Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Пахаруков Ю.В., доктор физико-математических наук, профессор Корнеева Н.С., старший преподаватель
Воронин К. С., аспирант Симонов А. С., ассистент (Тюменский государственный нефтегазовый университет)
ДИСЛОКАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ СТАРЕНИЯ СТАЛИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
В работе рассматривается механизм диффузии атомов углерода к границам зерен с учетом дислокаций. Получены оценки коэффициента диффузии и времени формирования карбидной фазы на границе зерен.
Ключевые слова: старение стали, диффузия углеродов, дислокация, граница зерен, наносегрега-ция углеродов.
DISLOCATION MECHANISM OF AGING STEEL GAS MAINS
We consider the mechanism of diffusion of carbon atoms to the grain boundaries with the dislocations. Estimations of the diffusion coefficient and the time offormation of the carbide phase in the grain boundary.
Keywords: aging steel, carbon diffusion, dislocation, grain boundary, nanosegregation carbons.
Известно, что процесс старения трубной стали в условиях эксплуатации газопроводов проявляется в перемещении частиц углерода из ферритных зёрен к их границам, в результате снижается её прочность [1]. Следовательно, технологические возможности магистрального трубопровода должны определяться условиями процесса диффузии углерода. Оценка времени диффузии, определяющая процесс старения может быть получена по формуле:
2
L_ D
При коэффициенте диффузии D ~ 410-17 см2/с и размере зерна L ~ 10 мкм, время старения составит тс ~ 100 лет.
Эта величина не соответствует практике эксплуатации трубопровода. Следовательно, процесс старения не может быть объяснён только диффузией атомов углерода. В работах [1,2,3] отмечается влияние дислокаций на диффузию углерода. Показано, что с одной стороны, взаимодействие с дислокацией замедляет диффузию примесей, с другой стороны дислокации стимулируют движение примесей. В результате этого на дислокациях наблюдается образование карбидоподобных наносегрегаций.
В условиях сильной неравновесности должны проявиться эффекты, связанные с коллективным взаимодействием углерода с дислокациями, что в конечном итоге может обеспечить эффективный вынос атомов углерода к границам зёрен.
Рассмотрим, как может сказаться на дислокациях периодическое распределение нанокла-стеров дефектов (атомы углерода и вакансии) в рамках модели дислокации Френкель - Кон-торовой [2]. В рамках этой модели критическое напряжение бк, приводящее к движению дислокаций, зависит от ширины самой дислокации X [2].
. жЛ. жкТЛ (-—)
&к =
2
■е
ав
где: а - межплоскостное расстояние; Т - температура; в - вектор Бюргерса.
Захват нанокластеров дислокацией увеличивает ширину её перегиба и снижает барьер
4
Wо
ж
2 Ловак
Скорость дислокации (у) увеличивается за счет увеличения плотности перегиба (рп).
V- Рпв
св 2а ~кТ
= Рпвуо ,
где:
св ~кТ
■, с - скорость звука,
Рп=
в 2а
к
кТ
2жв 2&
ег
х4
е
укТ
В рамках рассматриваемого механизма можно сделать следующие оценки: скорость дислокации при нагрузках в металле у±=10-3 см/с, плотность дислокаций в зёрнах железа рх= 1010 см2, сечение ядра дислокации составляет ах=6 10-15 см2. Объемная доля дислокаций несущая атомы углерода будет равна ах- рх= 10-5. В этом случае коэффициент диффузии атомов углерода может быть оценён:
—12 2
Б1с — у^а^р^! — 0,5 • 10 см / с,
где: ! — (р_|_) 2 диффузионная глубина выноса.
Это значение позволяет получить реалистичную оценку времени старения:
1:2
В
2 • 10 с (20 лет).
1 с
Можно оценить время формирования карбидной фазы на границе зерен после выноса кластеров дислокациями
1
в
1
т
с
я
Т\ &тс • е кт « 107 с (1 г0д),
где: 0- барьер образования карбидной фазы.
* С
где: АС - степень пересыщения, ^СС ~ 2 , [1,3].
Долю выделившихся карбидов за время старения (1) можно оценить следующим выражением
/
/е ~ /е
1 - ехр
г г
\
V
У
Таким образом, предложенный механизм старения трубной стали дает реалистическую оценку. Процесс накопления углерода развивается около 20 лет и в течение еще одного года происходит образование карбидной фазы на границе зёрен, что приводит к развитию разрушения по границам зёрен.
о
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Ю.С. Физические комплексные проблемы старения, охрупчивания и разрушения металлических материалов водородной энергетики магистральных газопроводов.// УФН-2008. Т.178 - №7. - с.709-726.
2. Фридель Ж. Дислокации. М.:Мир,1967. 643 с.
3. Чувельдиев Н.В. Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов.//В сб. Труды научно-практического семинара. Нижний Новгород. 2006, с. 4.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.