Роль водорода в деградации и накоплении поврежденности малоуглеродистой стали Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 539.3

РОЛЬ ВОДОРОДА В ДЕГРАДАЦИИ И НАКОПЛЕНИИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

© А. А. Яковенко

Тульский государственный университет, г. Тула, Россия, e-mail: Alexyakovenk@gmail.com

Ключевые слова: малоуглеродистые стали; наводороживание; пластическая деформация; деградация; внутреннее трение; неупругие эффекты.

На основе комплексного анализа неупругих эффектов внутреннего трения (Снука, водородного максимума Снука-Кестера, деструкционного эффекта) изучали влияние водородсодержащих сред и роль водорода в развитии деградации и накоплении поврежденности малоуглеродистой стали.

ВВЕДЕНИЕ

Промышленные изделия, узлы и агрегаты, элементы конструкций, как правило, работают в агрессивных водородсодержащих средах (коррозионных, эрозионных). Водород, проникая в металл изделия и абсорбируясь в нем, изменяет химический состав, структуру, а также перераспределяет поля внутренних напряжений. Эти процессы, обобщенные термином «деградация», подготавливают и стимулируют развитие микроне-сплошностей различного масштабного уровня [1, 2].

Перспективным методом измерения диффузионных характеристик водорода, а также параметров суб- и микроструктуры в ходе развития деградации и деструкции является метод внутреннего трения (ВТ).

На температурных зависимостях ВТ (ТЗВТ) фиксируют комплекс неупругих эффектов (НЭ), максимумов, отражающих изменение фазового состава, морфологии фаз, процессы перераспределения растворенных и собственных атомов, формирование суб- и микроне-сплошностей. Принципиальное преимущество ВТ в фиксации перечисленных процессов на самых ранних этапах деградации [3, 4].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение влияния коррозионного воздействия (насыщение водородом) на развитие деградации и повреждаемости с помощью метода внутреннего трения.

ТЕОРИЯ

В ходе развития деградации и деструкции сталей, подвергнутых наводороживанию, на ТЗВТ в диапазоне -100...200 °С фиксируют следующие неупругие эффекты: водородный максимум Снука-Кестера (СК(Н)), максимум Снука, а также специфический деструкци-онный максимум (Д), имеющий место в поврежденных образцах. Наблюдаемый водородный максимум Снука-Кестера обусловлен диффузией под напряжением атомов водорода вблизи неподвижных атомов кислорода или азота в сталях с ОЦК решеткой. Эффект Снука -следствие упорядочения под напряжением примесей

внедрения (атомов азота и углерода) в а-Ее [5]. Появление деструкционного максимума на ТЗВТ связано с изменением дислокационной динамики у структурных дефектов и дефектов поврежденности (микротрещин) [2].

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы углеродистой стали 20 и стали марки Ст3 (I = 200 мм, ё = 8 мм).

МЕТОДИКА

Коррозионное воздействие имитировали электролитическим насыщением водородом (катодная поляризация в растворе Н2ВО4 [6]). Интенсивность воздействия варьировали длительностью насыщения (1.30 часов) при плотности тока / = 150 А/м2. Стимуляторы -тиомочевина и роданистый аммоний [6].

Анализировали комплекс параметров НЭ ВТ, полученных в диапазоне от -100 до 200 °С при среднечастотных (резонансные изгибные колебания / ~Ы0-3с-1) измерениях амплитудных и температурных зависимостей ВТ (АЗВТ и ТЗВТ) (ГОСТ 25156-82). Скорость нагрева 2 град./мин.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

На ТЗВТ фиксировали ряд максимумов ВТ (рис. 1):

1 - водородный максимум Снука-Кестера, 2, 3 - дест-рукционные максимумы, 4 - максимум Снука.

Компьютерный анализ максимума 1 позволил выявить два образующих его пика 1А (Тт = -89,3 °С, 2_1т = 1,38-10-4, Н = 11,4 кДж/моль) и 1В (Тт = -54,5 °С, д1т = 3,58-10-4, Н = 23,4 кДж/моль). Сложный характер максимума 1 объясняется взаимодействием одиночных атомов водорода (максимум СКн(а)) и их парных комплексов (СКн(м)) с геометрическими перегибами на невинтовых дислокациях. Деструкционные максимумы

2 и 3 отражают образование перегибов с винтовой ориентацией (8-типа) (максимум 2) и перегибов с винтовой и краевой ориентацией (е-типа) (максимум 3) на дисло-

кациях, расположенных в локальных зонах концентраций напряжений вблизи вершин микротрещин. Анализировали зависимости параметров перечисленных максимумов от длительности электролитического наводо-роживания (рис. 2, 3).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Развитие деградации и накопление поврежденности оценивали комплексно по параметрам НЭ ВТ. Вместе с процессами накопления поврежденности в материале происходят деградационные процессы: перераспределение углерода, взаимодействие атомов внедрения с дислокациями, о которых судим по изменению параметров максимумов Снука, водородного максимума Снука-Кестера, а также по изменению фона ВТ, АЗВТ.

При увеличении длительности наводороживания растет высота максимума СК(Н), что объясняли диффузией атомов водорода в область максимальных трехосных напряжений как следствие градиента химического потенциала. Процесс диффузии атомов водорода протекает до выравнивания химического потенциала во всех областях системы, о чем свидетельствует стабилизация процесса при длительности наводороживания более 15 ч (рис. 2).

Рост величины деструкционного максимума ВТ (рис. 3) объясняется как повышением плотности дислокаций, так и повышением количества дефектов по-врежденности в процессе увеличения длительности наводороживания. Уменьшение высоты деструкцион-

ного максимума, обусловленного формированием перегибов 8-типа после 15 ч наводороживания можно связать с тем, что при насыщении металла водородом возникающие локальные микронапряжения по достижению критического состояния быстро релаксируют за счет образования большого количества субмикротрещин. Максимум Д(8) характеризуется более низкой энергией активации и, соответственно, является более вероятным процессом, чем максимум Д(е).

Зависимость изменения высоты максимума Снука (рис. 4) подтверждает предположение об образовании углеводородов в результате электролитического наво-дороживания.

Анализ полученных результатов показал, что длительность электролитического наводороживания образцов стали Ст3 до 15 ч (/' = 150 А/м2) характеризуется интенсивным проникновением водорода в металл (рис. 2), повышением как плотности дислокаций, так и повышением количества дефектов поврежденности, интенсивным ростом плотности микротрещин (рис. 3, 6, 7).

Увеличение фона ВТ (рис. 5) связано с эффектом развития микродеформации при наводороживании, вызванного высоким давлением молекулярного водорода в трещинах.

Микроскопический анализ, выполненный в работе [7] на наводороженных образцах стали Ст3 (рис. 8), подтверждает последовательность развития процесса накопления поврежденности.

10

Ъ 4

2

1

ч л»

л*

■ Нагрев

■ Охлаждение

-100 -50 0 50 100

Рис. 1. ТЗВТ наводороженной стали Ст3 (/' = 150 А/м2, т = 25 ч)

150

200 I, °С

0"1ск(Н),Ю4

х, ч

Рис. 2. Зависимость высоты водородного (1 - СК„(а), 2 - СК„(м)) максимума Снука-Кестера от времени наводороживания для стали Ст3 (1 = 150 А/м2)

\

1 \

2

О 5 10 15 20 25 30

т, ч

Рис. 3. Зависимость высот деструкционных максимумов (1 - Д^), 2 - Д(е)) от времени наводороживания для стали СтЗ j = 150 А/м2)

О1 с, 1СГ4 у = -0,0049х + 0,5157

0 5 10 15 20 25 30

X, Ч

Рис. 4. Зависимость высоты максимума Снука от времени наводороживания для стали СтЗ ( = 150 А/м2)

Рис. 5. Зависимость изменения фона внутреннего трения от времени наводороживания для стали СтЗ (j = 150 А/м2)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты подтвердили предположение о наличии диффузии атомов водорода к постоянно присутствующим технологическим трещинам и после-дущую молезацию в них. Контроль за параметрами дислокационно-примесного взаимодействия и измене-

нием дислокационной динамики в окрестностях эволюционирующих микротрещин позволил фиксировать диффузию и молезацию водорода, а также структурные последствия этих процессов. Таким образом, анализ спектра ВТ позволяет эффективно изучать развитие деградации и деструкции в сталях, содержащих водород.

R 10'6, м'2

0 5 10 15 20 25 30 35

X, ч

Рис. 6. Зависимость плотности микротрещин от длительности наводороживания для образцов стали марки СтЗ [7]

I., мкм

X, Ч

Рис. 7. Зависимость средних длин микротрещин от длительности наводороживания для образцов стали марки СтЗ [7]

т = 10 час т = 20 ч т = 30 час

Рис. 8. Развитие дефектов поврежденности в стали Ст3 при электролитическом наводороживании, х500 [7]

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин Д.М., Чуканов А.Н., Муравлева Л.В. Исследование повреждаемости трубных сталей по эффектам неупругой релаксации // Вестник Тамбовского университета. Тамбов, 1998. Т. 3. Вып. 3. С. 315-318.

2. Чуканов А.Н. Физико-механические закономерности формирования предельного состояния и развития локального разрушения в металлических материалах: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 2001. 39 с.

3. Чуканов А.Н., Яковенко А.А., Пуханова И.В. The complex analysis of substructural processes of degradation and destruction of metal on the basis of the internal friction's data // DFM2006/Book of articles. Moscow: Interkontakt Nauka, 2006. Р. 82-84.

4. Чуканов А.Н., Яковенко А.А. Развитие деградации и начальные стадии повреждаемости малоуглеродистой стали при деформировании // Известия ТулГУ. Серия Естественные науки. № 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 13-20.

5. Блантер М.С., Головин И.С., Головин С.А., Ильин А.А., Саррак В.И. Механическая спектроскопия металлических материалов. М.: МИА, 1994. 256 с.

6. Извольский В.В., Сергеев Н.Н. Коррозионное растрескивание и водородное охрупчивание арматурных сталей железобетона повышенной и высокой прочности. Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та, 2001. 163 с.: ил.

7. Муравлева Л.В. Автореф. дис. ... канд. тех. наук. Тула: ТПИ, 2005 .

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Yakovenko A.A. The role of nitrogen in degradation and evolution of damage in low-carbon steel. On the basis of the integrated analysis of anelastic effects of internal friction (Snoek, nitrogen Snoek-Koster relaxation, destruction effect) an estimate of role of nitrogen in degradation and in evolution of damage in low-carbon steels was done.

Key words: low-carbon steels; deformation; degradation; damage; internal friction; anelastic effects.