействие с основным металлом, что приво­
дило к изъязвлению поверхности и, когда глубина изъязвления
достигала критической величины, корпус при испытании вну­
тренним давлением разрушался при давлении существенно
ниже расчетного (рис. 20-21).
Выявленный фактор влияния мела трудно воспринимался
на производстве, то и дело всплывали случаи использования
мела, несмотря на запрет. Пришлось провести личную воспи58

Рис. 20. Микроструктура в поперечном сечении
Рис. 21. Фрагмент
листа с наличием изъязвления от мела
сборки с разрушени­
ем по меловому знаку
тательную работу с мастерами цеха и рабочими относительно
пагубного влияния мела при производстве изделий из высоко­
прочных сталей, а в термическом цехе даже был повешен пла­
кат «ПРИМЕНЕНИЕ МЕЛА КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ!».
Еще одним неожиданным фактором было влияние металлической
дроби. Дело в том, что в 1966 г. вышел приказ министра здравоох­
ранения СССР, категорически запрещающий применение во всех
видах производств сухого кварцевого песка для очистки металла от
окалины и подготовки поверхности для нанесения различного рода
покрытий. Несколько позже вышел запрет на применение гидропескоструйной очистки. Запрет был обоснован как средство реши­
тельной борьбы с опасным профзаболеванием - силикозом.
Принятое решение о переходе на очистку металла дробью сталь­
ной колотой не прошло без последствий. Частички этой дроби в
процессе изготовления днищ штамповкой взрывом внедрялись в
поверхность металла. И там, где это внедрение достигало критиче­
ской величины (носило глубинный характер и выходило за пределы
обезуглероженного слоя), они действовали как концентраторы на­
пряжений, которые приводили к преждевременному разрушению
днищ при испытании внутренним давлением (рис. 22,23).
Срочно пришлось отказаться от металлической дроби и пе­
рейти на корундовый песок, который успешно применяется и в
настоящее время.
Еще один фактор - это коррозия под напряжением, суть ко­
торой заключается в том, что коррозионно-активная среда,
какой является вода реки Камы, содержит ионы хлора, кото59

Рис. 23. Поверхность днища
Рис. 22. Очаг разрушения
с внедренной дробью
по месту внедренной дроби
рые, проникая в самые узкие места возникших трещин, под
воздействием растягивающих напряжений создают давление
на стенки корпуса, вызывая так называемый «расклинивающий
эффект» - эффект Ребиндера (рис. 24) [9].

Рис. 24. Излом разрушенной сборки, покрытый налетом коррозии
В результате в процессе испытания корпусов ДУ внутренним
давлением под воздействием растягивающих напряжений и
коррозионно-активной среды создается так называемая зона
предразрушения. Она представляет собой систему сильно
развитых тончайших микротрещин в местах, ослабленных по­
верхностными дефектами в виде рисок, забоин, покрытых кор­
розионно-активными веществами. Прочность такой зоны пред­
разрушения всегда намного ниже прочности основного металла
и это может приводить к преждевременным разрушениям, что и
имело место в практике работы КБ. Во избежание негативного
действия коррозионно-активной среды в используемую для ис­
пытания воду в качестве ингибитора стали вводить хромпик, а
на внутреннюю поверхность корпуса, для исключения прямого
контакта с водой наносить покрытие (эмаль НЦ-25).
60

Кроме этого, проведенными экспериментальными работами
было выявлено положительное влияние на склонность стали
к коррозионному растрескиванию пескоструйной очистки ко­
рундом, что и нашло отражение в техпроцессах.
Для крепежных деталей средством защиты поверхности от
коррозии является нанесение гальванических покрытий. Од­
нако необходимо иметь в виду, что в процессе нанесения галь­
ванических покрытий высокопрочные стали могут насыщаться
водородом, который приводит к существенному охрупчиванию
металла. При нанесении гальванических покрытий, в частности
цинкования, как это имело место на предприятии, на поверх­
ности деталей идет процесс разрядки ионов водорода, часть
которых диффундирует в сталь. Атомарный водород, диффун­
дируя в сталь, может вызывать ее растрескивание даже при ни­
чтожно малом поверхностном насыщении водородом [7]. В тех
случаях, когда металл находится в напряженном состоянии, это
приводит к потере его прочности и разрушению детали. Осо­
бенно подвержены такому виду разрушения затянутые болты.
На практике в КБ были случаи, когда по требованию специали­
стов, проводивших прочностной расчет, из стали ЗОХЗГСНМФА
были изготовлены для соединения днища с корпусом оцинко­
ванные болты с прочностью ов >160 кгс/мм2. Как и следова­
ло ожидать, под действием статической нагрузки в процессе
гидроиспытаний произошло хрупкое разрушение болтов при
низком давлении. Этот случай можно рассматривать с двух
сторон. С одной стороны, как следствие охрупчивание стали
с высокой прочностью в процессе нанесения гальванических
покрытий. В этом плане перераспределение водорода и, как
следствие снижение чувствительности стали к коррозии под
напряжением, можно добиться путем последующего низкотем­
пературного отпуска при температуре 300°С. Однако этот эф­
фект может быть достигнут при ограничении верхнего предела
прочности стали не более 140 кгс/мм2. Лучшим же способом
борьбы с водородной хрупкостью является нанесение галь­
ванических покрытий, при которых водород не поглощается
сталью, с другой стороны, этот случай может быть рассмотрен
как замедленное разрушение стали. С этой точки зрения, как
средство борьбы с замедленным разрушением, институтом
61

НИИ-13 было разработано методическое руководство по про­
ведению гидроиспытаний металлических корпусов ракетных
двигателей, которое предусматривало после нагружения кор­
пуса рабочим давлением до 47 атм (применительно к корпусу
ДУ III ступени) и выдержки в течение 1,5 минут, снижение дав­
ления до 30 атм и выдержку в течение 3 часов. Имелось в виду,
что если в стали есть какие-либо дефекты, то они в течение 3
часов выдержки разовьются до недопустимой величины, и кор­
пус будет отбракован. Такая методология
оценки конструктивной прочности изго­
товленных корпусов ракетных двигателей
имела особое значение в качестве сред­
ства борьбы с образованием холодных
трещин в сварных швах. Такие трещины
являются характерными для легирован­
ных сталей, тем более высокопрочных.
Они располагаются по границе сварного
шва. Иногда они сразу появляются после
сварки при охлаждении, но в большин­
Рис. 25. Общий вид
трещины в попереч­
стве случаев возникают спустя некоторое
ном сечении микро­
время после окончания сварки и полного
шлифа
охлаждения деталей (рис. 25).
Иногда совершенно необоснованно считают, что такие трещи­
ны появились при последующей закалке, забывая, что они могут
образовываться по истечении некоторого времени после сварки
и даже рентгеноконтроля. К тому же рентген не всегда их улав­
ливает в силу их незначительности и характера расположения.
Образование таких трещин является типичным примером замед­
ленного разрушения, и предложенная НИИ-13 методика гидрои­
спытаний явилась надежным средством борьбы с их проявлением.
Одним из опасных пороков стали, в том числе и высокопроч­
ных, являются флокены, которые при различного вида испыта­
ниях приводят, как правило, к хрупкому разрушению. В изломе
флокены представляют собой пятна округлой формы сере­
бристого цвета. При макротравлении или магнитном контроле
темплетов флокены выявляются в виде тончайших трещин не­
правильной формы (рис. 26). Этот дефект чаще всего можно
встретить в крупногабаритных заготовках, получаемых ковкой.

62

Рис. 26. Флокены
В основе образования флокенов лежит повышенное содер­
жание водорода, поступающего в сталь при выплавке, который
в наиболее массивных заготовках больших сечений не успева­
ет продиффундировать к поверхности и удалиться из стали при
охлаждении, особенно если этот процесс протекал быстро.
Обязательным условием исключения образования флокенов
является строгое выполнение рекомендации по соблюдению
температурных режимов ковки заготовок и, в первую очередь,
охлаждения, а также режимов отжига. Для высокопрочных ста­
лей температурный режим ковки заключается в следующем:
-температура нагрева слитков под ковку 1200-1250°С;
-температура начала ковки 1200-1180°С;
-температура конца ковки > 850°С;
-охлаждение в золе или специальных колодках.
В назначении такого отжига учтено главное требование о недо­
пустимости переохлаждения стали до температур, лежащих ниже
200-250°С, как гаранта, исключающего появление флокенов.
В нашем случае, как показали результаты исследования образ­
цов, образование флокенов на поставленных в КБ крупногабарит ­
ных поковках было связано с нарушением режима отжига, и завод
им. В.И. Ленина срочно изготовил для КБ новую партию поковок.
В довольно большом объеме отработки двигательных уста­
новок из высокопрочных сталей «СП» встречались и курьезные
случаи, приводившие к неприятным последствиям.
Так, при испытании в защиту партии корпус ДУ III ступени из­
делия 8К98П преждевременно разрушился. Фрактографиче­
ским анализом было установлено, что разрушение прошло по
металлургическому дефекту в виде заката (рис. 27).
Такого в практике работы с высокопрочными сталями еще не

63

Рис. 27. Вид заката в поперечном сечении листа
было, и пока оформляли рекламацию, вызывали представи­
телей завода «Запорожсталь» - поставщиков листовой стали
- два корпуса согласно требованиям конструкторской докумен­
тации вновь назначили на испытания в защиту партии. Все были
уверены, что дефект носит случайный характер и проведенные
повторные испытания позволят провести успешно защиту партии.
Неожиданно при испытании второго корпуса вновь произо­
шло преждевременное разрушение. Оно возникло вдоль обра­
зующей корпуса от действия касательных напряжений.
Пластичный характер излома свидетельствовал о полной
реализации прочности металла. Однако при более тщатель­
ном осмотре излома в участке вспучивания было обнаружено
утонение до 0,3 мм. Проведенный замер толщины обечайки в
зоне разрушения по обе стороны излома показал, что утонение
носит яйцевидный характер. При этом по периметру обечайки
под углом 120° просматривались еще два таких же утонения.
Стало ясно, что эти утонения являются следствием наруше­
ния технологии при пескоструйной обработке корпуса после
упрочняющей термической обработки: три сопла пескоструй­
ного аппарата обрабатывали корпус, находящийся в стацио­
нарном состоянии, и, по сути дела, «пропесочили» металл.
Другой случай был связан с «подпольной» подваркой. Не­
ожиданно позвонили из термического цеха и пригласили по­
смотреть опескоструенную поверхность изделия, изготовлен­
ного из стали СП-28. По заявлению пескоструйщицы в зоне
проушины якобы металл «дырявый». Это было небольшое из­
делие - двигатель мягкой посадки, который изготавливался в
рамках частного положения, оговаривающего персональную

64

ответственность лиц за проведенные операции по его изго­
товлению. Было не понятно, о чем идет речь, ведь сталь СП-28
была электрошлакового переплава и качество ее не вызывало
никаких сомнений. Тем не менее, на одной из проушин изделия
просматривалась сетка пор. Специалисты лаборатории метал­
ловедения предложили протравить данный участок кислотой,
после чего и вскрылась «подпольная» подварка. Немедленно
создали комиссию по выявлению причины подварки и установ­
ления виновных. На комиссию вызвали начальников цехов и
БТК, где изготавливалось изделие. Учитывая серьезность воз­
никшего инцидента, к специалистам лаборатории металлове­
дения на комиссии, как к экспертам, обратились с вопросом:
«Смогут ли они определить, в каком цехе сделана подварка?!».
Сделать это было можно только в том случае, если сборка бу­
дет забракована, дефектная проушина отрезана и в попереч­
ном сечении приготовлен микрошлиф. После травления можно
определить однозначно - сделано это в механическом или тер­
мическом цехе. Что и было исполнено, после чего по результа­
там структурного анализа установлено, что подварка сделана
после упрочняющей термической обработки. Как потом выяс­
нилось по ходу разбирательства: при выгрузке сборки из печи
она сорвалась с оснастки и упала на под печи проушиной. Про­
ушина деформировалась. Мастер цеха, испугавшись ответ­
ственности, отрихтовал проушину, подварил ручной сваркой и
зачистил. Это был из ряда вон выходящий случай, и с мастером
пришлось расстаться.

Мартенситно-стареющие стали
Созданная впервые в отечественной практике с использова­
нием высокопрочных сталей мартенситного класса и поставлен­
ная на вооружение первая межконтинентальная баллистическая
твердотопливная ракета 8К98 по своим характеристикам уступа­
ла аналогичной жидкостной и к тому же проигрывала по старто­
вой массе американским «Минитменам». В связи с этим в 1968
году было принято решение о ее модернизации, которая пред­
усматривала создание на конкурсных условиях облегченного ва­
рианта двигателя III ступени. Разработкой занималось ЦКБ-7 под
65

руководством главного конструктора П.А.Тюрина. Это был вари­
ант со спиральным сварным швом. Основной вариант нашего КБ,
заявленный на конкурс: комбинированный металлостеклопласти ­
ковый корпус из высокопрочной стали СП-33, обмотанный сна­
ружи стеклонитью ВМПС, пропитанной эпоксидным связующим
ЭДТ-10П. Обечайки изготавливались раскаткой на специальном
стане в организации «Тулгоснииточмаш», после чего на предпри­
ятии проводился со стороны наружной поверхности съем метал­
ла за несколько проходов с помощью специально изготовленной
шлифовальной головки для достижения требований КД по массе.
В качестве запасного был предусмотрен вариант изготовле­
ния двигателя из листовой мартенситно-стареющей стали с
толщиной листа 1,5 мм.
Дело в том, что к моменту модернизации ракеты 8К98 у головно­
го института в системе министерства черной металлургии (ЦНИИЧермет) в разработке была новая сталь с высокой прочностью с
ов> 200 кгс/мм2 мартенситно-стареющего класса (МС-200).
В поисковых работах по созданию стали участвовал Перм­
ский научно-исследовательский технологический институт
(ПНИТИ). В связи с этим совместными усилиями институтов и
КБ была выдвинута тематическая карточка НИР, предусматри­
вающая обширный комплекс работ, начиная от выплавки стали,
до проверки ее работоспособности на модельных и натурных
изделиях. Это был альтернативный вариант металлостекло­
пластиковой конструкции корпуса.
Как было сказано выше, для высокопрочных сталей мартен­
ситного класса типа «СП» реализуемая конструктивная проч­
ность составляет 170-185 кгс/мм2. Значительное повышение
конструктивной прочности (до 200 кгс/мм2) и, следовательно,
снижение веса конструкции возможно было только за счет по­
вышения пластичности стали.
Безусловно, разрабатываемая безуглеродистая высокопроч­
ная сталь со стареющим мартенситом, которая позволяла по­
лучать при прочности ов>200 кгс/мм2 относительно высокие
показатели пластичности (8 > 10%, у > 50%), могла найти ши­
рокое применение в ракетной технике.
Высокая пластичность этих сталей в упрочненном состоянии
обусловлена присутствием никеля, а также специфическим ха­
66

рактером упрочнения за счет образования в процессе старе­
ния дисперсных частиц вторичной фазы. В сталях этого класса
при закалке получается пересыщенный твердый раствор заме­
щения, в то время как при отпуске в мелкоигольчатом мартен­
сите происходит выделение большого количества интерметал­
лических фаз, способствующих повышению прочности [4].
Для мартенситно-стареющих безуглеродистых сталей харак­
терна малая чувствительность к распространению трещины, что
делает возможным реализацию высокой прочности этих сталей
в жестких условиях нагружения даже при наличии дефектов в
виде рисок, забоин, недопустимых для сталей типа «СП».
Подобная сталь характеризуется высокой технологичностью.
Исходный мартенсит достаточно пластичен и мало упрочня­
ется деформацией. Окончательная упрочняющая термическая
обработка включает лишь низкотемпературную операцию старение на 450-500°С.
Именно это, характерное для мартенситно-стареющих ста­
лей свойство упрочняться в результате низкотемпературной
термической обработки делает ее привлекательной с точки
зрения использования для массивных деталей изделий слож­
ной конфигурации, которые сильно коробятся при закалке.
Немаловажным фактором в достижении у мартенситно-стареющей стали хорошей пластичности в плосконапряженном состоянии,
достаточной ударной вязкости и хорошей свариваемости является
ограничение содержания таких примесей, как сера и фосфор.
В табл. 6 представлен химический состав стали
00Н18К9М5Т(МС-200).
Таблица 6
Химический состав стали
Химический состав стали,%

С

М

Мо

Т!

А1

Со

0,015
0,020

17,5
18,5

5,0
5,2

0,8
1,0

0,01
0,03

8,8
9,2

Р

8
0,004*
0,008*

Примечание: в числителе и знаменателе приведены предельные значения,
* - суммарное содержание серы и фосфора.

Из табл. 6 видно, что содержание примесей в стали МС-200
сведено практически до минимума и достичь этого удалось вы­
67

плавкой стали в вакуумно-индукционной печи. В нашем случае
такая плавка осуществлялась на Златоустовском металлурги­
ческом заводе (ЗМЗ), а прокатка листа на Ашинском металлур­
гическом заводе (АМЗ). Лист поставлялся в нагартованном и
термообработанном состоянии по режиму:
- нагрев при температуре 850°С;
- выдержка 30 минут;
- охлаждение на воздухе.
Было замечено, что с повышением температуры до 950°С и выше
в стали обнаруживается склонность к значительному росту зерна.
Уникальными экспериментальными исследованиями, заклю­
чавшимися в испытании образцов с надрезом (Gi - параметр,
характеризующий сопротивление материала росту трещины),
был достигнут оптимум, позволяющий получать наиболее бла­
гоприятное сочетание характеристик при старении на темпе­
ратуру 480°С в течение 6 часов. Конструктивную прочность
стали оценивали на экспериментальных емкостях 0 200 и 280
мм, а также на натурных корпусах 0 1004,5 мм.
Обечайки получали раскаткой в закаленном состоянии. Де­
формационное упрочнение перед старением обеспечивало
дополнительный прирост прочности. Так, в частности, при де­
формации на 30% прирост прочности наблюдался более чем
на 10 кгс/мм2, достигнутый уровень характеристик составлял:
ов> 215 кгс/мм2 при 8 = 4,5%, у = 36,0%, ан= 4,5 кгм/см2
Гидроиспытания внутренним давлением модельных емко­
стей 0 200, 280 мм показали высокую конструктивную проч­
ность от 200 до 220 кгс/мм2 при коэффициенте использо­
вания металла Ки= 1,01-1,08. Разрушение во всех случаях
прошло по сварным швам, прочность основного металла
осталась практически не реализованной. Отсутствие у АМЗ
возможности в изготовлении длинномерных листов привело
в конечном итоге к тому, что обечайки для натурных изделий
0 1004,5 мм пришлось делать с двумя продольными швами.
Безусловно, при прочности сварного шва 0,9 от основного
металла склонность к хрупкому разрушению для металла
шва и зоны термического влияния была заметно выше, чем
для основного. Разрушение натурных корпусов во всех слу­
чаях прошло по сварным швам, не позволив оценить реаль­
68

ную конструктивную прочность основного металла. Именно
этот фактор наряду с дефицитом по основному легирующе­
му элементу (кобальту) послужил определяющим в выбо­
ре варианта изготовления III ступени изделия 8К98П, когда
в конечном итоге был принят комбинированный вариант.
Кстати сказать, по зарубежным данным корпуса 0 1016 мм
из мартенситно-стареющей стали толщиной 1,5 мм из цельнокатанных обечаек разрушались при реализации прочно­
сти в металле 235-250 кгс/мм2, обеспечивая относительно
отечественного варианта использования стали типа «СП»
прирост прочности в двухосном напряженном состоянии на
15-17%. У нас же в Советском Союзе такая технология на тот
момент не просматривалась ввиду отсутствия необходимо­
го состава оборудования.
Итак, большая проделанная научно-исследовательская рабо­
та по внедрению стали МС-200 не получила внедрения.
Модернизированное изделие 8К98П с комбинированным метал­
лопластиковым корпусом после серии удачных испытаний было
принято в 1972 г. на вооружение. Затраченные усилия на проведе­
ние столь значительного объема работ не пропали даром.
В 1970 г. КБ приступает к разработке твердотопливных двига­
телей для крылатых ракет морского базирования.
Для создания твердотопливного двигателя стартово-разгон­
ной ступени (СРС) крылатой ракеты комплекса «Гранит» пона­
добилась специальная сталь, пригодная для эксплуатации в
условиях морской атмосферы.
Для решения поставленной задачи в создании тороцилиндри­
ческого корпуса двигателя впервые в отечественной практике
по рекомендации НПО «Композит» были применены высоко­
прочные коррозионно-стойкие стали мартенситно-стареющего класса: ЭП-678УВД (03X11Н10М2Т-ВД) для шпангоутов и
горловин полукорпусов и ЭП-679-ВД (03X11Н10М2Т1-ВД) для
обечаек полукорпусов.
Безусловно, опыт, приобретенный металлургами в освоении
стали МС-200, был максимально использован при внедрении
сталей ЭП-678У-ВД и ЭП-679ВД. Практически стали обладали
большим сродством, хотя и имели отличительные признаки.
В табл. 7 приведен химический состав сталей.
69

Таблица 7
Химический состав сталей ЭП-678У-ВД и ЭП-679ВД

Химический состав,%
Марка
стали

С

&

А1

№

Мп

м

Мо

Т!

Сг

Б

Р

не более

не более
9,0ЭП-678У-ВД 0,03 0,15 0,20 0,15 0,10 10,3

1,81.0

1,81.0

10,00,010 0,010
11,3

9,0310,3

1,82,3

1,01,4

10,00,010 0,010
11,3

ЭП-679-ВД

0,03

0,15

0,20

0,15

0,10

Из табл. 7 видно, что в отличие от стали МС-200, сталь ЭП678У-ВД была менее легированной: при наличии хрома (1011,3%) она имела в 1,5-2,0 раза меньше никеля и молибдена и
к тому же была бескобальтовой.
Именно это сочетание легирующих элементов определило
комплекс характеристик стали ЭП-678У-ВД, которые суще­
ственно зависели от вида заготовок и степени укова каждой
при получении их методом свободной ковки, раскатки. Подо­
бранные экспериментальным путем для каждого вида заготов­
ки режимы закалки и старения вместе с достигнутым уровнем
механических характеристик приведены в табл. 8.
Выплавка стали проводилась на Златоустовском металлурги­
ческом заводе путем смешивания металла из 5-тонной дуго­
вой печи с металлом, выплавленным в 1-тонной открытой ин­
дукционной печи. Данный способ выплавки в промышленных
условиях позволял обеспечить повышенную чистоту стали по
неметаллическим включениям и снижение содержания газов.
В процессе проведения работы большое внимание было
уделено изучению возможности повышения качества металла
слитков за счет различных технологических приемов.
Так, при выплавке исходного металла применяли продувку
аргоном, дополнительное раскисление в индукционной печи
алюминием, кальцием, использование в качестве шихты желе­
за прямого восстановления. Вакуумно-дуговой переплав осу­
ществляли в переменном физическом поле (ПФП).
70

Таблица 8
Механические свойства различного рода заготовок
стали ЭП-678У-ВД

Механические свойства
Тип
заготовки

Режимы термической
обработки

закалка 950°С;
выдержка 40 мин;
охлаждение на воздухе;
Поковки
старение 560°С;
выдержка 2-3 часа;
охлаждение на воздухе
двух кратная закалка 980°С;
выдержка 40 мин;
Раскатные охлаждение на воздухе;
старение 560°С;
кольца
выдержка 2-3 часа;
охлаждение на воздухе
Крупно­
двух кратная закалка 980°С;
габарит­
выдержка 40 мин;
ная
охлаждение на воздухе;
штамповка
старение 560°С;
массой
выдержка 2-3 часа;
~590 кг
охлаждение на воздухе

а02’

ан>

8,
%

V.
%

КГМ/

115

6

25

3,0

130

115

7

30

4,5

115

95

7

30

3,0

кгс/

кгс/

мм2

мм2

125

см2

Разработанная таким образом технология выплавки стали
марок ЭП-678У-ВД и ЭП-679-ВД позволила получать слитки
вакуумно-дугового переправа требуемого химического соста­
ва с плотной макроструктурой, равномерным распределением
легирующих элементов, примесей газов и неметаллических
включений по высоте и сечению слитка.
Проделанный комплекс работ создал хорошую предпосылку
для получения требуемого уровня свойств на последующем
переделе при получении крупногабаритных поковок, раскат­
ных колец. При этом особой зависимости характеристик ме­
талла от степени укова в пределах 3,2-5,6 не было обнаружено.
Достигнутый уровень характеристик в заготовках вполне
устраивал конструкторов применительно к концевым элемен­
там: шпангоутам, горловинам. Однако для длинномерных обе­

71

чаек требовался значительно более высокий уровень. Выбран­
ное направление для изготовления длинномерных обечаек из
листовой стали ЭП-679-ВД с продольным сварным швом с КВТ
> 0,45 позволяло, с учетом приобретенного опыта, достигнуть
прочности ов > 175 кгс/мм2 за счет холодной пластической де­
формации методом механико-термической обработки (МТО),
которая сводилась к деформированию металла на заданную
степень при температурах ниже начала рекристаллизации с
последующей выдержкой при этой температуре. Использован­
ный метод механико-термической обработки позволял дости­
гать в сварном шве 80-90% прочности основного металла.
Однако в штатной конструкции изделия был принят вариант из­
готовления обечайки из раскатного кольца методом ротационного
выдавливания за два прохода в закаленном состоянии с суммар­
ной деформацией 85-90% без промежуточного отжига (закалки)
между переходами. Возможность реализации этого варианта
обеспечил внедренный на серийном заводе раскатной стан.
Днища изготавливались из листовой стали толщиной 4,2 мм
горячей прессовой штамповкой за один переход с нагревом
на температуру 940°С. Отбортовка отверстий проводилась в
холодном состоянии за 3 перехода. После раздельного старе­
ния при температуре 520°С соединение обечаек, шпангрутов и
днищ проводилось в термически упрочненном состоянии коль­
цевыми сварными швами автоматической сваркой в среде за­
щитных газов неплавящимся электродом в три прохода:
-1 -й - без присадки в среде гелия;
-2-й - с присадочной проволокой ЭП-678У-ВД; в среде арго­
на с поперечными колебаниями электрода;
-3-й - в среде аргона без присадочной проволоки с попереч­
ными колебаниями электрода.
Естественно, прочность такого шва соответствовала проч­
ности стали в закаленном состоянии ав > 90 кгс/мм2. Для
компенсации потери прочности специалисты, проводившие
прочностной расчет, потребовали ввести в конструкции соот­
ветствующие усиления на стыкуемых элементах.
Все доводы металлургов о том, что в зоне максимальных изги­
бающих напряжений наиболее важными показателями, опреде­
ляющими работоспособность материала в конструкции, явля­
72

ются характеристики пластичности и вязкости, и что локальная
потеря прочности в кольцевом шве не может привести к сниже­
нию конструктивной прочности изделия, ни к чему не привели.
Специалисты отдела прочности твердо стояли на своем.
Пришлось пойти на прямой эксперимент.
С этой целью были изготовлены емкости, скомплектованные
из обечаек 0 200 мм с продольным сварным швом и двух днищ.
Обечайки получали вальцовкой листовых заготовок размером
4,2 х 250 х 640 мм из холоднокатанного нагартованного листа.
Днища - штамповкой из листа толщиной 2,5 мм. Сварные швы
соединялись однопроходной плазменной сваркой в среде ар­
гона с использованием низколегированной присадочной про­
волоки с поперечными колебаниями электрода. Изготовлен­
ные обечайки проходили:
-закалку при температуре Т=1050°С в течение 20 мин;
-охлаждение на воздухе;
-холодную деформацию от 15-20%;
-повторную закалку при температуре 1000°С в течение 20 мин;
-охлаждение на воздухе;
-повторную холодную деформацию 45-60%;
-старение на температуру 520°С в течение 3 часов.
Сварка кольцевых швов проводилась за 2 прохода аргоннодуговым методом вольфрамовым электродом по режиму:
-Vcb=12m/4;
- ICB = 110-140А с присадочной проволокой марки ЭП-659АВИ. Термической обработке кольцевые швы не подвергались.
Емкости прошли испытания гидравлическим давлением в
расчетном режиме:
-подъем до 72 атм, выдержка 3 мин, сброс до 0;
-подъем до 238 атм, выдержка 3 мин, сброс до 0;
-подъем до 145 атм, выдержка 3 часа, сброс до 0;
-подъем до 238 атм, выдержка 3 мин и далее до разрушения.
Во всех случаях разрушение прошло по всей длине обечайки
в зоне расположения продольного сварного шва. Излом пла­
стичный, под углом 45° к поверхности с характерным вспучива­
нием по месту начала разрушения.
В обечайках при содержании в стали Ti = 0,92% и температуре
старения 520°С, степени деформации 50% во всех опробуемых
73

схемах удалось достигнуть следующий уровень характеристик:
ав = 168-173 кгс/мм2, о02 =162-168 кгс/мм2,
5 = 6,4 - 8,0%, у = 31 -42%, ан = 5,6-9,2 кгс м/см2.
При этом прочность сварного шва составила 0,95 от основно­
го металла, что и определило разрушение по этой зоне.
Таким образом, прямой эксперимент определил несостоятель­
ность требований прочнистов и позволил принять, как наиболее
технологичный, вариант изготовления обечаек без усиления в
зоне расположения кольцевых швов. В дальнейшем эта работа
имела продолжение, в результате чего была разработана принци­
пиальная технология получения методом механико-термической
обработки конических обечаек с продольным сварным швом, ко­
торая была внедрена на малогабаритном двигателе крена.
Одной из отличительных особенностей мартенситно-стареющей стали марки ЭП-678У-ВД является вероятность недости­
жения требований пластичности и вязкости в крупногабарит­
ных заготовках из-за охрупчивающих фаз по границам зерен в
виде специфических выделений карбонитридов строчечного
характера, выпадающих при замедленном охлаждении полу­
фабрикатов с ковочных температур.
Высокотемпературная закалка с температуры 1000-1050°С с
последующим старением не приводила к улучшению показате­
лей комплекса механических свойств. Более того, нагрев об­
разцов до температуры свыше 1000°С сопровождался ростом
зерна в стали ЭП-678У-ВД до 3-4-го балла, в результате чего в
изломе образцов наблюдался характер хрупкого разрушения.
Применение операции старения без закалки обеспечивало по­
вышение прочностных характеристик при одновременном сни­
жении пластичности и вязкости.
В этой связи творческим коллективом, в состав которого вхо­
дил и автор, была проделана специальная поисковая работа и
разработан способ термической обработки мартенситно-стареющих сталей, включающий трех-кратную закалку и старение
(авт.св. № 538037). В каждом цикле закалки металл нагревают
до температуры 980-1000°С со скоростью 10-300С/мин в ин­
тервале температуры Ас, (начало превращения аустенита) до
заданной температуры нагрева, выдерживают при этой темпе­
ратуре 2-3 часа и охлаждают.
74

Повышение пластичности мартенситно-стареющих сталей по
данному способу обеспечивается совместным воздействием двух
процессов, протекающих одновременно, а именно значительным
растворением избыточных фаз по границам зерен при выдержке
металла в течение 6-9 часов при температуре 980-1000°С, с пол­
ным измельчением зерна и устранением разнозернистости.
Накопленный опыт по отработке корпусов СРС крылатых ра­
кет комплекса «Гранит» показал высокую технологичность и
надежность мартенситно-стареющих сталей. Практически на
протяжении всего периода отработки не было ни одного слу­
чая отказа. Испытания до разрушения подтвердили коэффици­
ент запаса прочности в изделия более 1,25 при требуемом для
данного изделия высоком коэффициенте безопасности 1,5.
Сталь получила широкое применение в изделиях КБ и исполь­
зуется по настоящее время, в том числе и в изделиях граждан­
ского назначения.

Титановые сплавы
Титановые сплавы с самого начала создания твердотопливных
двигательных установок привлекали внимание специалистов.
Уже на ранней стадии при создании 8К98 наиболее широко
применяемый в различных отраслях промышленности титано­
вый сплав ОТ-4 был использован для изготовления раструбов.
Сплав характеризовался высокой технологичностью, хорошей
свариваемостью. Высокие показатели пластичности и вязкости
обеспечивали достаточную деформативность. Однако при всех
его положительных качествах сплав обладал относительно низки­
ми прочностными показателями (ов > 70 кгс/мм2), что сдерживало
его применение в качестве силовых элементов маршевых ДУ.
В то же время наметившаяся в начале семидесятых годов
тенденция повышения весовой эффективности ракетных дви­
гателей потребовала продолжения работ по улучшению энер­
гомассовых характеристик.
В результате целенаправленных действий КБ и в частности
отдела главного металлурга по поиску путей решения постав­
ленной задачи удалось в течение достаточно короткого про­
межутка времени создать опережающий научно-технический
75

задел, позволивший приступить к созданию нового поколения
РДТТ для баллистических ракет с применением в качестве кон­
струкционных материалов высокопрочных титановых сплавов.
Достигнутые результаты работ привлекли внимание академи­
ка М.К. Янгеля и позволили КБ занять новую нишу в актуальных
направлениях деятельности, ориентированных на создание
РДТТ для баллистических ракет, разрабатываемых КБ «Юж­
ное», г. Днепропетровск. По сути КБ стало одним из первых в
отрасли, приступившим к практическому освоению высоко­
прочных термически упрочняемых титановых сплавов. Работы
проводились с привлечением специалистов Всесоюзного ин­
ститута авиационных материалов (ВИАМ) - разработчика этих
сплавов, а также вновь организованного в системе Министер­
ства общего машиностроения (МОМ) головного материало­
ведческого института - ЦНИИМВ.
В качестве отправной точки из числа имеющихся высокопроч­
ных сплавов был выбран сплав ВТ-14, основанный на системе
Ъ-А1-Мо-М
Благодаря сравнительно небольшому количеству легиру­
ющих элементов, стабилизирующих 0-фазу, он относился к
сплавам мартенситного типа.
В отожженном состоянии сплав имеет двухфазную (а + 0)структуру. В процессе закалки в результате резкого охлаждения
у сплава сохраняются метастабильные 0- и а!- фазы. В процессе
дисперсионного старения распад этих фаз протекает по схеме:
РнЕСТ-* РнЕСТ+ а ~* а + 01

а! - фаза распадается по схеме:
а/ —»
+ а —► а + гНЕСТ »а + В.г'
ОБОГАЩ
Практически процесс старения сплава ВТ-14, закаленного на
0-фазу, начинается при температуре 350 ’С.
В термически упрочненном состоянии сплав в зависимости
от вида полуфабриката может обеспечивать предел прочности
ав = 115-120 кгс/мм2 при относительном удлинении 8 > 6%.
Благодаря этому обстоятельству и его малой плотности (у =
4,52 г/см3) он превзошел по удельной прочности высокопроч­
ные стали типа «СП», и это предопределило его выбор для
использования в качестве основного материала для силовых
элементов РДТТ.
76

Сдерживающим фактором в освоении высокопрочных тита­
новых сплавов, в том числе и ВТ-14, являлось отсутствие на
производственной базе (ВСМОЗ, г. Верхняя Салда) необхо­
димого состава оборудования, позволяющего изготавливать
крупногабаритные листы шириной до 2,5 - 3,0 м.
Необходимо было искать пути неординарного решения этого
вопроса, и они были найдены.
На начальном этапе, исходя из потенциальных возможностей
Верхне-Салдинского металлообрабатывающего завода, был
приобретен лист из сплава ВТ-14 размером 5,0 х 1000 х 1500
мм, полученный продольно-поперечной прокаткой. Это был
индивидуальный заказ, который от обычной продольной про­
катки отличался тем, что плиты, полученные по обычной техно­
логии, раскатывали на полосы, затем их разрезали на карточки
из расчета соответствия длиннового размера ширине листа,
после чего лист прокатывался в поперечном направлении.
Оценка технологических возможностей сплава, его работоспо­
собности проводилась путем изготовления и испытания днищ в
размерах, соответствующих передним днищам III ступени изде­
лия 8К98П. Шпангоуты изготавливались за два прохода на рас­
катных станах Кулебакского металлургического завода (КМЗ).
Днища изготавливали горячей штамповкой за два перехода с
нагревом до температуры 850’С.
Упрочняющая термическая обработка проводилась раздель­
но по режиму:
-закалка 870*С;
-выдержка 60 мин;
-охлаждение в 10%-ном водном растворе поваренной соли;
-старение при температуре 500’С;
-выдержка 12 часов;
-охлаждение на воздухе.
С целью уменьшения поводок термическую обработку делали
на оснастке, профилирующей геометрию днища.
Соединение термически упрочненных деталей (шпангоутов,
днищ) осуществлялось аргонно-дуговой сваркой в два прохода с
применением присадочной проволоки ВТ-2 0 2,0 мм, при втором
проходе с двухсторонней защитой свариваемых стыков аргоном.
Перед сваркой термически упрочненные днища для удаления
77

поверхностного газонасыщенного слоя подвергались травле­
нию в растворе плавиковой и азотной кислот.
Полученные результаты испытаний нельзя было рассматри­
вать как положительные. Все днища разрушились при дав­
лениях ниже расчетного. Однако приобретенный опыт имел
большое практическое значение - позволил познать материал,
изучить его слабые и сильные стороны.
В частности выявилось, что, как и высокопрочные стали, ти­
тановые сплавы так же чувствительны к концентраторам на­
пряжений, особенно в радиусных переходах, попадающих в
зону максимальных изгибающих напряжений.
Выявилась также недопустимость расположения сварных
швов в радиусных переходах по месту отбортовок.
В процессе проводимых исследований было установлено, что
свойства поковок из сплава ВТ-14 в большей степени зависят от
режима ковки (температуры, степени деформации). Незначи­
тельные колебания в режиме ковки могут приводить к существен­
ным отклонениям по механическим свойствам и структуре ме­
талла. Крупнозернистая структура таких поковок, полученная при
неправильно заданных режимах ковки, не исправляется последу­
ющей термической обработкой, в отличие от стальных заготовок.
В сварных конструкциях из титановых сплавов уровень проч­
ности основного металла удается реализовать при сварке
предварительно упрочненного материала. В этих условиях
при падении прочности сварного соединения на 10-15% по от­
ношению к основному металлу обеспечивается высокая пла­
стичность сварных соединений. Потерю же прочности в зоне
сварного соединения в данном случае можно компенсировать
утолщением кромок. Поскольку титановые сплавы при высоких
температурах весьма активно вступают в реакцию с кислоро­
дом, воздухом, азотом, то основным условием получения ка­
чественного сварного соединения является надежная двухсто­
ронняя защита шва и околошовной зоны аргоном.
После сварки следует проводить для снятия напряжений об­
щий отпуск при температуре 550’С в течение двух часов, кото­
рый, как выяснилось, практически не влияет на прочностные
характеристики сварного соединения, хотя и приводит к сни­
жению прочности металла в среднем на 3-4%.
78

В конечном итоге опытно-технологическое опробование сплава
ВТ-14 на экспериментальных днищах подтвердило возможность
его использования для силовых элементов корпусов РДТТ, послу­
жило толчком для дальнейшего развития этого направления.
На основании результатов, полученных при эксперименталь­
ном опробовании, проектными подразделениями были раз­
работаны конструкции корпусов РДТТ для I и II ступеней раке­
ты 15Ж41 из титанового сплава ВТ-14 сферической формы 0
1374 мм, потребовавшие получения крупногабаритного листа.
Проведенным поиском совместно с головным материаловед­
ческим институтом ЦНИИМВ было установлено, что такой лист
методом горячей прокатки может быть получен только в усло­
виях Коммунарского металлургического завода, поставщика
горячекатаных листов из специально сплава (аналога ОТ-4)
для судостроительных предприятий.
Расчеты специалистов-прокатчиков показали, что постав­
ленная задача получения горячекатанного листа с толщиной
листа 12,0 мм может быть решена на предельных возможно­
стях стана. После неоднократных переговоров завод пошел на
риск, благодаря чему удалось получить партию горячекатаных
листов размерами 12 х 2300 х 2500 мм.
Полусферу изготавливали методом горячей штамповки горя­
чекатаного листа за несколько переходов на гидравлическом
прессе мощностью 1600 тонн. Перед каждым переходом за­
готовку нагревали в печи при температуре 950’С в течение 15
мин, штамповку вели при температуре 750-800’С. После полу­
чения штамповки, с целью снятия внутренних напряжений, за­
готовку подвергали отжигу на фиксирующей оправке при тем­
пературе 700’С. Шпангоуты изготавливали из раскатных колец,
полученных на Кулебакском металлургическом заводе мето­
дом раскатки на специальном стане.
Упрочняющая термическая обработка, исходя из ранее при­
обретенного опыта, проводилась раздельно на фиксирующих
кольцах по режиму:
-закалка 890’С;
-выдержка 40 мин;
-охлаждение в 10%-ном водном растворе поваренной соли;
-старение 500*С;
79

-выдержка 14 часов;
-охлаждение на воздухе.
Испытания выполненного в виде полусферы изделия прош­
ли с полной реализацией прочности основного металла с раз­
рушением по наиболее утоненному участку металла. При этом
уровень прочностных характеристик оказался ниже требуемых
по КД (находился практически на уровне ав =110-112 кгс/мм2).
Полученные результаты обнадежили конструкторов, однако до­
стигнутый уровень прочностных характеристик их не устраивал.
Для реализации задачи дальнейшего повышения прочности на
крупногабаритных листах были привлечены ведущие специали­
сты страны. С их помощью была разработана и реализована уни­
кальная технология, позволяющая из более высокопрочного спла­
ва ВТЗ-1 (по отношению к сплаву ВТ-14) изготовить на броневом
стане Ждановского металлургического завода методом пакетной
прокатки крупногабаритные листы размером 14 х 3000 х 3000 мм.
В термически упрочненном состоянии, после закалки при
температуре 900‘С и старения при температуре 600‘С, в таких
листах была достигнута прочность ов > 130 кгс/мм2, но уровень
пластичности оставлял желать лучшего (относительное удли­
нение 5 = 2,8%).
Просмотр микрошлифов показал, что микроструктура метал­
ла по сечению листа крупноигольчатая с грубыми выделения­
ми а-фазы по границам крупных зерен 0-фазы. С поверхности
листа имеется альфированный слой глубиной до 0,35 мм.
Безусловно, такое формирование структуры и пониженный
уровень пластичности объясняется неудовлетворительным со­
стоянием исходного материала, обусловленным окончанием
прокатки при температуре выше а + 0 —► 0 превращения при не­
достаточной степени деформации в процессе прокатки.
Параллельно была предпринята попытка изготовления из спла­
ва ВТЗ-1 полусфер из заготовки, полученной в условиях ВСМОЗ
методом объемной штамповки с толщиной стенки в пределах 4580 мм. Проведенными исследованиями было показано, что в та­
кой заготовке в термически упрочненном состоянии после закал­
ки при температуре 840-860‘С и старения при температуре 550*С
в течение 5 часов обеспечивается прочность ав> 125,0 кгс/мм2
при 5 > 7,4% и ан> 3,0 кгс-м/см2 в тангенциальном направлении, в
80

то время как в меридиональном и радиальном направлениях на­
блюдается снижение пластичности (относительного удлинения
до 4,0%) и особенно ударной вязкости до 1,1 кгс-м/см2. Прокаливаемость сплава по всему сечению обеспечивается полностью.
Структура металла штамповки неоднородная и изменяется от
мелкоигольчатой вблизи поверхности до игольчатой корзиноч­
ного плетения с выделением а-фазы по границам вытянутых в
направлении течения металла при деформации зерен 0-фазы в
удалении от поверхности.
При испытании такой полусферы до разрушения удалось до­
стигнуть полной реализации прочности основного металла, и
данная технология была принята за основу при разработке си­
ловых элементов сопловых блоков всех последующих РДТТ.
Значимость этой работы особенно возросла после того как
произошла замена сплава ВТЗ-1 на вновь разработанный ВИАМом высокопрочный титановый сплав ВТ-23.
Определяющим фактором в создании такого сплава явились
по-прёжнему все возрастающие требования к силовым кон­
струкциям РДТТ по увеличению удельной прочности. Чтобы ти­
тановые сплавы могли конкурировать с современными высоко­
прочными сталями, они должны были, по расчетам, обладать
прочностью не менее 140 кгс/мм2.
При разработке нового сплава исходили из концепции, что проч­
ность его определяется прочностью каждой фазовой составляющей
и их дисперсностью при многокомпонентном легировании, позволя­
ющем вводить в действие как можно больше механизмов упрочнения.
Исходя из этого и был создан сплав системы Т! - А1 - Мо - V Сг - Ре, относящийся к группе сплавов на основе (а + 0)-фаз, об­
ладающий высоким сочетанием характеристик прочности и пла­
стичности в отожженном и термически упрочненном состоянии.
Достаточное количество а- и 0-стабилизаторов и эвтектоидо­
образующих легирующих элементов в этом сплаве позволяет
ввести в действие несколько упрочняющих механизмов: упроч­
нение а-фазы, 0-фазы, получение большого количества метастабильных 0- и а7-фаз при закалке. Такое многокомпонентное
легирование дает возможность повысить механические свой­
ства сварных соединений по сравнению со сплавами, легиро­
ванными с одним или двумя 0-стабилизаторами.
81

Для оценки применяемости сплава ВТ-23 в качестве силовой
оболочки РДТТ была наработана в условиях ВСМОЗа партия
листов размерами 2,5 х 1100 х 2500 - 4500 мм (см. гл. «Хоро­
ший снабженец - гарантия успеха»).
Исследованиями, проведенными с участием ведущих институ­
тов страны, было показано, что после термического упрочнения
на данном сплаве возможно обеспечение прочности ав = 130140 кгс/мм2 при удовлетворительной пластичности и вязкости (5
= 4-6% и ан > 2,0 кгс-м/см2). Было показано также, что этот уро­
вень прочности успешно реализуется в сварной конструкции.
Оценка конструктивной прочности сплава проводилась на ци­
линдрических емкостях 0 200 мм длиной 400 мм, обработанных
на различные категории прочности от 100 до 140 кгс/мм2. Рабо­
тоспособность сварных соединений проверялась по двум вариан­
там: сварка с последующим отжигом и сварка в термически упроч­
ненном состоянии без последующей термической обработки.
Полученные результаты исследования подтвердили, что наи­
лучшее сочетание характеристик прочности и пластичности до­
стигается при сварке в упрочненном состоянии с последующим
отпуском, при этом в сварном шве наблюдается падение прочно­
сти на 10%. При испытании модельных емкостей до разрушения
была получена достаточно высокая конструктивная прочность на
уровне ок = 130 кгс/мм2, тем самым был достигнут ожидаемый эф­
фект, позволяющий при проектировании новых изделий предус­
матривать их изготовление из высокопрочного титанового сплава
ВТ-23.
Но к этому времени развивающаяся тенденция к повышению
весовой эффективности ракетных двигателей привела к по­
явлению принципиально нового направления: созданию кон­
струкций корпусов типа «кокон» из композиционных материа­
лов, получаемых методом непрерывной намотки (в начале на
основе стекло-, а затем органожгута).
В 1970 г. КБмаш приступило по заданию КБ «Арсенал» им.
М.В. Фрунзе (г. Санкт-Петербург) к проектированию ДУ II сту­
пени твердотопливной баллистической ракеты морского ба­
зирования. Во вновь разрабатываемой ДУ II впервые в стране
была применена односопловая конструкция двигателя с цельномотанным пластиковым корпусом типа «кокон». Для созда­
82

ния такой конструкции необходимы были закладные элемен­
ты из высокопрочного титанового сплава. На начальном этапе
была предпринята попытка использования для этих целей по­
ковок из сплава ВТЗ-1.
К сожалению, уже при первом испытании изделия произошло
преждевременное разрушение по закладному элементу.
Как показали результаты исследования, материал закладного
элемента характеризовался наличием в структуре крупного де­
формированного зерна с грубыми выделениями а-фазы по грани­
цам первичных р-фаз, низкими показателями пластичности (5=2%)
при показателе прочности, не отвечающем требованиям ТУ.
Разрушение закладного элемента в зоне предполагаемого
очага произошло от действия нормальных напряжений, излом
хрупкий, кристаллического характера.
Все это свидетельствовало о недостаточной прорабатывае­
мое™ материала в процессе изготовления колец на ВСМОЗе
и делало проблематичным использование сплава ВТЗ-1 в дан­
ном элементе конструкции.
Нужен был сплав, призванный заменить ВТЗ-1 и ВТ-14 в высоконагруженных деталях больших сечений, обладающий наряду
с высокими прочностными характеристиками высокой пластич­
ностью и вязкостью разрушения, лучшей технологичностью за
счет меньшего сопротивления пластической деформации.
К тому времени практически для тех же целей в США был
разработан сплав «Корона-5» (основа Т(+ 4,5% А1 + 5,0% Мо +
1,5%Сг), по фазовому сплаву идентичный ВТ-23.
В нашем случае, исходя из сложившихся обстоятельств, было
принято решение о проведении масштабной работы по изго­
товлению из сплава ВТ-23 опытных партий поковок и штам­
повок различных типоразмеров весом от 16 до 2500 кг для
установления оптимального уровня свойств в зависимости от
различных режимов термической обработки.
Всего для изготовления различного рода заготовок трех
опытных партий было выплавлено более 75 плавок общим ве­
сом 215 тонн. Использовались слитки от 1000 до 3580 кг.
Столь серьезный подход в проведении промышленного опро­
бования нового сплава ВТ-23 обусловила ситуация, сложивша­
яся на ВСМОЗе при внедрении его предшественника. Это был
83

сплав ВТ-22, разработанный также лабораторией ВИАМ, воз­
главляемой С.Г. Глазуновым, который внедряли в спешке для
авиации, без проведения должного опробования. В результате
была наработана большая партия поковок, отправленная ваго­
ном на один из авиационных заводов, где и была забракована.
Разразился скандал. Завод потерпел убыток, который пыта­
лись предъявить ВИАМ. Все это привело к возникновению не­
благоприятной обстановки по принятию решения об опробова­
нии нового сплава ВТ-23.
Все руководство завода было настроено весьма категорич­
но, и только директор завода Г.Д. Агарков из соображений го­
сударственной важности решаемой задачи дал добро на из­
готовление последовательно трех партий различного вида
заготовок. Данное решение позволило провести объективную
оценку материала, разработать необходимый объем докумен­
тации, принять решение по внедрению сплава в качестве сило­
вых элементов корпусов и сопловых блоков РДТТ.
По результатам проведенных работ была откорректирована
рецептура сплава, в частности содержание алюминия было
увеличено с 4,5 - 5,5% до 4,8 - 6,2%. Необходимость такого
изменения обусловила сравнительно низкая температура фа­
зового перехода а + 0 —► 0, вследствие чего могли возникнуть
трудности при изготовлении полуфабрикатов большого сече­
ния в части получения качественной проработки металла при
горячей деформации в (а + 0)-области. На основании постро­
енной диаграммы пластичности было установлено, что темпе­
ратура деформации сплава ВТ-23 должна быть на 100°С ниже
по сравнению со сплавом ВТЗ-1 и соответствовать 880-20°С.
Заготовки опытных партий изготавливались в размерах близ­
ких к деталям вновь разрабатываемых КБ изделий.
Для обеспечения наиболее полной проработки металла пред­
усматривалась всесторонняя ковка слитков в 0-области.
Анализ результатов отработки технологии и исследование
качества изготовленных заготовок показали удовлетворитель ­
ную деформированность сплава в заданном температурно-де­
формационном режиме. В термически упрочненном состоянии
при одинаковой пластичности и вязкости сплав ВТ-23 превос­
ходил серийный сплав ВТЗ-1 по прочности в толщинах более
84

80 мм. При этом гарантированно обеспечивал уровень свойств
ов > 120 кгс/мм2, 5 > 4-6%, ан > 2,0 кгс-м/см2.
При необходимости более высокие характеристики пластично­
сти, вязкости в сплаве могут быть реализованы при соответству­
ющем снижении прочности до ов > 100 кгс/мм2 за счет изотерми­
ческого отжига с подстуживанием на воздухе (800’С, охлаждение
на воздухе до 500’С в течение 3 часов). Достигнутый уровень ха­
рактеристик вошел в требования нормативной документации.
Однако прочностные расчеты показывали, что массовое совер­
шенство ДУ может быть достигнуто при обеспечении прочности
в конструкции закладных элементов на уровне ав > 140 кгс/мм2.
Очередной раз специалисты КБ столкнулись с дилеммой рас­
хождения теории с практикой. Стоявшие ближе к практике ме­
таллурги, понимающие суть проблемы, пытались доказать, что
материал типа закладного элемента при нагружении внутренним
давлением работает в условиях сложно-напряженного состоя­
ния с преобладанием изгибающих напряжений и работоспособ ­
ность такого элемента определяет комплекс характеристик, в
том числе значения пластичности и вязкости материала, кото­
рые не учитываются при проведении прочностных расчетов.
Схоластическая погоня за прочностью так же, как и у высоко­
прочных сталей, ведет к возрастанию чувствительности сплава
к концентраторам напряжений, которые с достижением крити­
ческой величины могут приводить к катастрофическим послед­
ствиям: преждевременному разрушению в процессе эксплу­
атации конструкции при напряжениях значительно меньших
предела текучести материала.
Отличительной чертой такого разрушения, реализующегося по ме­
сту расположения концентратора напряжений, является отсутствие
общей пластической деформации как перед разрушением, так и в
процессе разрушения, сопровождаемого быстрым распростране­
нием трещины в зоне действующего концентратора напряжений.
Такой тип считается разрушением в условиях плоской дефор­
мации, и его вероятность характеризуется критическим коэф­
фициентом интенсивности напряжений (К1с): чем выше значе­
ние К1с, тем надежнее работает материал.
Однако для его определения существуют весьма жесткие и не
всегда выполнимые условия, регламентирующие реализацию
85

плоско-деформированного состояния при разрушении образца.
Исходя из этого обстоятельства, а также в связи с отсутстви­
ем простого и универсального метода испытаний, позволяю­
щего оценить работоспособность материала применительно
к конкретной конструкции, получения доказательной базы из­
ложенной концепции, были проведены экспериментальные ис­
следования по оценке поведения материала с различным со­
отношением прочностных и вязких характеристик в условиях
сложнонапряженного состояния, в том числе с имитацией кон­
центраторов напряжений в виде радиусных переходов.
Была поставлена задача по выбору на основе традиционных
стандартных методов определения механических характеристик
материала критерия, позволяющего гарантировать работоспо­
собность упрочняемых титановых сплавов в конструкциях, име­
ющих концентраторы напряжений типа радиусных переходов и
испытывающих значительные градиенты напряжений при на­
гружении внутренним давлением. Задача решалась путем испы­
тания двух типоразмеров закладных фланцев (деталей), входя­
щих в состав органопластикового корпуса РДТТ, изготовленных
из различных полуфабрикатов (штамповок, поковок) титановых
сплавов ВТЗ-1 и ВТ-23. Для оценки чувствительности материала
к концентраторам напряжений изготавливались модельные об­
разцы с различными переходными радиусами: 0,15; 1,0; 3,0 мм,
которые испытывались в условиях, имитирующих сложно-напря­
женное состояние.
Детали и модельные образцы термически обрабатывали на
различные категории прочности от 100 до 160 кгс/мм2. Механи­
ческие свойства материала детали определялись на образцахсвидетелях, вырезанных из заготовок и непосредственно из
деталей после испытаний, механические свойства модельных
образцов - только на образцах-свидетелях. Испытания деталей
проводились в специальной оснастке, имитирующей работу
детали в органопластиковом корпусе, а модельных образцов на разрывной машине с записью диаграммы растяжения.
По результатам испытаний была построена графическая за­
висимость, из которой видно падение разрушающей нагрузки с
возрастанием прочности (рис.26). Особенно это падение про­
является при значениях предела прочности ов > 120 кгс/мм2.
86

Учитывая, что с изменени­
ем прочности меняются ха­
рактеристики пластичности
и вязкости, была сделана
попытка оценки их влияния
на величину разрушающей
нагрузки. При этом была в
первую очередь выявлена
тенденция снижения разру­
шающей нагрузки с пониже­
нием значений ударной вяз­
кости до ан < 2,5 кгс-м/см2
при значениях прочности <тв >
130 кгс/мм2.
Наиболее высокие зна­
чения ударной вязкости
ан > 3,5 кгс-м/см2 были
выявлены при испытании
закладных фланцев с ов
>100 кгс/мм2, однако при
этом отмечена потеря устой­
чивости конструкции фланца
Рис. 26. Зависимость разрушающей
из-за
недостаточной жест­
нагрузки от прочности сплава
ВТ23иВТЗ-1
кости, свидетельствующая о
необходимости ограничения нижнего предела значении проч­
ности.
Правильность полученных выводов в дальнейшем была под­
тверждена в ходе набора статистических данных по результа­
там испытаний порядка двадцати фланцев, показавших высо­
кую несущую способность при их термической обработке на
прочность ов = 105 - 122 кгс/мм2 при ан = 2,3 - 4,3 кгс-м/см2.
Результаты испытания модельных образцов, представленные на
графике (см. рис.26), показали, что разрушающая нагрузка воз­
растает с увеличением радиуса надреза (перехода) и с уменьше­
нием величины предела прочности полностью совпадает с резуль­
татами испытаний деталей. Наиболее резко Ррдзр возрастает при
увеличении радиусного перехода (гп) с 0,15 до 1,0 мм, при даль­
нейшем его увеличении возрастание становится менее явным.
87

Чувствительность к концентраторам напряжений особенно
заметна при значениях предела прочности ов > 125 кгс/мм2.
Таким образом, полученные данные показали, что для обе­
спечения высокой надежности работы деталей в сложнонапря­
женном состоянии необходимо оптимальное сочетание проч­
ностных и вязких характеристик с учетом чувствительности
сплава к концентраторам напряжений.
В частности для высокопрочного титанового сплава ВТ-23 наилуч­
шее сочетание характеристик находится в пределах: ов = 105 - 120
кгс/мм2 при Эи > 2,5 кгс-м/см2, для сохранения несущей способности
деталей при увеличении прочности металла до 125 кгс/мм2 требова­
ния кударной вязкости должны быть повышены до ан > 3,0 кгс-м/см2.
При этом переходный радиус в сложнонапряженных участках
конструкции деталей, испытывающих растягивающие и изги­
бающие нагрузки, должен быть не менее 1,0 мм.
Полученные экспериментальные данные вошли в требования
конструкторской документации на все разрабатываемые изде­
лия, обеспечив надежную работоспособность закладных эле­
ментов в конструкции органопластиковых корпусов РДТТ.
При внедрении сплава ВТ-23 была проведена впервые в отрасли
уникальная работа по отработке технологии сварки и подбору ре­
жимов термической обработки сварных соединений в сочетании
со сплавом ОТ-4 в коробчатых конструкциях. Характерной особен­
ностью такой конструкции является проблема защиты от окисле­
ния сварных соединений со стороны проплава при сварке и терми­
ческой обработке, расположение швов в местах, недоступных для
местной термической обработки, высокие требования по прочно­
сти, не позволяющие применять сборки в отожженном состоянии.
Проведенной работой было показано, что оптимальное со­
четание прочностных, пластических и вязких характеристик
обеспечивается на сварных соединениях, выполненных плаз­
менно-дуговой сваркой за один проход без присадки, после
упрочняющей термической обработки по режиму:
- закалка в воду при температуре 800 ± Ю’С;
- старение при температуре 500 - 550’С - 10 часов.
В случае изотермического отжига при температуре 800*С - 1
час и подстуживания на воздухе до температуры 500 - 550°С
прочность основного металла деталей из листового сплава мо­
88

жет снижаться на 8 - 10 кгс/мм2.
Прочность сварных соединений разнородных сплавов ВТ-23
и ОТ-4 находится практически на уровне прочности основного
металла ОТ-4. Отжиг при температуре 800’С сварных соедине­
ний, выполненных в термически упрочненном состоянии, при­
водит к снижению прочности основного металла сплава ВТ-23
до ~ 100 кгс/мм2. Отжиг при температуре 550’С сварных соеди­
нений из разнородных сплавов ВТ-23 и ОТ-4 ведет к охрупчи­
ванию зоны термического влияния со стороны сплава ВТ-23.
На основании проведенного комплекса работ, подтвердивше­
го высокую технологичность сплава ВТ-23, в том числе в сварных
коробчатых конструкциях в сочетании со сплавом ОТ-4, сплав
ВТ-23 получил надежную прописку в качестве силового элемен­
та во всех разрабатываемых КБ двигательных установках.
При этом отработанный оптимальный уровень характеристик
обеспечил в закладных элементах коконных конструкций прак­
тически трехкратный запас прочности.
Высокая технологичность сплава ВТ-23 была оценена спе­
циалистами ВСМОЗа, и на сегодняшний день сплав являет­
ся безальтернативным.

89

Заключение
Развитие твердотопливной ракетной техники привело к соз­
данию нового класса сталей и сплавов высокой прочности.
Практика же работы с ними показала, что во всех случаях стали
и сплавы с высоким пределом прочности оказываются весьма
склонными к хрупкому разрушению, обусловленному в первую
очередь повышенной чувствительностью к концентраторам на­
пряжений, высокой восприимчивостью к воздействию различ­
ных поверхностно-активных сред.
Перед автором стояла задача ознакомить широкий круг инже­
нерно-технических специалистов с закономерностями основ­
ных типов характерных хрупких разрушений различного рода
конструкций в энергетическом машиностроении, выполненных
из высокопрочных сталей и сплавов, с тем, чтобы можно было
избежать появление возможных ошибок при проектировании
новых изделий, найти правильные методы борьбы с ними.
Большое количество материалов, приведенных автором, являют­
ся плодом совместных работ и обсуждений с ведущими специали­
стами отдела главного металлурга НПО «Искра»: В.ВЛукьяновым,
Ю.Ф. Климовым,
М.П.Рыженковой,
Ю.Н. Петровым,
Н.М.Симоновым, А.Д.Бухаловым и многими другими.
Всем им автор выражает глубокую признательность и благо­
дарность за тщательное выполнение большого количества экс­
периментальных работ, нашедших отражение в исследовани­
ях, выпущенных лабораторией металловедения НПО «Искра».
Особую признательность автор выражает за ценные советы
и помощь, оказанную при подготовке рукописи к печати Ю.Л.
Макаревичу и А.Ю. Лузенину.

90

Список литературы
1.
2.

3.

4.
5.

6.

7.
8.

9.

10.

Клюев М.М., Каблуковский А.Ф. Металлургия электрошла
кового переплава - М.: Металлургия, 1969.-255с.
Косматенко И.Е., Суятин Н.И. Медь, чугун, сталь Мотовилихи Пермь: Перм. книжн. изд-во, 1988. - 188с.
Марочник стали для машиностроения ОМТРМ 0056-001 -65.
Общемашиностроительные типовые и руководящие
материалы в области технологии и организации
производства - М.: Изд-во НИИПМ, 1965. -593с.
Перкас М.Д. Высокопрочные мартенситно-стареющие
стали - М.: Металлургия, 1970. - 224с.
Потак Я.М. Высокопрочные стали - М.: Металлургия,
1972.-208с.
Потак Я.М. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей
- М.: Государственное издательство обороной
промышленности, 1955. -385с.
Россошинский А.А. Металлография сварных швов М.: Машгиз, 1961.-205с.
Справочник по машиностроительным материалам.
Т. 1. Сталь/ под ред. Геллера Ю.А. - М.: Государственное
научно-техническое издательство машиностроительной
литературы, 1959. - 907с.
Справочное пособие по высокопрочным сталям /
Суятин Н.И., Лукьянов В.В., Кудымов А.Д., Лузенин Ю.Г Пермь: Изд-во КБмаш, 1968. - 120с.
Фридман З.Г., Марьяновская Т.С. Высокопрочная сталь:
перевод с английского/ под ред. Гордиенко Л.К. - М.:
Металлургия, 1965. - 255с.

91

Юрий Геннадьевич Лузенин
РОЛЬ МЕТАЛЛУРГИИ В РАЗВИТИИ
РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ

Редактор М.Н. Афанасьева
Компьютерная верстка А.Ю. Лузенин

Подписано к печати 08.06.2011.
Тираж 100 экз. Заказ №75

Отпечатано в «Типографии ДПС»

I