CC BY
6ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Конструкционные материалы HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Structural materials
ИЗМЕНЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ОСТАНОВКА ТРЕЩИН ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДОРОДА
УДК 539.319:669.788 В. И. Ткачов, В. И. Витвицкий, М. Ф. Бережницкая
Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко НАНУ ул. Научная, 5, Львов, 79601, Украина Тел.: (0322) 65-42-54; e-mail: tkachov@ipm.lviv.ua
It is known that residual tensile stresses deteriorate the service characteristics of the products. To remove them the well-known methods are used — surface plastic deformation and annealing. However, these treatments can not be used for any case, especially for complex-shaped elements. Heating leads to the change in the physico-mechanical properties of the product base, what is inadmissible in operation.
This paper presents the attempt to use hydrogen as a tool for the control over the residual stresses of the first kind and for the crack retardation. For this purpose the following aspect were studied: a) the effect of hydrogenation on residual stresses in 35, 45, У8, У10, 40X, ШХ15, Х18Н10Т type steels after different thermal and mechanical treatments (polishing, rolling treatment vibrotreatment); b) change in the character of residual stresses distribution in the 45 and of У8 type steel specimens surfaced with different thickness (100, 500, 1000 mm) X18H10T steel; c) retardation of crack growth using hydrogen.
It was established that the level of hydrogenation effect on the stress state depends on the cathode current density, on the structural state. It was shown that the influence of hydrogenation on residual stresses distribution in the overlayed specimens depends on the surfacing layer thickness and the substrate material. It is more pronounced in the specimens with a small surfacing thickness (100 mm) when the gradient of residual tensile stresses is high. Hydrogen treatment does not only reduce the value of residual tensile stresses but also decreases the area of their effect.
It was found that under loading, corresponding to that giving the values of stress intensity factors at the crack tip about the KSCC value of the given material, a more active process of branching is observed in the process zone (when hydrogen is present). This allows the retardation of the crack propagation after subsequent hydrogen discharging of the metal.
Остаточные напряжения первого рода в значительной мере предопределяют долговечность деталей в эксплуатации — усталостную, корро-зионно-усталостную прочность, сопротивление коррозионному растрескиванию и ряд других ха-^ рактеристик. Эти напряжения возникают во вре-* мя изготовления деталей при различных техно-| логических операциях (литье, штамповке, свар, * ке, химико-термических, механических и других й обработках) и как по величине, так и по знаку
т
1 могут быть различны. Остаточные напряжения £ могут играть как неблагоприятную, так и бла-| гоприятную роль. Для уменьшения или устра-^ нения вредных растягивающих напряжений наи-§ более часто применяют поверхностное пласти-® ческое деформирование (ППД) или отжиг [1, 2]. Однако ППД и нагрев не всегда можно использовать, особенно для деталей сложной конфигурации. Кроме того, нагрев изменяет физико-ме-
ханические свойства сердцевины изделия, что недопустимо.
Известно, что процессы деформации сталей в водороде и в инертных средах существенно различаются [3]. В целом ресурс материала, как правило, определяется двумя стадиями: однородное и локализованное повреждение. На первой стадии происходит равномерное накопление повреждаемости по всему поперечному сечению, на второй, вследствие ослабления некоторого сечения, повреждаемость локализуется, что ведет к зарождению и развитию макротрещины. В присутствии водорода изменяется интенсивность и скорость накопления повреждений на каждой из этих двух стадий. Стадия однородного повреждения в водороде сопровождается активной релаксацией микронапряжений [4]. Рост макротрещины в водороде также специфичен, прежде всего развитием процессов ветвления у ее вер-
Статья поступила в редакцию 28.07.2005. The article has entered in publishing office 28.07.2005.
шины [5]. Информация по этим вопросам крайне ограничена.
В данной работе сделана попытка использовать свойство водорода активировать и локализовать пластическую деформацию для регулирования остаточных макронапряжений и торможения имеющихся в металле трещин. С этой целью изучали:
1) влияние наводороживания на перераспределение остаточных напряжений первого рода, возникших при различных механических обработках стальных изделий;
2) изменение характера распределения остаточных напряжений в наплавленных образцах после обработки водородом;
3) торможение роста трещины с использованием водорода.
Специфика применения водорода для достижения положительных эффектов заключается в четком регламентировании времени и режимов наводороживания (плотности тока катодной поляризации) с целью обеспечить обратимое воздействие.
Влияние наводороживания на перераспределение остаточных напряжений первого рода, возникших при различных механических обработках стальных изделий
Цилиндрические образцы диаметром 15... 20 мм и длиной 100.150 мм из сталей 35, 45, У8, У10, 40Х, ШХ15, и Х18Н10Т различной структуры подвергали электрокорундовому шлифованию, обкатке роликами, виброобработке. Часть из них наводораживали в однонормальном растворе серной кислоты с добавкой 5 мг/л Ав20д на протяжении 2 ч. Наводороживание проводили при «мягких» режимах, чтобы исключить появление водородных пузырей [6]. Уровень наводороживания регулировался плотностью катодного тока. После этого образцы выдерживали на воздухе в течение 3 сут. для дегазации. Определение остаточных напряжений проводили по методике послойного стравливания металла по полуцилиндрической поверхности образца [7].
Опыты показали, что наводороживание в значительной мере отражается на напряженном состоянии образца по всему исследуемому диапазону плотности тока 1.20 А/м2. Если плотность тока небольшая, то эффект проявляется релаксацией остаточных напряжений растяжения (рис. 1). С ростом тока катодной поляризации остаточные напряжений изменяют знак (становятся сжимающими). У поверхности они максимальны и составляют ~400 МПа.
Установлено, что структура значительно влияет на формирование остаточных напряжений при шлифовании (рис. 2). В случае мартен-ситной структуры возникали растягивающие напряжения (350 МПа), в трооститной — напряжения сжатия (80 МПа). После наводорожи-вания картина существенно изменилась. В об-
500 г
3 S 0
-500
200
500
=
S 0
-500
5, мкм
торый определяется как в = -
а,
-, где а1 —
Сталь Коэффициент влияния водорода в
Перлит-феррит Мартенсит
35 1,50 0,61
45 1,50 0,63
У8 2,00 0,95
У10 2,13 1,20
Рис. 1. Распределение остаточных напряжений в образцах из стали ШХ15 (НИС41): 1 — шлифование; 2, 3 — шлифование и наводороживание (5 и 15 А/м2, соответственно)
250
Рис. 2. Остаточные напряжения в поверхностных слоях образцов из стали 40Х различной структуры: 1, 2 — шлифование; 3, 4 — шлифование и наводороживание, 15 А/м2 (2, 3 — мартенсит; 1, 4 — троостит)
разцах с мартенситной структурой растягивающие напряжения у поверхности релаксировали (кривые 2, 3), а в образцах с трооститной структурой напряжения сжатия увеличивались до 450 МПа (кривые 1, 4).
Шлифование стали Х18Н10Т вызвало незначительные остаточные напряжения растяжения (~130 МПа), которые распространяются на глубину ~30 мкм. Эпюра напряжений после на-водороживания мало изменилась.
Опыты показали, что эффект водородного воздействия на остаточную напряженность ко-
начальные остаточные напряжения, ст2 — остаточные напряжения после наводороживания, зависит от содержания углерода в стали. С увеличением содержания углерода он более ощутим. Так, для стали У10 мартенситной структуры уровень водородного воздействия увеличился почти в 2 раза по сравнению со сталью 35 (см. табл.).
Таблица
Водородное воздействие на остаточные напряжения в углеродистых сталях после шлифования
В. И. Ткачов, В. И. Витвицкий, М. Ф. Бережницкая
Изменение остаточных напряжений и остановка трещин воздействием водорода
Следует отметить, что уровень этого воздействия зависит и от структуры стали. Для пер-лито-ферритной структуры он выше, чем для мартенситной.
Обкатка роликами и виброобработка стали 40Х твердосплавными шариками диаметром 8... 10 мм вызвала остаточные напряжения сжатия ~550 и ~300 МПа соответственно. После наводорожива-ния напряжения у обкатанных образцов увеличились, а у виброобработанных уменьшились. Такое различие, по-видимому, вызвано неодинаковой шероховатостью поверхности образцов.
Таким образом, уровень воздействия наво-дороживания на остаточную напряженность шлифованных образцов зависит от плотности катодного тока, структурного состояния образцов и содержания углерода в стали. Обработка водородом обкатанных образцов мало изменяет эпюру остаточных напряжений сжатия.
Изменение характера распределения остаточных напряжений в наплавленных образцах после наводороживания
Исследовали влияние электролитического наводороживания на распределение остаточных напряжений в образцах диаметром 8...10 мм из сталей 45 и У8 различной структуры (перлит-феррит, мартенсит), наплавленных слоем (электроискровая обработка) нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 100, 500, 1000 мкм. Слои 500 и 1000 мкм получали автоматической электродуговой наплавкой, а слой толщиной 100 мкм — электроискровым наращиванием на установке ЭФИ-46А. Электролитическое наводо-роживание и определение остаточных напряжений проводили теми же способами, что и в предыдущих исследованиях.
Установлено, что в наплавленных и наращиваемых образцах возникают остаточные напряжения растяжения, максимальная величина которых ~110... 180 МПа (рис.3, 4). Наводорожи-вание понижает остаточные напряжения, которые перераспределяются по всей толщине наплавленного слоя, а также в зоне термического влияния (рис. 3, •). У поверхности образца релаксация напряжений наибольшая; у закаленной стали наблюдается их полное снятие. Зона их распределения уменьшается на ~400 мкм. Максимальные
1600
1000 1200 1400
5, мкм
Рис. 3. Распределение остаточных напряжений в образцах перлитно-ферритной (1) и мартенситной (2) сталей 45. Толщина наплавленного слоя 500 мкм: О — наплавка; • — наводороживание
200 160 120
й
К 80
S
0
-40 -80
400
5, мкм
700
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов из перлитно-ферритных сталей 45 (1) и У 8 (2). Толщина наплавленного слоя 100 мкм: О — наплавка; • — наводороживание
напряжения на границе наплавки и сердцевины понижаются на 30...40 %.
После наплавления слоя 100 мкм растягивающие напряжения распределяются на глубину до 400. 600 мкм. Обработка водородом существенно изменяет их распределение. У поверхности они изменяют знак. Величина сжимающих напряжений составляет ~35...50МПа (см. рис.4, •). Сжимающие напряжения в стали 45 намного больше, чем в У8. Однако в последней существенно уменьшилась зона растягивающих напряжений.
Таким образом, влияние наводороживания на распределение остаточных напряжений в наплавленных образцах зависит от толщины нанесенного слоя и от материала подложки. Оно более существенно в образцах с малой толщиной наплавки (100 мкм), когда градиент остаточных растягивающих напряжений высок. Обработка водородом не только понижает величину растягивающих напряжений, но и уменьшает зону их действия.
Торможение роста трещины с использованием водорода
Использовано свойство водорода понижать в сравнении с воздухом пороговый коэффициент интенсивности напряжений и при этом, характерном только для водорода, пониженном значении коэффициента интенсивности напряжений К8СС способствовать микроветвлению, созданию локальных пластических деформаций и затуплению вершины трещины. Суть процесса следующая. Стальные изделия с трещиной подвергаются циклическому деформированию в присутствии водорода в режиме нагружения, обеспечивающем получение в вершине трещины близкого к пороговому значению К8СС для данного материала в водороде, что позволяет создать у вершины трещины область пластической деформации специфической морфологии. После этого изделие обез-водороживают при 100.150 °С в течение 30.60 мин или выдерживают на воздухе в течение 120 мин. Последнее способствует возврату прежней высокой сопротивляемости материала росту трещины. Доставка водорода в вершину трещины может осуществляться любым способом — из газа, электролита и т. д.
Образец из стали 40Х размерами 10x20x100 мм с выведенной трещиной длиной 5 мм, закаленный с 840 °С в масло и отпущенный при 300 °С, циклически деформируют трехточечным изгибом при нагрузке Р = 4500 Н на воздухе с частотой 0,2 цикл/мин. За 200 циклов трещина проходит путь в 1,73 мм. Затем нагрузку снижают до 2600 Н с одновременным наводо-роживанием образца в газовой атмосфере и циклически деформируют при тех же условиях еще (200 циклов). Затем удаленный из атмосферы водорода образец нагревают до 150 °С, выдерживают при этой температуре в течение 40 мин и снова подвергают циклическому нагружению на воздухе 200 циклов. Трещина проходит 0,29 мм.
Параллельный аналогичный эксперимент без присутствия водорода показал, что скорость роста трещины не изменилась.
Таким образом, обработка с использованием особенностей деформирования в среде водорода позволяет в 3...5 раз повышать долговечность изделий.
Список литературы
1. Сагалевич В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. —М.: Машиностроение, 1974.
2. Бережницька М. П., Гуслякова Г. П., Тка-чов В. I. Шдвищення довгов1чност1 конструкц-шних сталей та 1х зварних з'еднань пластич-ним деформуванням // Ф1з.-х1м. механша мате-р1ал1в. 2000. № 3. С. 121-122.
3. Тетерко А. Я., Ткачов В. И., Витвицкий В. И., Федорчак Б. И. О контроле усталостного ресурса изделий электромагнитным способом // Физ.-хим. механика материалов. 1981. № 1. С. 107-108.
4. Цыгельный И. М., Витвицкий В. И., Ткачо-в В. И., Кацов К. Б., Гончарский В. В. Усталостная поврежденность стали в присутствии водорода // Докл. АН УССР, Сер. А. 1982. № 10. С. 54-58.
5. Витвицкий В. И., Иванец В. И., Ткачов В. И., Левицкий М. О. О профиле поверхности зоны предразрушения усталостной трещины в присутствии водорода // Физ.-хим. механика материалов. 1983. № 3. С.103-104.
6. Патент РФ 2083689 МКИ С21Б3/06. Способ обработки стальных изделий / М. Ф. Береж-ницкая, В. И. Витвицкий, В. И. Ткачов, С. А. Гре-бенюк // Бюлл. Изобр. 1997. № 19.
7. Бабей Ю. И., Бережницкая М.Ф. Метод определения остаточных напряжений первого рода. Львов, 1980. (Препринт АН УССР. ФМИ им. Г. В. Карпенко № 30).
