CC BY
68
Сафарова Людмила Леонидовна, аспирант, l.bashkirceva@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SYNTHESIS OF THE ABBOTT DIAGRAM A.S. Yamnikov, L.L. Safarova
The paper considers the question of obtaining the Abbot diagram. The calculation, synthesis of the Abbott diagram and profilogram of the surface processed by honing is performed. Conclusions are drawn about the shortcomings of the lubrication pockets processing method at JSC "AK" Tulamashzavod".
Key words: cylinder, technological effectiveness, roughness, Abbott's chart.
Yamnikov Alexander Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, yamnik-ovas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Safarova Lyudmila Leonidovna, postgraduate, l.bashkirceva@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.4
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ В ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ
Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев,
Д.С. Клементьев, О.В. Пантюхин
Статья посвящена разработке комплексной методики исследования коррози-онно-механического разрушения арматурных сталей при их испытаниях на длительную прочность в водородсодержащих средах. Показано, что в зависимости от условий наводороживания (температуры и химического состава коррозионной среды, вида поляризации) механические свойства арматуры резко изменяются в начальный период эксперимента. При дальнейшем увеличении времени выдержки в коррозионной среде без поляризации не наблюдается существенного изменения механических свойств. Наиболее жесткие условия эксперимента (характеризующиеся минимальным временем до разрушения и резким падением механических свойств) реализуются в условиях одновременного катодного наводороживания и приложения к образцу растягивающих напряжений.
Ключевые слова: наводороживание, длительная прочность, механические свойства, растягивающие напряжения, катодная поляризация.
1. Актуальность создания методики
Хрупкое разрушение высокопрочных металлов и сплавов, применяемых на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, вызванное воздействием агрессивных водородсодержащих сред,
35
представляет собой серьезную научную проблему, актуальность которой за последние десятилетия резко возросла в связи с открытием аномального воздействия водорода на комплекс свойств металлов и сплавов (аномальная пластическая автодеформация железа, структурно-фазовые превращения, синергетические эффекты микропластичности, эффект обратимой потери формы в аморфных металлических сплавах и др.) [1, 2].
Вредное влияние водорода на механические свойства впервые было опубликовано Джонсоном в 1875 г. С того времени ученые добились многих успехов в разработке металлов с оптимальными параметрами прочности и пластичности. Различные взгляды на микромеханизмы коррозионно-механического разрушения в водородсодержащих средах были обсуждены и подробно рассмотрены в научной литературе [3-9]. Несмотря на многолетние исследования проблема взаимодействия систем металл-водород остается открытой в связи с разнообразием подходов и методик к оценке охрупчивающего воздействия водорода и водородсодержащих сред [9]. Так, вплоть до настоящего времени не удалось создать единый механизм взаимодействия водорода с металлическими материалами, который позволил бы объяснить всю совокупность явлений, проявлению которых водород может способствовать в дефектной металлической матрице.
На этом этапе мы вынуждены признать, что большая часть исследований водородного растрескивания и коррозионного растрескивания под напряжением (ВР и КРН) была проведена в условиях лабораторных испытаний, на образцах, имеющих различный химический состав и физико-механические характеристики, что затрудняет создание стройной теории ВР, единой базы данных испытаний, разработку стандартизированных методов исследования и рекомендаций по производству и обработке применяемых металлов и сплавов. Еще одним фактором, затрудняющим процесс феноменологического описания процессов ВР и КРН является отсутствие систематических данных испытаний натурных образцов и их корреляции с лабораторными испытаниями.
В этой связи особенно актуальной проблемой является создание комплексной методики исследования процессов ВР и КРН, включающей в себя проведение испытаний точеных и натурных образцов, позволяющей определять сравнительную стойкость металлов и сплавов к растрескиванию в водородсодержащих средах. Использование полученных результатов позволит определять долговечность и корректировать процессы изготовления и обработки металлов и сплавов с целью создания металлических конструкционных материалов с оптимальными физико-механическими характеристиками и химическим составом, стойких к ВР и КРН.
36
2. Результаты и их обсуждение
2.1. Выбор критериев разрушения, оценки длительной прочности и характеристика исследуемых образцов
Основным способом изучения кинетики процесса коррозионно-механического разрушения арматурных сталей в водородосодержащих средах является оценка изменения их физико-механических свойств после наводороживания. Из анализа экспериментальных данных по влиянию водорода на свойства сталей следует, что при кратковременных механических испытаниях водородная хрупкость проявляется главным образом в снижении пластичности, а такие механические характеристики как прочность, текучесть, твердость, модуль нормальной упругости существенно не меняются при умеренном наводороживании. Из этого следует, что для оценки влияния водорода рационально использовать все методы испытаний, характеризующие пластичность сталей: испытания на изгиб, растяжение для определения относительного удлинения, сужения и др.
При разработке методики лабораторных испытаний наиболее важными являются следующие моменты: 1) выбор типа испытательного образца (гладкие образцы, образцы с мягкими концентраторами напряжений или образцы с предельно острыми концентраторами в виде усталостных трещин); 2) выбор вида напряженного состояния - создания растягивающих напряжений; 3) выбор быстродействующей среды, вызывающей наво-дороживание [10].
По данным работы [11] различают следующие методы испытаний на ВР: 1) Наводороживание ненапряженного металла и последующие механические испытания (после прекращения наводороживания);
2) Наводороживание предварительно деформированного металла и последующие механические испытания (после прекращения наводороживания);
3) Одновременное наводороживание и испытание образца.
При выборе метода испытаний следует также учитывать, тот факт, что водород в процессе испытания способен десорбировать из металла, что приводит к уменьшению его концентрации в объеме исследуемого образца. В этом случае при использовании первых двух методов необходимо минимизировать время между наводороживанием образца и его установкой на испытательную машину. При использовании третьего метода необходимо обеспечивать герметичность коррозионной камеры, постоянную концентрацию водорода в электролите и поддерживать постоянное значение электродного потенциала.
На основе вышеизложенных рекомендаций исследование стойкости металлических материалов к коррозионно-механическому разрушению проводили по третьему методу на точеных и натурных образцах сталей гладкокатанного и периодического профиля 06.. .18 мм и I = 300.. .400 мм, как в исходном состоянии (горячекатанном/термоупрочненном), так и после последующей термической обработки. Длина рабочей части образца,
37
находившейся в специальной коррозионной камере в контакте с агрессивной средой, составляла 80...100 мм. Для устранения разрушения в зоне пробки и на линии раздела (поверхность агрессивной среды - воздух) образцы изолировали клеем БФ. В целях исключения разброса данных из-за повреждений или загрязнений поверхности (задиры, окалина, масляные пятна и т.д.) образцы перед испытанием тщательно осматривали, а отобранные подвергали обезжириванию.
Многообразие условий, при которых хрупкое разрушение металлических деталей и конструкций, породило большое количество методов определения характеристик коррозионно-механического разрушения. Ускоренные лабораторные испытания проводятся на оборудовании, в котором напряженное состояние образца достигается различными способами. В зависимости от способа создания напряженного состояния (одноосное растяжение, растяжение при изгибе и натяжение на неподвижные опоры) в процессе эксперимента может изменяться как уровень растягивающих напряжений, так и деформация образца.
Выбор способа создания статистических растягивающих напряжений (приложение к образцу постоянного по величине груза или постоянной деформации) необходимо проводить с учетом индивидуальных особенностей работы материала и поставленных задач. Арматурный стержень предварительно напряженной железобетонной конструкции работает практически на одноосное растяжение. Увеличение растягивающих напряжений вследствие изгиба стержня при предельных прогибах 1/200 пролета конструкции не превышает 1.2 % и может не учитываться. Поэтому при исследовании процесса коррозионно-механического разрушения арматурных сталей наиболее целесообразным способом следует считать одноосное растяжение при постоянной нагрузке, так как данный способ наиболее точно воспроизводит реальные условия эксплуатации стальных конструкций и позволяет получать более точные результаты. В этой связи испытания проводили на рычажных установках в условиях одноосного статического нагружения (при постоянной растягивающей нагрузке) при напряжениях оЭ = (0,1... 0,9)ов.
Критерием стойкости против КРН и ВР считается время до разрушения образцов в интервале допустимых напряжений рабочей арматуры. Существенное влияние на этот процесс оказывает способ создания напряженного состояния. Так по данным работы [12] с ужесточением способа его создания время до разрушения образцов испытываемых в агрессивных водородсодержащих средах уменьшается, что ведет к снижению разброса экспериментальных данных.
Стойкость стали против коррозионно-механического разрушения оценивали временем до разрушения по результатам испытаний 4-6 образцов на каждую экспериментальную точку графика. Графические зависимости строили в координатах приложенное напряжение - время до разрушения (оЭ-тР).
Материал считали стойким к растрескиванию в водородсодержа-щих средах при следующих условиях [13-17]:
1) для водородного растрескивания - разрушение не происходит после 200 ч испытаний при величине статических растягивающих напряжений не менее 75% от критического разрушающего напряжения;
2) для коррозионного растрескивания под напряжением - разрушение не происходит после 100 ч испытаний при величине статических растягивающих напряжений не менее 75% от критического разрушающего напряжения.
Для проведения испытаний использовали специальные коррозионные камеры, разработанные Н.Н. Сергеевым [12].
2.2. Выбор состава и температуры агрессивной среды
По общепринятой методике [15-17] ускоренные испытания арматурных сталей проводят в кипящем растворе нитратов. Выбор данной среды стал традиционным. Он обусловлен достаточной экспрессностью испытания и соответствием видов получаемых разрушений, наблюдаемым практически.
Гудремон [18] указывает, что стали, выдержавшие испытания в кипящем растворе нитратов - 60% Са^Оэ^ + 5% N^N03 + 35% Н2О - показывают хорошую сопротивляемость разрушению и в реальных условиях эксплуатации.
Логан [19] считает, что выбор растворов нитратов для испытаний на коррозионное растрескивание малоуглеродистых и низколегированных сталей объясняется, вероятнее всего, легкостью доведения образцов до разрушения и поддержания растворов при температуре кипения во время эксперимента.
В связи с этим, в качестве среды, вызывающей КРН использовали кипящий раствор нитратов (60% Са^03)2 + 5% N^N03 + 35% Н20) при различны температурах (20 .110 0С).
Однако испытания в кипящих растворах нитратов нельзя считать достаточными, т.к. в реальных условиях эксплуатации строительных конструкций встречаются кислые и сероводородсодержащие среды, особенно промышленной атмосферы, которые по отношению и к бетону, и к стали являются более агрессивными [20].
Специфические свойства водорода, связанные с его высокой подвижностью в металлах и легкостью перераспределения под действием градиента напряжений, температур и электрических потенциалов, делают возможным критическое обогащение водородом локальных объемов деталей и элементов конструкций, хотя его среднее содержание в металле заведомо меньше тех концентраций, при которых возможно развитие водородной хрупкости. Таким образом, использование водородсодержащих сред позволяет моделировать в широких пределах различные эксплуатационные ситуации, приводящие к разрушению.
Коррозионный раствор, вызывающий наводороживание, при испытании арматурной стали на длительную прочность должен обеспечивать стабильные условия эксперимента и иметь следующие свойства:
1. Создавать водородное охрупчивание, которое должно быть причиной разрушения образцов, а не общую или локальную коррозию, приводящая к уменьшению полезного сечения образца.
2. Хрупкое разрушение должно происходить в коррозионной среде, как при катодной поляризации образца от внешнего источника тока, так и без поляризации.
3. Материал вспомогательного электрода (анода) при катодной поляризации должен обеспечивать процесс наводороживания с постоянным режимом и не препятствовать адсорбции и диффузии водорода в образец.
4. Состав, концентрация и входящие компоненты коррозионной среды должны как можно меньше отличаться от возможных реальных агрессивных сред, встречающихся при эксплуатации железобетонных конструкций в загрязненных атмосферах химических и металлургических заводов, в термических и гальванических цехах, а также в животноводческих помещениях или имитировать их.
В качестве наводороживающих сред применяют в основном водные растворы соляной, серной и других кислот с различными добавками (стимуляторами наводороживания), а также растворы, содержащие сероводород. Кроме того, вышеуказанные среды дают возможность учитывать и анализировать по существу почти все наиболее характерные виды коррозии бетона и металла, с которыми приходиться встречаться в условиях нефтехимических производств.
Для определения сравнительной стойкости против коррозионно-механического разрушения проводят ускоренные лабораторные испытания арматурной стали на стойкость к хрупкому разрушению в водородсодер-жащих средах при одновременном воздействии среды и растягивающих напряжений.
При выборе водородсодержащей среды для ускоренных лабораторных испытаний исходили из того, что ее действие должно соответствовать действию среды в реальных условиях работы конструкции, (характер разрушения в лабораторных и эксплуатационных условиях должен быть одинаковым), и, вместе с тем, она должна обеспечивать сокращение длительности лабораторных испытаний. Однако при выборе среды следует учитывать, что ее реальный состав практически не поддается полному воспроизведению. В связи с этим следует выбирать такой состав агрессивной среды, который обеспечивал бы хрупкое разрушение исследуемых образцов за счет ВР.
На длительную прочность арматурных сталей также оказывает влияние вид среды и ее концентрация. Авторы работы [20] отмечают, что повышение концентрации кислых сред увеличивает склонность стали к
хрупкому разрушению. Для выяснения влияния концентрации растворов электролитов на чувствительность стали к коррозионному разрушению проводили испытания образцов, выполненных из стали 80С в водных растворах H2SO4 и HCl различных концентраций при одинаковом уровне растягивающих напряжений оЭ = 0,6ов МПа. Результаты исследования приведены на рис. 1.
В приведенных коррозионных растворах с повышением концентрации от 2 до 10% наблюдали плавное сокращение времени и затем даже незначительное повышение стойкости, которое вероятно связано с изменением в этом интервале концентраций скоростей наводороживания и коррозии напряженного образца. При дальнейшем повышении концентрации наблюдали уменьшение стойкости, причем в растворах H2SO4 при увеличении концентрации свыше 45% происходит увеличение стойкости. Из приведенных графических зависимостей (рис. 1) видно, что сталь 80С обнаруживает меньшую стойкость в растворах HCl, что можно объяснить специфическим влиянием анионов хлора.
Тр, час 30
25
20
15
10
5
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
С, %
Рис. 1. Кривые зависимости времени до разрушения образцов из стали 80С от концентрации (C, %) водных растворов кислот:
1 - HCl; 2 - H2SO4
Далее исследовали влияние концентрации агрессивной среды, на скорость протекания коррозионного процесса. В качестве объекта исследования была принята сталь 35ГС периодического профиля 010 мм. Весовые потери в растворах H2SO4 различной концентрации определяли по прошествии 200 часов испытаний.
Из приведенных результатов (рис. 2) видно, что повышение концентрации до 16% H2SO4 увеличивает скорость коррозии; повышение уровня растягивающих напряжений также ускоряет рассматриваемый процесс.
Дш, г
8
6 4 2 О
О 2 4 6 8 10 12 14 16
С, %
Рис. 2. Влияние концентрации растворов H2SO4 на весовые потери стали 35ГС (при базе испытаний 200 часов) при напряжениях (аз, МПа): 1 - 0, 7ав; 2 - 0,5ов
Многолетними исследованиями процесса ВР было обнаружено, что несколько типов соединений способствуют проникновению водорода в металлы как из жидкой, так и из газообразной среды. Стимуляторы наводо-роживания, проявляют максимальный эффект при относительно низких концентрациях. Основными стимуляторами наводороживания являются:
1. Некоторые соединения элементов V-A (P, As, Sb, Bi), и VI-A (S, Se и Te) групп периодической системы. При прочих равных условиях -концентрации, типа химического соединения, состава и температуры среды, условий применения эти элементы можно расположить по убывающей способности в следующей последовательности [21]:
P > S > As > Se > Sb > Te > Bi.
2. Следующие анионы: С^(цианид), СШ"(роданид) и Г(йодид).
3. Следующие соединения углерода: CS2 (сульфид углерода), СО (монооксид углерода), CON2H4 (мочевина) и CSN2H4 (тиомочевина).
В процессе электролитического наводороживания с катодной поляризацией стимуляторами наводороживания являются также Hg, Sn, Pb.
Применение кислых растворов связано с некоторыми проблемами. Например, в сульфидных растворах, когда поверхность металла подвергается сильному разрушению, оставшееся сечение испытывает увеличение растягивающих напряжений, в результате чего может возникнуть его вязкое разрушение. Использование сероводорода требует поддержания необходимой концентрации раствора в процессе испытаний и соблюдения специальных мероприятий по технике безопасности. Кроме того, в данном случае незначительная долговечность образцов может завуалировать различия в поведении материалов.
Таких проблем не возникает при использовании в качестве наводо-роживающей среды водного раствора роданистого аммония МН4С№ с концентрацией 20%. В этом случае хрупкие разрушения происходят без макровоздействия на поверхность образцов, поскольку среда является слабокислой и обладает способностью к наводороживанию поверхности материала. По данным работы [22] при использовании роданистого аммония NH4CNS с концентрацией менее 20% содержание диффундирующего водорода в образцах можно контролировать в широких пределах, что позволяет воспроизводить условия эксплуатации как в слабо-, так и сильноагрессивных водородсодержащих средах.
В связи с чем для стимуляции процесса наводороживания использовался родонит аммония (тиомочевина) КН4С№ (2,5 %). Применение указанного стимулятора обусловлено тем, что присутствующие в растворе электролита ионы вследствие их сильной предпочтительной адсорбции на катоде, резко уменьшают число активных участков поверхности, доступных для адсорбции атомов водорода, что приводит к увеличению количества последних, проникающих вглубь металла [23].
Для определения состава и концентрации коррозионного раствора, вызывающего водородное растрескивание, а также режимов поляризации были проведены специальные исследования на стали марки 35ГС (012 мм). Виды испытательных сред, режимы поляризации и время до разрушения образцов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние состава коррозионной среды и катодной поляризации на длительную прочность стали 35ГС (012 мм)
№ п/п Состав коррозионного раствора Плотность тока катодной поляризации Dk, А/м2 Время до разрушения (час) при оэ =0,6gb, МПа
1 2,5% NH4CNS 0 200*
60 9
2 3% HCl 0 16
60 1,58
3 4,5% H2SO4 0 5,17
60 2,67
4 3% HCl + 2,5% NH4CNS 0 24
60 0,75
5 4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS 0 13,67
60 1,33
*Образцы не разрушились после 200 ч испытаний.
Из приведенных данных видно, что при добавке роданистого аммония и увеличении плотности катодного тока до 60А/м2 время до разрушения арматурной стали в кислых средах резко уменьшается. Незначитель-
43
ное различие в стойкости образцов в рассматриваемых коррозионных средах возможно объяснить различиями в воздействии анионов 804 и С1 в сочетании с группой С№. Хлор является активатором анодного процесса и вследствие очень малых размеров иона обладает способностью проникать в мельчайшие поры и несплошности в окисных пленках на металлах, ускоряя процесс разрушения последних. Для устранения этого эффекта, способного маскировать водородное растрескивание при проведении ускоренных лабораторных испытаний наводороживание образцов осуществляли в водном растворе серной кислоты с добавлением роданистого аммония (4,5% И2804 + 2,5% КИ4СШ) при комнатной температуре с катодной поляризацией при плотности тока БК = 60 А/м2, так и без нее.
Для уточнения превалирующего фактора, который является ответственным за процесс хрупкого разрушению использовали метод электрохимической поляризации. На рис. 3 представлена полная кривая стойкости арматурной стали 80С при анодной и катодной поляризации.
При электролитическом наводороживании сталей плотность катодного тока БК определяет интенсивность миграции ионов водорода к катоду. Так по данным работы [24] с увеличением БК эта интенсивность растет и достигает максимума в интервале 100... 1000 А/м2 в зависимости от условий эксперимента. Дальнейшее увеличение плотности катодного тока не приводит к усилению эффекта наводороживания, что может быть связано с ограниченной способностью металла поглощать водород, а также с образованием вокруг катода сплошной зоны пузырьков водорода, препятствующей контакту электролита с металлом.
Тр. час
64
48
32
16
< А
1 1т
} —\ у ■- » 3000
300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 А/м2 ч---► О^ А/м2
Рис. 3. Влияние анодной и катодной поляризации на хрупкое разрушение стали 80С при аэ = 600 МПа в водном растворе 4,5% H2SO4 + 2,5% N^€N8; точка А соответствует стойкости образцов без поляризации
44
Проведенные экспериментальные исследования арматурной стали 80С (рис. 3) показали, что ее стойкость при напряжении 600 МПа в зависимости от плотности тока катодной поляризации изменяется по куполообразной кривой. Так при малом увеличении плотности катодного тока наблюдается резкое увеличение стойкости, исследуемой арматурной стали с последующим, таки же резким, ее снижением. Резкое увеличение стойкости при малых плотностях катодного тока показывает, что в данном коррозионном растворе, наряду с водородной деполяризацией, активно протекают анодные процессы, которые подавляются при катодной поляризации. При плотности катодного тока БК = 60 А/м2 наблюдается уменьшение падения стойкости и при плотности тока большей, чем 300 А/м2, стойкость практически не изменяется. Полученные результаты хорошо согласуются с вышеизложенными представлениями о влиянии катодной поляризации на стойкость стали к водородному растрескиванию.
Анодная поляризация препятствует адсорбции водорода на поверхности образца, а также сглаживает разность потенциалов, обусловленную концентраторами напряжений, что приводит к увеличению стойкости. При последующем увеличении плотности анодного тока ускоряется электрохимическое растворение образца, что приводит к образованию микротрещин и к коррозионному растрескиванию под напряжением. При плотности тока, превышающей 300 А/м2, время до разрушения практически не изменялось вследствие ограниченной возможности поверхности металла поглощать водород, а также из-за образования вокруг катода сплошной рубашки из пузырьков водорода, препятствующих контакту среды с образцом.
Представляет интерес проследить, как изменение температуры эксперимента влияет на длительную прочность стали при испытании в принятой экспериментальной коррозионной среде. Исследование проводили на стали 20ГС2 при температурах 25 и 100 0С.
Полученные результаты показали (рис. 4) показали, что при повышении уровня растягивающих напряжений наблюдается резкое снижение стойкости как при комнатной, так и при повышенных температурах. Причем при уменьшении величины растягивающих напряжений менее 600 МПа наблюдается пересечение этих кривых и значение стойкости в среде при температуре 100 О оказывается несколько выше. Вероятно, это вызвано более интенсивной релаксацией локальных микронапряжений, происходящих при 100 О [25], чем при комнатной температуре и изменением степени насыщения металла водородом.
Для определения влияния состава коррозионной среды, катодной поляризации и растягивающих напряжений на длительную прочность в агрессивных средах были проведены испытания арматурной стали 20ГС2 010 мм после ВТМО со структурой бейнита. Химический состав и механические свойства приведены в табл. 2.
45
- 1
2^
оэ, МПа 900
800
700
600
500
400
300
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Тр, час
Рис. 4. Влияние температуры эксперимента на длительную прочность
стали 20ГС2 в водном растворе 4,5% H2SO4 + 2,5% ИИ4СШ (Бк = 60 А/м2):1 — длительная прочность при 25 °С; 2 — длительная прочность при 100 °С
Таблица 2
Химический состав и механические свойства стали 20ГС2
Вид обработки поверхности Механические характеристики Содержание элементов, %
ов, МПа 00,2, МПа 5з, % C Mn Si S P
Периодический профиль 1300 1200 4,3 0,19 1,13 2,17 0,040 0,016
Из приведенных результатов (рис. 5) следует, что по мере ужесточения условий эксперимента наблюдается уменьшение длительной прочности. Также полученные результаты показывают, что с уменьшением уровня растягивающих напряжений стойкость исследуемой стали в принятых коррозионных растворах, увеличивается.
На рис. 6 приводятся изменения механических свойств в растворах, вызывающих КРН и ВР в зависимости от времени выдержки и температуры эксперимента.
Анализ полученных результатов (рис. 6) показал, что в зависимости от времени выдержки в коррозионной среде наблюдается незначительное изменение предела прочности и в большей степени предела текучести, что можно объяснить протеканием адсорбционных явлений, электрохимических и диффузионных процессов, которые могут приводить как к упрочнению, так и незначительному пластифицированию поверхности образцов. Наблюдается последовательное чередование процессов упрочнения и разупрочнения, которые могут вызываться локальным микронаклепом и релаксацией остаточных напряжений. Моменту наибольшего разупрочнения соответствует незначительная пластификация образца, что отражается
46
на его удлинении (рис. 6). Несмотря на различие в воздействии применяемых сред, наблюдаются в основном одинаковые процессы, обусловленные незначительным изменением механических свойств, вероятно вызванные созданием дополнительных локальных микронапряжений в поверхностном слое и нарушением сплошности металла. Увеличение температуры эксперимента ускоряет протекание этих процессов.
аэ, МПа
1000 900 800 700 600 500 400 С
1 2 3 4
Тр, час
а
оэ, МПа 1 ТПЛ
1000 800 600 400 ( %
\
\ •--
--- ► 0 ас
) 5 10 15 20 25 3
б
Рис. 5. Длительная прочность арматурной стали 20ГС2: а - водный раствор
серной кислоты 4,5% И2804 + 2,5% МИ4СМ8 (Бк = 60 А/м2); б - кипящий раствор нитратов 60% Са(М0з)2 + 5% N^N03 + 35% И2О при температуре 110 °С; в - водный раствор серной кислоты 4,5% И2804 + 2,5% NИ4CNS
47
а
85, % 20
15
10
— з ---* /Г 1
»- --- - У
10
т, час
б
Рис. 6. Влияние длительности выдержи на изменение пределов прочности и текучести (а); пластичности (б) точеных образцов из стали 20ГС2 после ВТМО: 1, 2 — в водном растворе серной кислоты
4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS; 3, 4— в кипящий раствор нитратов 60% Са^Оз}2+5% N^N03 + 35% Н2О при температуре 20 °С (1, 3) и при 110 °С (2, 4). Значения на графике (а) в диапазоне 1300. ..1400 МПа соответствуют пределу прочности; в диапазоне 1150.1300 МПа соответствуют пределу текучести
Для уточнения физической природы механизма изменения механических свойств образцы перед испытанием были дополнительно подвергнуты катодной поляризации в водном растворе 4,5% H2SO4 + 2,5% КИ4С№ при плотности тока БК = 60 А/м2 (рис. 7).
На рис. 7 отсутствует изменение механических свойств в первоначальный период времени, что объясняется подавлением электрохимических процессов на поверхности образца за счет катодной поляризации. Электролитическое наводороживание приводит к более интенсивному поверхностному упрочнению за счет диффузии водорода [27] и его молиза-ции в приповерхностных дефектах, создания дополнительных локальных микронапряжений, приводящих к изменению субструктуры и микронакле-
48
пу, что вызывает увеличение оВ, оод и сокращение 65, зависящих от времени выдержки. Из приведенных результатов экспериментов видно, что при контакте с коррозионной средой сталь незначительно изменяет свои механические свойства.
о, МПа
5„ %
1400
1350
1300
1250
1200
-/ -ов
/ ь \
- °0,2
15
14
13
12
11
10
0,5
1,5
2,5
т, час
Рис. 7. Влияние длительности выдержи на изменение механических свойств образцов из стали 20ГС2 при выдержке в водном растворе 4,5% И2804 + 2,5% МИ4С№ с катодной поляризацией (Бк = 60 А/м2)
при комнатной температуре
Далее исследовали совместное воздействие среды и растягивающих напряжений на механические свойства. На рис. 8 представлено влияние растягивающих напряжений и температуры агрессивной среды на механические свойства при испытании в растворах нитратов. При их сравнении с результатами, приведенными на рисунке 5 (в растворах нитратов) видно, что при приложении растягивающей нагрузки наблюдается более активное изменение механических свойств, особенно при температуре раствора 110 0С. Нельзя однозначно сказать, чем конкретно вызвано это изменение и образуются ли при этом микротрещины или другие дефекты структуры.
Воздействие на напряженный металл сред, вызывающих наводоро-живание, приводит к более резкому изменению механических свойств (рис. 9).
Дополнительная катодная поляризация образца в напряженном состоянии приводит к еще более резкому изменению механических характеристик (рис. 9). В зависимости от уровня растягивающих напряжений происходит ускорение процесса зарождения микротрещин и их лавинообразное развитие, что приводит к резкому разупрочнению образца. Из приведенных рис. 9-10 видно, что диффундирующий водород при наличии растягивающих напряжений может привести к необратимой водородной хрупкости.
а, МПа 1400
1350
1300
1250
1200
0,5
1,5
2 —■--•
-- ^ 1 3
Г 1
2,5
3
т, час
а
а, МПа 1400
1350
1300
1250
1200
--■*
- < Г/—♦ ^ -1 "С - 3 ----
-- 1, 2 - 3
0,5
1,5
2,5
5;, % 20
15 10
0,5
б
/2 к' —« ,г -•
Т-1-Г
1,5
2 2,5
т, час
85, 20
15 10
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
т, час
г
Рис. 8. Влияние длительности выдержи на изменение пределов прочности и текучести (а, б); пластичности (в, г) точеных образцов из стали 20ГС2 при выдержке в растворе нитратов под напряжением при температуре 20 °С (а, в) и 110 °С (б, г): 1 - аэ = 0,5 аь; 1) аэ = 0,5ое; 2 - аэ = 0,6аь; 3 - аэ = 0,7аь. Значения на графиках (а, б) в диапазоне 1300.1400МПа соответствуют пределу прочности; в диапазоне 1200.1300 МПа соответствуют пределу текучести 50
в
%
6,% 20
15
10
а
2 1
20
т, час
б
Рис. 9. Влияние длительности выдержи на изменение пределов прочности и текучести (а, б); пластичности (в) образцов из стали 20ГС2 при выдержке
в водном растворе 4,5% И2804 + 2,5% МИ4С№ под напряжением при температуре 25 °С: 1 - аэ =0,5 ав; 2 - аэ =0,6об; 3 - аэ =0,7об Значения на графике (а) в диапазоне 1300...1400 МПа соответствуют пределу прочности; в диапазоне 1150.1300 МПа соответствуют
пределу текучести
а б в
Рис. 10. Влияние длительности выдержи на изменение пределов прочности (а) текучести (б); пластичности (в) образцов 20ГС2 при выдержке в водном растворе 4,5% И2804 + 2,5% МИ4С№ с катодной поляризацией (Бк = 60 А/м2) под напряжением аэ, МПа: 1) 0,5ав; 2) 0,6ав; 3) 0,7ав
51
Выводы
1. Длительные испытания в водородсодержащей среде убедительно показывают, что в зависимости от интенсивности наводороживания резко изменяется стойкость против хрупкого разрушения (рис. 5).
2. Таким образом на основе вышеизложенных соображений и экспериментальных результатов в качестве сред вызывающих коррозионно-механическое разрушение образцов арматурных сталей были приняты следующие коррозионные растворы: 1) при исследовании процесса КРН - кипящий раствор нитратов (60% Ca(NÜ3)2 +5% NH4NO3 + 35% H2O) при температурах 20.110 0С; 2) при исследовании процесса ВР использовали водный раствор серной кислоты с добавлением роданистого аммония (4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS) при комнатной температуре с катодной поляризацией при плотности тока DK = 60 А/м2, так и без нее.
3. Приведенная методика позволяет достаточно экспрессно определять стойкость против водородного растрескивания. Время до разрушения образца при этом значительно меньше, чем при испытании в кипящих нитратных растворах. Применение стандартных разрывных машин и разработанной методики исследования коррозионно-механического разрушения на предприятиях, специализирующихся в производстве высокопрочной арматуры, позволит экспрессно определять очень важную характеристику арматурной стали - стойкость против хрупкого разрушения в коррозионной среде. Это будет способствовать расширению области ее внедрения в конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах.
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов [26-33].
Работа выполнена по проекту №11.6682.2017/8.9.
Список литературы
1. Шашкова Л.В. Фрактально-синергетические аспекты локальной микроповреждаемости и разрушения диффузионно-активированной водородом стали: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07 / Шашкова Лидия Владимировна. М., 2014. 336 с.
2. Шаповалов В.И. Легирование водородом. Днепропетровск.: Журфонд, 2013. 385 с.
3. Hirth J.P. Effects of hydrogen on the properties of iron and steel // Metall. Trans. A. 1980. V. 11A. P. 861-890.
4. Troiano A.R., Hehemann R.F. Stress corrosion cracking of ferritic and austenitic stainless steels / Hydrogen Embrittlement and Stress Corrosion Cracking; R. Gibala and R.F. Hehemann (ed.). ASM, 1995. P.231-248.
5. Birnbaum H.K. Mechanisms of hydrogen related fracture of metals / Hydrogen effects on materials behavior; N.R. Moody and A.W Thompson (eds). TMS. Warrendale, PA. 1990. P. 639-658.
6. Lynch S.P. Chapter 1: Mechanistic and fractographic aspects of stress-corrosion cracking (SCC) // Stress Corrosion Cracking. Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 3-89.
7. Lynch S.P. Chapter 2: Hydrogen embrittlement (HE) phenomena and mechanisms // Stress Corrosion Cracking. Woodhead Publishing Limited, 2011. P. 90-130.
8. Анализ теоретических представлений о механизмах водородного растрескивания металлов и сплавов / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Ку-тепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 3(72). С. 6-33.
9. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов, связанные с усилением дислокационной активности / Н.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 2(71). С. 32-47.
10. Разработка комплексной методики исследования кинетики замедленного разрушения высокопрочных сталей в водородсодержащих средах / С.Н. Кутепов, Д.М. Хонелидзе, Ю.Е. Титова, Н.Н. Сергеев, К.Н. Старикова // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 10-13 ноября 2015 г./ Сборник материалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 235-236.
11. Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлургиздат, 1962. 198 с.
12. Сергеев Н.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: дис. ... д-ра. техн. наук: 01.04.07 / Сергеев Николай Николаевич. Тула, 1996. 467 с.
13. ГОСТ Р 9.915-2010. Металлы, сплавы, покрытия и изделия: Методы испытаний на водородное охрупчивание. М.: Стандартинформ, 2011. 36 с.
14. ASTM F519-17. Standard Test Method for Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating/Coating Processes and Service Environments / in: Annual Book of ASTM Standards, ASTM International, West Con-shohocken, PA, USA, 2017.
15. ГОСТ 9.901.1-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание. М.: Издательство стандартов, 1993. 21 с.
16. ГОСТ 9.901.4-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Испытания на коррозионное растрескивание образцов при одноосном растяжении. - М.: Издательство стандартов, 1993. 7 с.
17. ГОСТ 9.903-81. Единая система защиты от коррозии и старения. Стали и сплавы высокопрочные. Методы ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание. М.: Издательство стандартов, 1993. 16 с.
53
18. Гудремон Э. Специальные стали, в 2-х т. Том 1. / перевод с немецкого Займовского Л.С. М.: Металлургия, 1966. 734 с.
19. Логан Х.Л. Коррозия металлов под напряжением. М.: Металлургия, 1970. 340 с.
20. Водородное охрупчивание и растрескивание высокопрочной арматурной стали: монография / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 180 с.
21. Шрейдер А.В. Водород в металлах. М.: Знание, 1979. 64 с.
22. Takagi S., Toji Y. Application of NH4SCN aqueous solution to hydrogen embrittlement resistance evaluation of ultra-high strength steels // ISIJ International. 2012. V. 52 № 2, P. 329-331.
23. Futjita F. E. The role of hydrogen in the fracture of iron and steel / F.E. Futjita // Trans. Japan Inst. Metals. 1976. V. 17. P. 232-238.
24. Карпенко Г.В., Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей. Киев: Издательство «Техшка», 1971. 192 с.
25. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах / 2-е изд. М.: Металлургия, 1974. 352 с.
25. Сергеев Н.Н., Агеев В.С., Белобрагин Ю.А. Водородное охруп-чивание арматурной стали 20ГС2 при испытаниях на длительную прочность // Физико-химическая механика материалов. 1981. №1. С. 20-23.
26. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.
27. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода / В.П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11-22.
28. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. 4.I (обзор) / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2018. № 3. С. 27-33.
29. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. 4.II (обзор) / Сергеев Н.Н., А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2018. № 4. С. 20-29.
30. Формирование пластических зон около сферической полости в упрочненных низкоуглеродистых сталях в условиях водородной стресс-коррозии / Н.Н. Сергеев, В. А. Терешин, А.Н. Чуканов, А.Г. Колмаков, А.А. Яковенко, А.Н. Сергеев, И.М. Леонтьев, Д.М. Хонелидзе, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2017. № 12. С. 18-25.
31. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Колмаков А.Г. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением // Технология металлов. 2015. № 11. С. 17-29.
54
32. Влияние разнозернистости аустенита на кинетику перлитного превращения в мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталях / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д. А. Провоторов, И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Материаловедение. 2014. № 7. С. 23-26.
33. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов второго рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.
Сергеев Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, technology@tspu.tula.ru, Россия Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Сергеев Александр Николаевич, д-р пед. наук, профессор, ansergueev@mail.ru, Россия Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, kutepov.sergei@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Клементьев Денис Сергеевич, магистр педагогического образования, den-is.klementev.93@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Пантюхин Олег Викторович, канд. техн. наук, доцент, olegpantyukhin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF METHODS OF STUDY OF CORROSION-MECHANICAL FRACTURE OF REINFORCING STEELS IN HYDROGEN-CONTAINING ENVIRONMENTS
N.N. Sergeev, A.N. Sergeev, S.N. Kutepov, A.E. Gvozdev, D.S. Klement'yev, O.V. Pantjuhin
The article is devoted to the development of a comprehensive methodology for the study of corrosion-mechanical destruction of reinforcing steels during their tests for long-term strength in hydrogen-containing media. It is shown that depending on the conditions of hydrogenation (temperature and chemical composition of the corrosive medium, type of polarization), the mechanical properties of the reinforcement change dramatically in the initial period of the experiment. With a further increase in the holding time in a corrosive environment without polarization, there is no significant change in mechanical properties. The most stringent experimental conditions (characterized by a minimum time to failure and a sharp drop in mechanical properties) are realized under conditions of simultaneous cathodic hydrogenation and application of tensile stresses to the sample.
Key words: hydrogenation, long-term strength, mechanical properties, tensile stresses, cathodic polarization.
Sergeev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, professor, technolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical science, professor an-sergueev@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, kutepov.sergei@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical science, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Klement'yev Denis Sergeevich, Master of Pedagogical Education, den-is.klementev.93@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Pantjuhin Oleg Viktorovich, candidate of technical science, docent, olegpantyu-khin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.79; 621.941.01
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
СБОРНОГО ПОЛОГО КОРПУСА
Е.Н. Родионова, И. А. Матвеев
Рассмотрены основные операции технологии изготовления сборного полого корпуса: ротационная вытяжка, сварка, токарная обработка на станках с программным управлением. Указаны материалы исходных заготовок. Описана технологическая оснастка и режущий инструмент, применяемые на операциях токарной обработки составных частей корпуса до и после сварки. Приведены эскизы составляющих сборного корпуса. Сделан вывод о возможном влиянии специфических операций технологии изготовления на точностные характеристики готового изделия.
Ключевые слова: токарная обработка, ротационная вытяжка, сварка, технологическая наследственность.
На производстве, занимающимся изготовлением изделий специального назначения, стоит вопрос повышения точностной надежности обработки цилиндрических тонкостенных оболочек длиной более 1 м [1-3]. Цилиндрическая тонкостенная оболочка трубы двигателя представляет собой сборный полый корпус, состоящий из трубы задней и трубы передней,
объединенных между собой резьбовым соединением.
56
