CC BY
56
Чирков Е.Ю., Ставишенко В.Г.
Оренбургский государственный университет Е-mail: chirkov_jenya@mail.ru
СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ СЕРОВОДОРОДНОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ ПРИ ЧИСТОМ СДВИГЕ
В статье описана методика оценки сопротивления металлов сероводородному растрескиванию. Получены математические зависимости, позволяющие по результатам одноосных испытаний сталей на сероводородное растрескивание прогнозировать их коррозионно-механические свойства при чистом сдвиге.
Ключевые слова: сероводородное растрескивание, испытания, чистый сдвиг, среда NACE.
Металлические конструкции, контактирующие с коррозионными средами, работают в условиях сложного напряженного состояния (НС), что оказывает влияние на сопротивление материалов сероводородному растрескиванию (СР).
При работе сварных конструкций возникают нормальные и касательные напряжения. Образование и активация повреждений металлов происходит в местах действия наибольших касательных напряжений и одновременно достаточно больших растягивающих напряжений. Исследователи неоднозначно оценивают роль касательных напряжений в процессе возникновения повреждений материалов при наводороживании.
Существующие методики коррозионно-механических испытаний на растяжение при чистом сдвиге далеки от совершенства из-за сложности оборудования, длительности испытаний, а также небезопасности их проведения для обслуживающего персонала. Поэтому представляется целесообразным создание методики и оборудования, позволяющих получать экспресс оценку сопротивления материалов СР при чистом сдвиге.
В зависимости от условий эксперимента на кручение проволочных образцов исследователи фиксируют либо релаксацию напряжений при постоянной деформации, либо микропластичес-кую деформацию прямого или обратного воздействия. Установлено [1] , что непосредственно после наводороживания пластичность материалов в условиях сдвиговых деформаций становится весьма незначительной. Отмечено также, что внешняя нагрузка существенно влияет на направление распространения водородных расслоений за счет значительного изменения распределения сдвиговых напряжений в области расслоений, вызванного давлением водорода.
Для оценки влияния касательных напряжений на свойства сталей при наводорожива-
нии предложена методика, позволяющая на обычных разрывных машинах при растяжении образца создавать в исследуемом участке материала напряженное состояние близкое к чистому сдвигу. Образцы, предназначенные для испытаний на растяжение, имеют прорези, расположенные под углом 450 к оси образца (рисунок 1). Данные образцы предложены Девисом для определения предела прочности при сдвиге листовой заготовки.
Предельная деформация при сдвиге в случае испытания плоских образцов [2]:
ер = ж/43 (1)
где 7 - угол отклонения вертикальной риски, нанесенной на образец в области перемычки до испытаний измеренный на инструментальном микроскопе с точностью до ±1 мин.
Согласно полученным данным, пластичность цилиндрических образцов снижается с увеличением концентрации сероводорода, а также времени наводороживания. Максимальную пластичность наводороженная сталь имеет при чистом сдвиге, а минимальную - в случае растяжения. При испытании плоских образцов в условиях чистого сдвига пластичность их после 48-96 ч предварительного наводороживания выше, чем образцов разрушенных в среде NACE без предварительной выдержки. Дальнейшее повышение времени предварительного наводо-
WL
\\
1 5 2
Рисунок 1. Схема образца для испытания материалов на сдвиг
роживания приводит к снижению степени деформации сдвига. Повышение концентрации сероводорода в среде NACE также снижает пластичность материала плоских образцов и время наводораживания.
Повышение пластичности при наводоро-живании плоских образцов в этом диапазоне (48-96 часов) выдержек объясняется снижением поверхностной энергии и уменьшением удельной энергии межфазных границ, а также снижением энергии барьеров Пайерлса под действием водорода [3], что обозначает межгранич-ное скольжение. Разрушению предшествует значительная пластическая деформация и разворот зерен вокруг направления перпендикулярного оси растяжения (рисунок 2). Кроме того, ускорение микропластической деформации при наводораживании деформированного (напряженного) железа связывают [4] с воздействием полей напряжений от проникающего в кристаллическую решетку водорода с полями напряжений, созданных предшествующей деформацией. Дальнейшее увеличение времени предварительного наводороживания приводит к преобладанию процесса молизации водорода в участках границ зерен с плохим сопряжением
а)
Рисунок 2. Коррозионные повреждения стали при исп после выдержки в среде КЛСЕ: а) 48 ч, 8=0,
кристаллических решеток смежных зерен под вышеописанными эффектами увеличения пластичности стали.
Взаимосвязь между значениями степени деформации при одноосном нагружении ( Л1) и при чистом сдвиге ( Л 2) имеет вид:
Л2 = аЛ^ + ЪЛ1 + с, (2)
где коэффициенты а, Ь, с определяют решением матричного уравнения.
При концентрации Н28, равной 1,5 г/л
Л2 = -2,71Л2 + 0,966Л1 - 0,018 , (3)
а при 3,0 г/л
Л 2 = -2,571Л2 + 1,986Л1 - 0,173 (4)
Зависимость между двумя вариантами нагружения с учетом концентрации Н28 можно представить в виде:
Л 2 = /1 (т) • К/1,5 + /2 (т) • (К /1,5 -1) (5)
где /1(т) и /2 (т) - правые части уравнений (3),
(4);
К - концентрации Н28 (г/л).
Полученные математические зависимости позволяют по результатам одноосных испыта-
б)
[тании на сдвиг в среде NACE медленным растяжением у H2S=1,5 г/дм3; б) 96 ч, s=0,5s^ H2S=3 г/дм3
ний сталей на сероводородное растрескивание прогнозировать их коррозионно-механические свойства при чистом сдвиге.
Установлено, что повышение сопротивления СР металла в определенном диапазоне времени наводороживания связаны с влиянием водорода на деформации сдвига. Дальнейшее повышение времени предварительного наводоро-живания приводит к снижению степени деформации сдвига. Повышение концентрации сероводорода в среде NACE также снижает пластичность материала плоских образцов (рисунок 3).
Анализ полученных данных позволил сделать заключение о том, что между пластичностью и временем наводороживания имеется обратно пропорциональная зависимость, увеличение времени приводит к снижению пластичности при чистом сдвиге.
17.02.2011
Список литературы:
1. Кушнаренко В.М., Ставишенко В.Г., Гетманский М.Д., Бугай Д.Е. Зашитные свойства ингибиторов сероводородного растрескивания. // Защита от коррозии и охрана окружающей среды. - 1991. - №8. - 6 с.
2. Огородников, В.А. оценка деформируемости металлов при обработке давлением. - Киев: Виша школа, 1983. - 175 с.
3. Кан Р.У., Хаазен П.Р. Физико-механические свойства металлов и сплавов. Пер с англ. - М.: Металлургия, 1987. - 663 с.
4. Айзенцен Е.Г., Скрябина Н.Е., Спивак Л.В. Механическое последствие при наводороживании железа // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1985, - №4. - С. 76-80.
Сведения об авторах:
Чирков Е.Ю., инженер АНО «Технопарк ОГУ», Оренбургский государственный университет 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 4309а, e-mail: chirkov_jenya@mail.ru Ставишенко В.Г., доцент кафедры деталей машин и прикладной механики Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 4305, e-mail: stawishenko.w.g.@mail.ru
UDC 620.193:620.194.2 Chirkov E.U., Stawishenko W.G.
Orenburg state university
E-mail: chirkov_jenya@mail.ru, stawishenko.w.g.@mail.ru
RESISTANCE OF MATERIALS FROM HYDROSULPHURIC CRACKING UNDER SIMPLE SHIFT
The technique of an estimation to resistance of metals hydrosulphuric cracking is described in article. Mathematical dependences are received, which allow by results uniaxial tests of steel’s hydrosulphuric cracking to predict their korrozionno-mechanical properties under simple shift.
Key words; hydrosulphuric cracking, tests, simple shift, NACE medium.
Bibliography:
1. Kushnarenko, V.M., Stawishenko W.G., Getmansky M.D., Bugay D.E. Inhibitor’s protective properties from hydrosulphuric cracking. // Protection from corrosion and preservation of the environment. - 1991. - №8. - P 6.
2. Kan R.U., Khaazen PR. Physicomechanical properties of metals and alloys. Translation from English. - M.: Metallurgiya, 1987. - P. 663.
3. Ayzencen E.G., Skryabina N.E., Spiwak L.W. Mechanical consequence at saturation iron by hydrogen // Izvestiya VUZ. Chornaya metalurgiya. - 1985, - №4. - P. 76-80.
4. Ogorodnikov W.A. Estimation of deformability of metals at processing by pressure. - Kiev: Visha shkola, 1983. - P. 175.
Рисунок 3. Зависимость пластических свойств стали при испытании на сероводородное растрескивание от времени предварительной выдержки в среде NACE и условий испытаний плоских образцов: 1 - 1,5 г/дм3 Н28; 1’ - 3 г/дм3 Н28 и цилиндрических образцов: 2 - 1,5 г/дм3 Н.Б; 2’ -3 г/дм3 Н28
