Связь акустической эмиссии с водородопроницаемостью и степенью повреждаемости стали 08кп при электролитическом наводороживании Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 620.179.17

СВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И СТЕПЕНЬЮ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ СТАЛИ 08КП ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ НАВОДОРОЖИВАНИИ

АБРАМОВ К. А., БУРНЫШЕВ И. Н.

Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г.Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Исследовано поведение скорости счета акустических импульсов и водородопроницаемости при катодном наводороживании мембран стали 08кп. Проанализирована кинетика образования вздутий на поверхности стальных образцов в зависимости от плотности катодного тока и времени наводороживания. Установлена связь акустической эмиссии со степенью повреждаемости стальных мембран на микроуровне.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: акустическая эмиссия, скорость счета, водородопроницаемость, наводороживание, плотность тока, сталь 08кп, блистеринг.

Эффективность методов акустико-эмиссионного контроля материалов для обнаружения микро - и макроповреждений показана в многочисленных работах: акустико-эмиссионные исследования повреждаемости крупногабаритных изделий [1], результаты гидроиспытаний оборудования с применением акустической эмиссии (АЭ) [2,3], АЭ контроль трубопроводов и оборудования в процессе ремонта и эксплуатации, применение АЭ в исследовании материалов и конструкций, подвергнутых различным физико-механическим воздействиям [4].

Известно, что водород, накапливающийся в металле, может вызывать повреждения в виде поверхностных вздутий (блистеринг), внутренних пор и микротрещин, развитие которых сопровождается акустической эмиссией - испусканием материалом акустических волн [5, 6]. Поэтому очевиден интерес к возможности применения методов АЭ для контроля состояния материалов подвергнутых наводороживанию, а также для определения диффузионных характеристик водорода и величины наводороживания.

В данной статье представлены экспериментальные результаты исследований по влиянию повреждаемости, водородопроницаемости стальной мембраны на поведение АЭ при одностороннем электролитическом наводороживании. Кроме того, было изучено влияние режимов катодного наводороживания и защитных покрытий на величину АЭ, водородопроницаемость и кинетику дефектообразования на поверхности образцов.

В качестве объекта исследования была выбрана конструкционная углеродистая качественная сталь 08кп состава: 0,05% C; 0,01% Si; 0,04% Mn; 0,02% Ni; 0,03% S; 0,03% Р; 0,09% (Cr+Cu), остальное Fe. Образцы были размером 30*30 мм, толщиной 1,8 мм. Перед наводороживанием поверхность образцов шлифовалась и обезжиривалась спиртом.

Наводороживание осуществлялось электролитическим способом при плотностях тока 1-100 мА/см2. В

качестве электролита использовали 1 - нормальный раствор H2SO4 с добавлением 1,5 г на 1 литр электролита тиомочевины - стимулятора наводороживания.

Для регистрации акустической эмиссии при наводороживании использовали акустико-эмиссионный прибор АФ-15. Рабочий диапазон частот выбирали от 200 до 1000 kHz. В качестве датчика использовался пьезоэлектрический преобразователь ПЭП 113 с диапазоном частот 200 - 2000 kHz. В качестве информативного параметра рассматривали скорость счета N АЭ за 1 минуту. Относительная погрешность на приведенных ниже графиках по АЭ составила не более 15%. Схема электролитической ячейки и способ установки пьезодатчика показаны на рис. 1.

Количество прошедшего водорода, характеризующее водородопроницаемость, определяли по изменению объема жидкости в газовой бюретке.

Столб жидкости в бюретке опускался вследствие диффузии водорода сквозь мембрану-катод при электролитическом наводороживании. Погрешность величины продиффундировавшего водорода составляла ЛV = ± 0,003 мл.

Свинцовый анод

— —

— H2SO4

+

тиомочевина

— (СН4ВД

Пьезодатчик

Рис. 1. Схема электролитической ячейки для одностороннего наводороживания

На полученных кривых зависимости скорости счета N от времени наводороживания (рис. 2) видно, что увеличение плотности тока ведет к сдвигу пика (максимума) кривой в сторону меньших времен и значительному увеличению значений N. Причем, чем меньше плотность тока, тем менее ярко выражен пик, так при плотности тока 1 мА/см2 можно увидеть только тенденцию к увеличению и тенденцию к окончательному спаду значений АЭ после 280 мин наводороживания. Известно, что для средних плотностей катодного тока j

величина коэффициента диффузии определяется соотношением Боденштейна [7] D = К^Д, для малых плотностей тока зависимость между D и j линейна, а для больших плотностей тока она становится сложной, т.е. j влияет на количество образуемого на поверхности катода водорода и скорость его проникновения вглубь металла, а значит и на скорость дефектообразования. Очевидно, поэтому, что величина и поведение АЭ при наводороживании должна зависеть от j сложным образом.

^ мин

Рис. 2. Зависимость скорости счета АЭ от времени наводороживания образцов стали 08кп исходного состава при плотности тока: 1 - 1 мА/см2, 2 - 5 мА/см2, 3 - 10 мА/см2, 4 - 50 мА/см2 (значения скорости счета уменьшены в 10 раз), 5 - 100 мА/см2 (значения скорости счета уменьшены в 30 раз); уровень дискриминации 5 dB

По данным [8] время заполнения поры (коллектора) размером 1 мкм молекулярным водородом, в результате диффузионного перехода из пересыщенного раствора происходит за 0,67 с. В таком случае интенсивное заполнение различных микрополостей, расположенных в приповерхностном слое, происходит уже на первых минутах катодной поляризации стальных образцов. В результате в образце возникают газовые коллекторы, заполненные молекулярным водородом под большим давлением, из-за чего возникают неоднородные внутренние напряжения, приводящие в образце к локальным участкам с микропластической деформацией. В основе зарождения и развития зон с микропластической деформацией в процессе наводороживания лежат дислокационные механизмы, в которых участвуют как исходные дислокации, так и вновь образовавшиеся. Предполагается, что дислокации могут возникнуть вследствие релаксации напряжений в объеме металла, прилегающего к коллектору с водородом, а также при зарождении и росте трещины, при этом растворение и движение диффузионно-подвижного водорода в кристаллической решетке феррита не порождает дислокаций ни вблизи зерен, ни на их границах [5].

АЭ фиксирует динамику различных дислокационных процессов, происходящих в результате насыщения водородом металла уже с первых минут эксперимента. На АЭ влияет много факторов, основные из которых:

- выделение пузырьков водорода на поверхности катода, их рекомбинация и «схлопывание»;

- коррозионное разрушение образца;

- накопление водорода в порах кристаллической решетки;

- образование и раскрытие коллекторов, заполненных водородом;

- сегрегация водорода у дислокаций и скоплений вакансий;

- перемещение дислокаций под действием неоднородных внутренних напряжений, вызванных молекулярным водородом;

- образование трещин по границам зерен из-за большой концентрации водорода;

Как показали предварительные исследования вкладом в АЭ от «схлопывания» пузырьков и коррозионного разрушения образца можно пренебречь. Остальные же факторы зависят от проникающего в структуру стали водорода, внося основной вклад в генерацию импульсов АЭ.

Нитроцементация (диффузионное насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом при высокой температуре) и борирование (диффузионное насыщение поверхностного слоя бором при нагреве) повысили в образцах стали 08кп такие механические характеристики, как твердость, износостойкость, коррозионную стойкость.

Глубина нитроцементованного слоя составила порядка 500 мкм, а борированного порядка 80-150 мкм. При катодном насыщении водородом упрочнение должно было уменьшить или даже свести на нет дефектообразование на поверхности и в глубине стали, т.е. уменьшить величину АЭ.

На рис. 3 действительно видно, что величины АЭ борированного и нитроцементованного образцов сходны и в несколько раз меньше, чем у исходного образца стали 08кп. Кривые скорости счета N образцов с покрытиями также не имели ярко выраженного пика и заметной тенденции к уменьшению величины N за время испытания. После наводороживания поверхность таких образцов была гладкая и ровная, как и до наводороживания, т.е. на поверхности не наблюдалось никаких вздутий.

Многократное наводороживание образца исходного состояния при плотности тока 10 мА/см2 уменьшало величину скорости счета акустических импульсов и сдвигало время наступления пика в область меньших времен (рис. 4).

На рис. 5 представлены результаты по водородопроницаемости мембран стали 08кп исходного состояния при разной плотности тока и мембран с покрытиями. Исследования по определению водородопроницаемости показало, что время наступления спада АЭ качественно согласуется со временем появления водорода на обратной стороне стальной мембраны.

1, мин

Рис. 3. Скорость счета АЭ образцов стали 08кп разного состояния: 1- борированный образец, 2- нитроцементованный образец, 3- исходный образец стали 08кп; ] = 10 мА/см2, дискриминация 5 dB

1, мин

Рис. 4. Скорость счета АЭ при многократном наводороживании: 1- первое наводороживание образца, 2- второе наводороживание образца, 3- третье наводороживание образца; ] = 10 мА/см2, дискриминация 5 dB

Падение величины N, вероятно, было связано в основном с накоплением водорода в контактном слое между поверхностью стального образца и пьезодатчиком, что ухудшает регистрацию акустических импульсов.

Количество прошедшего водорода через сталь зависело от плотности катодного тока j. При плотностях тока 1 и 10 мА/см2 объем прошедшего водорода оказался меньше, чем при 5 и 50 мА/см2. Проведение борирования стали 08кп заметно снизило водородопроницаемость по сравнению с исходным образцом, тогда как нитроцементация привела к увеличению потока водорода (рис.5). Не смотря на то, что насыщение бором поверхности стальных образцов уменьшало поток водорода, прошедшего сквозь мембрану, все же водород на обратной стороне борированного образца появился уже в первый час наводороживания.

Многократное наводороживание снижало поток водорода, прошедшего через стальной образец, но при этом появление диффузионно-подвижного водорода на обратной стороне мембраны фиксировалось намного раньше, т.е. время диффузии сквозь мембрану уменьшалось (водород быстрее проходил через наводороженный ранее образец). Это можно объяснить тем, что ранее образованные коллекторы, равномерно расположенные по всей поверхности, со временем быстро заполнялись водородом (или уже были заполнены при предыдущем наводороживании) и служили своеобразным барьером-ловушкой при диффузии водорода в более глубинные слои, что в общем снижало поток водорода сквозь образец.

V, мл

^ мин

Рис. 5. Кинетика выделения водорода при плотностях тока 1 мА/см2 (1), 5мА/см2 (2), 10 мА/см2 (3, 5, 6), 50 мА/см2 (4); 1, 2, 3, 4 — исходное состояние стали 08кп, 5 - после борирования, 6 - после нитроцементации

Кинетику образования вздутий, возникающих после насыщения водородом, изучали на металлографическом микроскопе Neophot 32, при увеличении х100. Со стороны входа водорода при катодном наводороживании можно увидеть повреждения поверхности мембраны в виде вздутий (блистеров). Вздутия представляют собой тонкие поверхностные слои металла, вспученные давлением молизованного водорода, скапливающегося в микронесплошностях. С поверхности они выглядят как круглые образования, а в поперечном сечении это дугообразные несплошности. В зависимости от режима и времени наводороживания размеры, количество и форма вздутий изменяется. На рис. 6 приведена концентрация вздутий п в зависимости от времени наводороживания для образца из стали 08кп при плотности тока 10 мА/см2. Как видно, количество вздутий возрастает со временем наводороживания.

^ мин

Рис. 6. Концентрация вздутий на поверхности исходного образца стали 08кп; ] = 10 мА/см2

Повышение плотности катодного тока также увеличивает концентрацию вздутий на поверхности (рис. 7). После 3-х кратного наводороживания при j = 10 мА/см2 концентрация вздутий была сопоставима с величиной п при однократном наводороживании образца в течение 7 часов при той же плотности тока, но при этом отмечалось большое количество крупных вздутий неправильной формы.

п, шт./мм2

40

35 30 25 20 15 10 5 0

10

50

100

мА/см2

1

5

Рис. 7. Зависимость концентрации вздутий на поверхности исходных образцов стали 08кп от плотности катодного тока после 6 часов наводороживания

Размер дефектов d зависел от времени наводороживания и плотности катодного тока и составлял порядка 4 - 400 мкм в диаметре. На начальном этапе насыщения водородом при 10 мА/см2 преобладали вздутия размером 100 мкм, в конце же насыщения преобладали уже вздутия размером 100 - 200 мкм и появлялись дефекты размером 300 - 400 мкм. Плотность тока также существенно влияла на распределение вздутий по размерам, так при плотности тока 1 мА/см2 после 7 часов наводороживания количество вздутий размером не более 100 мкм было максимально, а вздутия размером, превышающим 300 мкм, вообще не наблюдались, при токах 5, 10, 50, 100 мА/см2 преобладали дефекты размером 100 - 200 мкм и появлялось множество блистеров диаметром более 300 мкм.

Зависимости количества и размеров вздутий от времени наводороживания и плотности тока качественно согласуются с соответствующими зависимостями скорости счета N. Так NN, п и d возрастают с ростом плотности тока. Причем скорость возрастания N, п и d тем меньше, чем меньше плотность тока. У образцов с покрытиями уровень АЭ оказался минимальный, это соответствует тому, что дефектность структуры этих образцов в результате наводороживания оказалась наименьшей (поверхность нитроцементованных и борированных не имела вздутий).

АЭ в основном обусловлена процессами дефектообразования, поэтому стоило ожидать, что время начала снижения АЭ будет совпадать со временем уменьшения скорости роста и образования вздутий. Если рассматривать зависимости п и d, которые характеризуют процесс дефектообразования, от длительности наводороживания при 10 мА/см2 (рис. 6), то снижение АЭ должно было начинаться не ранее, чем через 8 часов, однако наступление максимума и спада АЭ происходило гораздо раньше и как уже указывалось, было вероятно связано с накоплением продиффундировавшего водорода в прослойке жидкости между пьезодатчиком и поверхностью образца, затрудняя прием акустических импульсов. Это подтверждается и тем, что на стадии спада величины АЭ после замены контактной смазки во время наводороживания наблюдался кратковременный рост значений N до максимальных, а затем быстрый их спад.

В заключении можно отметить следующее:

- скорость счета акустических импульсов NN, характеризующая АЭ при одностороннем катодном наводороживании зависит от плотности тока j, вида нанесенного

покрытия и продолжительности наводороживания, а также циклов наводороживание-

обезводороживание (многократное наводороживание);

- падение N, вероятно, связано с влиянием прошедшего водорода сквозь мембрану на контактный слой между образцом и пьезодатчиком, а не прекращением дефектообразования при накоплении водорода в структуре металла;

- зависимость кинетики образования вздутий на поверхности стальных образцов от времени наводороживания и плотности тока качественно согласуется с поведением АЭ;

- количество водорода, прошедшего через мембрану существенно уменьшалось при многократном наводороживании одного и того же образца, а также при насыщении поверхности стали 08кп бором.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брагинский А.П., Узенбаев Ф.Г., Павловский Б.Г. Классификация механизмов повреждаемости сосудов давления по пространственной неоднородности акустической эмиссии // Дефектоскопия. 1990. №1. С. 36-40.

2. Blackbuzn P.R., Rana M.D. Acoustic emission testing and structural evaluation of seamless steeltube in compressed gas service // J. Pressure Vessel Technology. 1986. №108. P. 234-238.

3. Fowler T.J. Experience with acoustic emission monitoring of chemical process industry vessels // Prog. Acous. Missions. 1986. №3. P. 150-157.

4. Семашко Н.А., Шпорт В.И., Марьин Б.Н. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении. М.: Машиностроение, 2002. 245 c.

5. Исаков М.Г., Изотов В.И., Карпельев В.А. Кинетика образования повреждений малоуглеродистой низколегированной стали при насыщении водородом // Физика металлов и металловедение. 2000. Т 90, №3. С. 97-103.

6. Брагинский А.П., Узенбаев Ф.Г. Акустическая эмиссия при поверхностной водородной повреждаемости сталей нефте- и газооборудования // Дефектоскопия. 1991. №10. С. 13-21.

7. Белоглазов С. М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1975. 412 с.

8. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 217 с.

THE ASSOCIATION OF ACOUSTIC EMISSION WITH HYDROGEN PERMEABILITY AND THE DAMAGE RATE OF THE 08KP STEEL AT HYDROGENING.

Abramov K.A., Burnyshev I.N.

Institute of Applied Mechanics Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia.

SUMMARY. The behavior of the acoustic pulses count rate and the hydrogen permeability at hydrogening the membranes of the 08kp steel has been researched. The kinetic of defects formation on the steel samples surface depending on the current density and the hydrogening time has been analyzed. The association of the acoustic emission with the damage rate of the steel membranes has been established.

KEYWORDS: acoustic emission, acoustic pulses count rate, permeability of hydrogen, blistering, current density, 08kp steel, hydrogening.

Абрамов Константин Анатольевич, аспирант ИПМ УрО РАН, Deekk@:vandex.т

Бурнышев Иван Николаевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 21-66-11, е-mail: [email protected]