CC BY-NC
18
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-126-131 УДК 620.178.3:624.014.2+539.563
И.А. Гальчун, К.Е. Садкин, Е.Д. Назарова
НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ, СКЛОННЫХ К ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ, В КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЕ
Высокопрочные стали с пределом текучести 500 МПа и более традиционно применяют для конструкций глубоководной техники. В последнее время также существенно увеличивается доля их использования в судостроении и офшорных конструкциях для отдельных высоконагруженных элементов. С увеличением категории прочности стали и, соответственно, абсолютного уровня напряжений в конструкции появляется необходимость выполнения расчетных оценок усталостной прочности не только в многоцикловой области, но и в области малоцикловой усталости, где значимую долю ресурса составляет стадия роста усталостной трещины.
Имеющиеся в литературных источниках данные по характеристикам сопротивлению усталостному повреждению таких сталей в силу специфики традиционной области применения весьма ограничены. В то же время данный класс материалов обладает рядом особенностей, связанных прежде всего с механизмами воздействия коррозионной среды на их поведение. В частности - с механизмом водородного охрупчивания, который может проявляться не только под воздействием статической растягивающей нагрузки, но и при циклическом нагружении.
В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований влияния склонности высокопрочной стали к водородному охрупчиванию, являющемуся основным механизмом коррозионного растрескивания под напряжением, на характеристики скорости роста усталостных трещин в коррозионной среде. Исследования проведены на образцах из стали хром-никель-молибден-ванадиевой композиции легирования с гарантированным пределом текучести не менее 780 МПа.
Показано, что при повышении склонности стали к коррозионному растрескиванию под напряжением увеличивается в 2-2,5 раза скорость роста усталостных трещин в коррозионной среде. В крайних ситуациях использование кривых циклической трещиностойкости, определенных без учета фактора потенциальной склонности материала к водородному охрупчиванию и реальной частоты нагружения, может являться существенно неконсервативным. По результатам работы определены предельные значения коэффициентов в кривых циклической трещиностойкости, позволяющие проводить оценки с достаточной степенью консервативности.
Ключевые слова скорость роста усталостной трещины, коррозионное растрескивание под напряжением, катодная поляризация, высокопрочная сталь, коррозионная среда, частота нагружения. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-126-131 UDC 620.178.3:624.014.2+539.563
I.Galchun, K. Sadkin, Ye. Nazarova
Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey, St. Petersburg, Russia
FATIGUE CRACK TOUGHNESS OF HIGH-STRENGTH STEELS PRONE TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT IN CORROSIVE ENVIRONMENT
High-strength steels (yield point 500 MPa and above) have long been used in deepwater technology. Nowadays they are becoming increasingly popular in shipbuilding and offshore engineering for certain highly-loaded structural members. Stronger steel means higher absolute stresses in structure, so it becomes necessary to analytically estimate fatigue strength, not only high-cycle, but low-cycle, too, where fatigue crack growth stage comprises a considerable share of service life.
Для цитирования: Гальчун И.А., Садкин К.Е., Назарова Е.Д. Циклическая трещиностойкость высокопрочных сталей, склонных к водородному охрупчиванию, в коррозионной среде. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 126-131.
For citations: Galchun I., Sadkin K., Nazarova Ye. Fatigue crack toughness of high-strength steels prone to hydrogen embrittle-ment in corrosive environment. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 126-131 (in Russian).
Presently, literature offers only scarce data on fatigue cracking toughness of these steels because until quite recently these materials were required only for certain specific applications. Meanwhile, this kind of materials features a number of peculiarities mostly related to the effect of corrosive environment upon their behavior: specifically, hydrogen embrittlement that might be caused only by static tension load but by cyclic loading as well.
This paper presents the experimental data on how high-strength steel proneness to hydrogen embrittlement (the main mechanism of corrosive cracking under stress) affects fatigue crack growth rate in corrosive environment. The studies were performed on the specimens of Cr-Ni-Mo-Va steel alloy (rated yield point at least 780 MPa).
It is shown that steels with greater susceptibility to corrosive cracking under stress feature 2-2,5 higher growth rate in corrosive environment. In extreme cases, fatigue crack toughness curves not taking into account potential susceptibility of material to hydrogen embrittlement and actual loading rate might lead to considerably overstated strength estimates. The study also yielded limit coefficients for fatigue cracking toughness curves that enable sufficiently conservative assessments. Keywords: fatigue crack growth rate, corrosive cracking under stress, cathodic polarization, high-strength steel, corrosive environment, loading rate.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Расчеты усталостной прочности являются неотъемлемой частью проектирования морских конструкций. Корпуса судов и офшорных конструкций, как правило, подвергаются воздействию волновых, ветровых и ледовых нагрузок с высокой повторяемостью на уровне 106-108 циклов за время эксплуатации. Это соответствует области так называемой многоцикловой усталости.
Стадия зарождения усталостных трещин в таком случае занимает около 95 % ресурса, и рассмотрение отдельно стадии роста усталостных трещин не имеет смысла либо целесообразно только для соединений с исходным конструктивным дефектом типа непровара. В связи с тем, что предел выносливости сварных соединений в исходном состоянии практически не зависит от уровня прочности, использование для конструкций, подверженных воздействию только перечисленных выше нагрузок, сталей с пределом текучести более 500 МПа лишено смысла.
Иная картина наблюдается для конструкций глубоководной техники. Количество нагружений внешним давлением за время ее эксплуатации обычно не превышает 104 циклов. При этом уровень номинальных напряжений может достигать значений 0,85 предела текучести основного металла. В таком случае стадия развития усталостной трещины может составлять значительную, а для сжатых узлов - подавляющую часть циклического ресурса. Таким образом, оценки в области малоцикловой усталости должны учитывать потенциальный резерв, образующийся за счет стадии роста усталостной трещины до критического состояния, под которым в общем виде можно понимать образование сквознотечной трещины либо трещины, ведущей к разрушению элемента конструкции под воздействием статических и динамических нагрузок.
Основными факторами, увеличивающими скорость роста усталостных трещин (РУТ), являются: наличие остаточных сварочных и сборочных напряжений и воздействие коррозионной среды. Последнее особенно опасно для сталей, которые склонны к водородному охрупчиванию.
Основным параметром оценки скорости РУТ является размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН). В наиболее простом случае расчет скорости роста трещины проводится по зависимости, предложенной Пэрисом (1):
— = с ■(¿к)'n, (1)
dN
где а - длина трещины, N - число циклов, С, m -константы, ЛK - размах КИН. В рамках методических расчетов параметры С и m соответствуют кривым, определяющим вероятность достижения расчетной скорости РУТ на уровне 95 %, называемом верхними огибающими (ВО).
Вид кривых в условиях инертной и коррозионной сред схематически изображен на рис. 1. Ввиду сложной природы воздействия коррозионной среды вид усталостных кривых может существенно отличаться. Так, при преобладающем воздействии механизма анодного растворения характерен сдвиг кривой в область более низких значений ЛK (рис. 1а). В случае доминирующего механизма водородного охрупчивания кривая имеет ярко выраженную «ступеньку» - резкий скачок скорости РУТ более чем на порядок в узком диапазоне изменения КИН (рис. 16). При комбинированном воздействии обоих механизмов коррозионной среды кривая принимает вид, представленный на рис. 1е.
В данной работе рассматриваются два фактора, определяющих кривые скорости РУТ в коррозионной среде, - это частота нагружения f и склонность материала к водородному охрупчиванию р.
И.А. Гальчун, К. Е. Садкин, Е.Д. Назарова
Циклическая трещиностойкость высокопрочных сталей, склонных к водородному охрупчиванию, в коррозионной среде
инерт. с£
К1С Log К!
Kiscc KIC Log Ki
Kiscc KIC Log К!
Рис. 1. Схематические диаграммы циклической трещиностойкости в коррозионной среде [1]
Fig. 1. Schematic diagrams of fatigue cracking toughness in corrosive environment [1]
Частота нагружения, а точнее время активного деформирования в коррозионной среде, может определять доминирующий механизм воздействия коррозионной среды. Так, снижение частоты нагружения приводит к увеличению скорости роста трещины вследствие анодного растворения, однако вызывает притупление в вершине трещины вследствие того же растворения металла, что приводит к снижению скорости ее распространения. В то же время процесс водородного охрупчивания, обусловленный переносом водорода (атомарной или ионной структуры) в зону вершины трещины и его внедрением в металл, не успевает происходить при относительно высоких частотах нагружения. Из этого можно сделать вывод о существовании некоторой частоты нагружения, ниже которой не происходит увеличение скорости РУТ.
Склонность материала к водородному охрупчиванию характеризуется параметром в, определяющимся отношением напряжений, при которых достигаются разрушающие КИН в коррозионной среде К18СС и на воздухе К1С при испытаниях методом консольного изгиба [2]. Для сталей конструкций глубоководной техники, обладающих стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН), значения параметра в составляют 0,9-0,95 в условиях естественной коррозии. Известно, что склонность к КРН может увеличиваться в ряде случаев, таких как термическая обработка при неоптимальных режимах закалки с отпуском, переупрочнение до значений предела временного сопротивления св более 1100 МПа или влияние катодной поляризации.
В литературных источниках отсутствуют данные о связи склонности к КРН со скоростью роста усталостной трещины. Поэтому в рамках данной работы предпринята попытка экспериментально
смоделировать изменение склонности материала к КРН и проанализировать разницу скоростей РУТ, полученную в результате этого изменения.
Описание испытаний
Description of the test
Испытания проводились по методике [3] на образцах из листового проката стали хром-никель-молибден-ванадиевой композиции легирования толщиной от 30 до 60 мм с гарантированным пределом текучести 780 МПа. Температура отпуска после закалки исследуемого проката находилась в интервале от 600 до 650 °C. В качестве коррозионной среды выступала синтетическая морская вода (3,5%-й раствор NaCl в H2O).
Испытания в воздушной среде при частоте 5 Гц и в коррозионной среде при частоте 0,1 Гц проводили на сервогидравлической машине Schenck мощностью 250 кН с периодическими остановками. Испытания в коррозионной среде при частоте 0,01 Гц выполняли на электромеханической машине Instron мощностью 200 кН в режиме непрерывного нагружения. Асимметрия цикла R составляла 0,1.
Для снижения значения KISCC, а как следствие и значения в, была использована катодная поляризация -0,65 В и -1 В (по н.в.э.) с применением алюминиевых и магниевых протекторов соответственно. Значения полученных значений в представлены в табл. 1.
Для построения кривых, соответствующих ВО, использована зависимость Пэриса (1) с учетом порогового значения КИН Kh:
^ = (2)
Таблица 1. Значения в для основного металла листового проката
Table 1. Values of в for base metal of rolled plates
Материал Ест. корр. -0,65 В -1,0 В о02, МПа
Листовой прокат до 40 мм 0,9 0,81 0,63 820-870
Листовой прокат 41-60 мм 0,92 0,88 0,57 840-900
Значения коэффициентов для ВО в разных средах, полученные в магистерской диссертации И. А. Гальчуна, представлены ниже:
■ нагружение на воздушной среде: C = 8 10-11; m = 2,3; Kth = 200 Нмм3/2
■ нагружение на коррозионной среде: C = 8 10-10; m = 2,3; Kh = 120 Нмм3/2.
Результаты испытаний
Test results
На рис. 2 и 3 представлены результаты испытаний основного металла в условиях воздушной и коррозионной сред соответственно. Из приведенных данных видно, что при снижении частоты нагружения до 0,01 Гц в условиях естественной коррозии (при в ~ 0,9-0,92) скорость роста усталостной трещины немного возрастает. Это соответствует имеющимся данным для схожей стали, приведенным в работе [4].
На рис. 4 к результатам в условиях естественной коррозии добавлены результаты с приложен-
ным катодным потенциалом величиной -0,65 В и 1 В, полученные при частоте 0,1 Гц. Катодная поляризация со значением -0,65 В незначительно смещает значения в в среднем с 0,9 до 0,85 и на скорость РУТ почти не влияет. При величине катодного потенциала -1 В скорость РУТ возросла значительно больше, чем при -0,65 В, в то время как значение в снизилось до 0,6.
На рис. 5 представлены результаты испытаний как для естественной коррозии, так и при приложенной катодной поляризации величиной -1 В. Катодная поляризация величиной -1 В существенно увеличивает склонность материала к КРН (в ~ 0,6), в результате чего значения скорости РУТ увеличиваются в 2-3 раза относительно значений при той же частоте нагружения при естественном потенциале коррозии (-0,42 В по н.в.э).
Для количественной оценки полученных результатов была проведена их аппроксимация по уравнению Пэриса (1) с коэффициентом m, равным 3,1. На рис. 6 и 7 представлены аппроксимации при частоте нагружения 0,1 Гц и 0,01 Гц соответственно.
Из изменения коэффициента аппроксимации С видно, что для испытаний при частоте 0,1 Гц изменение склонности стали к КРН с 0,9 до 0,85 увеличивает скорость РУТ на 3-4 %, в то время как при изменении в с 0,9 до 0,6 скорость увеличивается приблизительно в 2 раза.
При частоте нагружения 0,01 Гц изменение в с 0,9 до 0,6 приводит к росту скорости РУТ более чем в 2,5 раза.
Рис. 2. Результаты испытаний основного металла на воздухе. Пунктирной линией обозначена верхняя огибающая по (2) с указанными коэффициентами
Fig. 2. Test results for base metal in the air. Dotted curve is the upper envelope as per (2) with indicated coefficients
1000 AK, H-MMji
Рис. 3. Результаты испытаний основного металла в коррозионной среде. Линией обозначена верхняя огибающая по (2) с указанными коэффициентами
Fig. 3. Test results for base metal in the air. The curve is the upper envelope as per (2) with indicated coefficients
И.А. Гальчун, К.Е. Садкин, Е.Д. Назарова
Циклическая трещиностойкость высокопрочных сталей, склонных к водородному охрупчиванию, в коррозионной среде
Рис. 4. Результаты испытаний основного металла в условиях естественной коррозии и приложенной катодной поляризации при частоте 0,1 Гц
Fig. 4. Test results for base metal: natural corrosion versus cathodic polarization (frequency 0,1 Hz)
Рис. 5. Результаты испытаний основного металла в условиях естественной коррозии и приложенной катодной поляризации при частоте 0,01 Гц
Fig. 5. Test results for base metal: natural corrosion versus cathodic polarization (frequency 0,01 Hz)
Рис. 6. Аппроксимация результатов при частоте нагружения 0,1 Гц
Fig. 6. Approximation of results: loading rate 0,1 Hz
Таблица 2. Склонность стали к КРН и коэффициент аппроксимации C соответственно условиям испытаний при частоте 0,1 Гц
Table 2. Steel proneness to corrosive cracking under stress and approximation factor C for test conditions: loading rate 0.1 Hz
№ п/п Условия C в
1 Воздушная среда 8,58-10-14 -
2 Корр. ср. 0,1 Гц 1,58-10-13 0,9
3 Корр. ср. 0,1 Гц -0,65 В 1,64-10-13 0,85
4 Корр. ср. 0,1 Гц -1 В 3,23-10-13 0,6
Рис. 7. Аппроксимация результатов при частоте нагружения 0,01 Гц
Fig. 7. Approximation of results: loading rate 0,01 Hz
Таблица 3. Склонность стали к КРН и коэффициент аппроксимации C соответственно условиям испытаний при частоте 0,01 Гц
Table 3. Steel proneness to corrosive cracking under stress and approximation factor C for test conditions: loading rate 0,01 Hz
№ п/п Условия C в
1 Воздушная среда 8,58-10-14 -
2 Корр. ср. 0,1 Гц 2,17-10-13 0,9
3 Корр. ср. 0,1 Гц -0,1 В 5,8-10-13 0,6
Заключение
Conclusion
Основными результатами данной работы являются новые экспериментальные данные по циклической трещиностойкости листового проката хром-никель-молибден-ванадиевой стали в условиях воздушной и коррозионной сред, а также экспериментально подтвержденная зависимость между скоростью роста усталостной трещины и склонностью материала к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Определены коэффициенты диаграмм циклической трещиностойкости для металла с различной сопротивляемостью коррозионному растрескиванию, которые могут быть использованы для оценки предельных ситуаций и разработки обобщенной модели роста усталостных трещины в высокопрочных сталях в коррозионной среде. Предложенный подход, который основан на моделировании ситуаций, связанных с получением металла, обладающего неудовлетворительной сопротивляемостью разрушению по механизму коррозионного растрескивания под напряжением, также может быть применен при проведении сертификационных материалов.
Список использованной литературы
1. ASM Handbook. Vol. 19: Fatigue and Fracture. Materials Park: ASM International, 1996. XI, 1057 p.
2. РД 5.АЕИШ.3635-2013. Определение склонности сталей и сварных соединений к коррозионному растрескиванию методом консольного изгиба при ступенчатом нагружении: методика. СПб: ЦНИИ КМ «Прометей», 2013. 28 с.
3. РД 5.АЕИШ.3642-2013. Определение сопротивления основного металла сварных соединений распространению усталостного и коррозионно-усталостного разрушения: методика испытаний. СПб.: ЦНИИ КМ «Прометей», 2013. 37 с.
4. Садкин К.Е, Ильин А.В., Лаврентьев А.А. Исследование циклической трещиностойкости высокопрочных сталей для оценки ресурса конструкций глубоководной техники // Вопросы материаловедения. 2015. Вып. 3. С. 197-208.
References
1. ASM Handbook. Vol. 19. Fatigue and Fracture. 1996.
2. Regulatory Document RD 5.AEISh. 3635-2013. Determination of steel and steel weld proneness to corrosive cracking through cantilever-beam bending under gradual loading. Procedure. St. Petersburg, CRISM Prometey, 2013. 28 p. (in Russian).
3. Regulatory Document RD 5.AEISh. 36422013. Determination of fatigue and corrosive-fatigue cracking toughness of base metal in welds. Test Procedure. St. Petersburg, CRISM Prometey, 2013. 37 p. (in Russian).
4. K. Sadkin, A. Ilyin, A. Lavrentyev. Determination of fatigue cracking toughness of high-strength steels for lifetime assessments of deepwater technology // Voprosy materialovedeniya (Material Studies), 2015. No. 3, p. 197-208 (in Russian).
Сведения об авторах
Гальчун Иван Алексеевич, НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 274-13-24. E-mail: galchun.ia@mail.ru. Садкин Кирилл Евгеньевич, к.т.н., НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 274-15-14. E-mail: sadkin.kirill@mail.ru. Назарова Елизавета Дмитриевна, НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Тел.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: nazarova42@list.ru.
About the author
Ivan A. Galchun, Engineer, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpaler-naya st., St. Petersburg, Russia, post code 191015. Tel.: +7 (812) 274-13-24. E-mail: galchun.ia@mail.ru. Kirill Ye. Sadkin, Cand. Sc., Deputy Head of NPK-3, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191015. Tel.: +7 (812) 274-15-14. E-mail: sad-kin.kirill@mail.ru.
Yelizaveta D. Nazarova, 3rd Category Engineer, Kurchatov Institute National Research Centre - CRISM Prometey. Address: 49, Shpalernaya st., St. Petersburg, Russia, post code 191015. Tel.: +7 (812) 710-25-48. E-mail: nazarova42@list.ru.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 22.11.21 © Коллектив авторов, 2021
