научная статья по теме Водородная деградация коррозионностойких сталей и сплавов Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «Водородная деградация коррозионностойких сталей и сплавов»

УДК 669.295.5:539.43:669.788

ВОДОРОДНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ

СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

В. И. Ткачев, В. И. Витвицкий, М. Ф. Бережницкая, Л. М. Иваськевич

Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко HAH Украины

г. Львов, Украина E-mail: tkachov@ipm.lviv.ua

The influence of high-pressure hydrogen at room temperature on static and fatigue properties of J corrosion-resistant Fe- and Ni-based materials under different loadings is compared. The ascending ^ influence raw is the following: endurance limit, ultimate strength of specimens with notches, percent § elongation of smooth specimens, failure pressure of membrane under biaxial tension, percent reduction of © area of smooth specimens, and of the specimens with notches, low-cycle durability. The dependences of true stress intensity on true deformation intensity (uni- and biaxial tension) indicated the difference of curves in air and hydrogen. Curves of hydrogen resistance, taking into account deformation velocity are proposed. Arranged in the descending order low-cycle hydrogen resistance the Fe, Fe-Ni, Ni, Ti-based alloys forms the following raw: quenched stable austenitic steels and Fe-Ni alloys; nitride Cr-Ni-Mn steels; Ti-Al-Sn and Ti-Al-V titanium alloys; steels with unstabilized austenite; complex-alloyed Ni alloys; maraging and ferritic steels. The peculiarities of micromechanism of hydrogen fracture are multitude of microstructural sources of failure (volume damaging) and complete local plastic relaxation. The following improvement methods are proposed: the thermocyclic treatment with short-term overheating; additional compression (with optimum of about 20 %); variation of ageing temperature.

Спецификой взаимодействия водорода с конструкционными материалами является существование температурных экстремумов охрупчивания. Наибольшее снижение свойств наблюдается при комнатных температурах и совпадает с термическим максимумом хемосорбции в отсутствии окклюзии. Условием акселерации водородной деградации является протекание процессов пластической деформации. Коррозионностойкие сплавы на основе железа, никеля и титана выполняют различные функции в составе изделий водородной энергетики и работают в разных температурно-силовых условиях. Общим для них является прохождение области комнатных температур при высоких нагрузках и давлениях среды. Обоснованный выбор материала должен базироваться на основе информации о его сравнительных возможностях сопротивления водороду, полученной в сопоставимых условиях адекватного эксперимента. В данное время не сформирован общепринятый критерий водородостойкости, отсутствуют надежные зависимости между свойствами при различных видах нагружений, а сравнительная информация чрезвычайно ограничена [1-3].

Цель данного исследования — определение условий испытаний, вызывающих максимальную деградацию металлов; сравнительная оценка и определение особенностей повреждаемости и разрушения; повышение водородостойкости материалов на Ее, №, И-основе.

В работе сопоставили механические свойства материалов при различных видах нагружения и

определили условия максимального влияния водорода; проранжировали по сопротивлению среде материалы Ее, №, И-основы; определили особенности повреждаемости и разрушения; предложили некоторые мероприятия повышения во-дородостойкости.

Роль вида нагружения

Сопоставляя результаты, полученные при различных видах нагружения, проверили гипотезу инвариантности зависимости «интенсивность напряжений - интенсивность деформаций» при одно- и двухосном растяжениях на воздухе и в водороде [4]; определили и сравнили коэффициенты максимального влияния водорода, полученные при различных видах нагружения; построили сравнительные диаграммы водородостой-кости, которые учитывают время экспозиции. й

Для сравнения результатов механических ^ испытаний, полученных при различных схемах ^ нагружения, используют интенсивности напря- I жений и деформаций. Целесообразность их ,| использования в водородных экспериментах | проверяли на мартенситностареющей стали | 03Х12Н10МТ при 293 К. Сопоставляли резуль- £

X

таты одно- и двухосного растяжения. Плоские §• образцы испытывали одноосным растяжением на

о

установке УМЕ-10ТМ, оснащенной камерой вы- й сокого давления [3]. Двухосному растяжению 0 подвергали дисковые образцы-мембраны, которые крепились по контуру в специальной кассете — камере высокого давления. Мембрану раз-

Статья поступила в редакцию 08.02.2006 г. The article has entered in publishing office 08.02.2006.

рушали давлением газа в подмембранном пространстве, фиксируя текущие значения давления и прогиба образца [3]. В обоих случаях исследовали образцы толщиной 1,6 мм, а скорость деформации подбирали так, чтобы время до разрушения совпадало. Давление водорода при одноосном растяжении равнялось давлению разрушения мембран при двухосном нагружении.

При одноосном растяжении до образования шейки интенсивность напряжений определяли по формуле [4]:

стг = Р/Р = Р (1 + 8г )/%

где 8г- — текущее значение относительного удлинения; Р, — текущие значения усилия и площади поперечного сечения образца; — ее начальные значения.

После образования шейки для плоского образца интенсивность напряжений [5]:

стг = Р/Рк -(1 + г/бр),

где Рк, г, р — конечные площадь, толщина минимального сечения и радиус кривизны в шейке.

Интенсивность логарифмической деформации при одноосном растяжении равна:

ег = 1п(1 + 8) = 1п ((кЦо /

где ¡к и 10 — конечная и начальная длина образца.

При двухосном растяжении интенсивность действительных напряжений [4] составляет:

ст, = р(а2 + м2)2/Ама2Ъ0, где а = 40 мм — половина диаметра мембраны по линии закрепления; м — прогиб; 80 — начальная толщина мембраны, которая равняется толщине плоского образца для одноосного растяжения; р — давление газа.

Интенсивность логарифмических деформаций составляет [4]:

i = 2/3 • ln Jl + 2/3\2w2j (a2 + w2)

Индикаторные (машинные) диаграммы растяжения и графики oi—ei представлены на рис. 1. Сопоставление кривых свидетельствует, что за-

Рис. 2. Коэффициент влияния водорода рн для сплавов 03Х12Н10МТ (а), Х19Н55МБЮ (б), ХН65МТЮ (с) на: 1 — долговечность при малоцикловой усталости, отнулевой чистый изгиб (А8 = 1,6 %; рн = 35 МПа; 293 К; 0,5 Гц); 2 — относительное сужение образца с надрезом; 3 — то же самое для гладкого образца; 4 — разрушающее давление двухосного растяжения мембраны; 5 — относительное удлинение гладких образцов; 6 — граница прочности образцов с надрезом; 7 — граница усталости

висимости для двухосного растяжения дают занижение по текущим значениям интенсивности напряжений в водороде по сравнению с одноосным растяжением. Согласно рис. 1,в водород активирует пластическую деформацию уже на начальной стадии нагружения, уменьшает разрушающее напряжение и снижает на треть текущие значения интенсивности напряжений (кривая 3, 4) в пластической области.

Сравнивая коэффициенты максимального влияния водорода Рн [2, 3], которые определяются отношением показателей, полученных в водороде давлением 35 МПа и воздухе, можно проранжировать виды нагружений и характеристики по их чувствительности к действию водорода высокого давления (рис. 2). В порядке возрастания влияния среды идут: граница многоцикловой усталости (образцы 05 мм, частота вращения 3000/мин, база 5106 циклов), граница прочности образцов с концентратором (диаметр образца под концентратором 5 мм, радиус надреза 0,1 мм), относительное удлинение гладких образцов (05 мм), разрушающее давление двухосного растяжения, относительное сужение образцов с концентратором, малоцикловая долговечность (отнулевой изгиб с частотой 0,5 Гц, толщина образцов 2-3 мм).

Рис. 1. Диаграммы одно- (а) и двухосного (б) растяжения и зависимости «интенсивность действительных напряжений — интенсивность действительных деформаций» стали 03Х12Н10МТ (в): 1 — растяжение, воздух; 2 — растяжение, рн = 10—35 МПа; 3 — двухосное растяжение, разрушающее давление гелия 65,7 МПа; 4 — двухосное растяжение, разрушающее давление водорода 25,1 МПа

б

а

Б

Последовательность составляющих ряда может изменяться в зависимости от материала основы и механизма упрочнения. Так, для №-спла-вов (рис. 2, сплавы Ь, с, участки 3, 5), упрочненных дисперсной когерентной у'-фазой, удлинение является более чувствительным к водороду показателем, чем относительное сужение, как это свойственно сталям (рис. 2, сплав а, участки 3, 5). Однако наиболее чувствительным показателем все же остается малоцикловая долговечность.

Для наглядной оценки влияния водорода с учетом времени экспозиции (то есть амплитуды и скорости деформации) можно использовать сравнительные диаграммы водородостойкости, где по оси абсцисс откладывается время до разрушения в водороде, по оси ординат — то же самое на воздухе или в гелии (рис. 3). Диагональ такого квадрата — граница влияния водорода [6]. Здесь они построены для стали 03Х12Н10МТ и сплава Х19Н55МБЮ по результатам испытаний на одноосное растяжение, мало- и многоцикловая усталость. Как видно, влияние водорода на Х19Н55МБЮ мало зависит от вида на-гружения. На участке высоких напряжений усталостной кривой оно является даже положительным (переход графической зависимости через диагональ), но при условиях, близких к границе усталости, сплав значительно деградирует в водороде. Напротив, сталь 03Х12Н10МТ практически нечувствительна к среде при многоцикловом нагружении; при одноосном растяжении во всем диапазоне скоростей деформации наблюдается значительное снижение пластических свойств. Максимум деградации — при малоцикловом нагружении, причем с увеличением времени малоцикловой экспозиции (уменьшением циклической деградации амплитуды) мартенсит-ностареющая сталь теряет существеннее, чем №-сплав. Хотя малоцикловая усталость и является самым чувствительным видом нагружения, но далеко не в каждом конкретном случае он будет иметь место как таковой. Однако предложенный подход дает количественную границу, ниже которой свойства не уменьшатся, и позволяет

Рис. 3. Диаграммы водородостойкости сплавов Х19Н55МБЮ (а) и 03Х12Н10МТ (б) по времени до разрушения на воздухе (т) и у

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.

Показать целиком