ВОДОРОДНАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ВОДОРОДНАЯ УСТАЛОСТЬ СТАЛЕЙ

В. И. Ткачев, В. И. Холодный*, В. И. Витвицкий

Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко HAH Украины г. Львов, 79053, Украина Факс: 38 0322 634227; e-mail: tkachov@ipm.lviv.ua

ФГУП «КБ химавтоматики», ул. Ворошилова, 22, г. Воронеж, 394055, Россия Тел.: (0732) 34-61-98; факс: (095) 251-44-49; e-mail: cadb@comch.ru

Ткачев Владимир Иванович

Сведения об авторе: зав. отделом водородной стойкости материалов Физико-механического института HAH Украины (г. Львов), доктор техн. наук, профессор.

Область научных интересов: специалист в области влияния водорода на механические свойства металлов.

Публикации: 150 научных статей.

The low- and high fatigue of steels at ambient temperature in hydrogen have investigated. Hydrogen isn't dissolved in metals at that conditions. The gaseous hydrogen decreases low cycle fatigue stronger than electrolytic hydrogeneration. The results of investigation of more 30 steels and alloys have been generalized and criterions for selection hydrogen resistant steels have been proposed.

По мере разработки и создания перспективных образцов водородной энергетики следует ожидать обострения материаловедческих проблем, связанных с деградацией физико-механических свойств конструкционных материалов при контакте с водородом. В представленной работе рассматривается только один аспект этих проблем — деградация механических свойств сталей в присутствии газообразного водорода при комнатных температурах и небольших давлениях, т. е. в условиях нерастворения водорода в металле.

Исследовались перспективные для изготовления изделий водородной энергетики промышленные материалы: нержавеющая мартенситнос-тареющая сталь Х12Н10МТР и никелевый сплав ХН55МБЮ. Исследования проводились на специальных установках, которые позволяют испытывать образцы непосредственно в водороде давлением до 100 МПа при температурах до 1100 К.

На малоцикловую усталость чистым изгибом испытывались плоские образцы толщиной 2,5 мм при постоянной амплитуде деформации е = 1,6 % с частотой 0,17 Гц. Испытания стали Х12Н10МТР в водороде при давлении 0,1 МПа (рис. 1) показали, что наибольший спад долговечности (почти в 3 раза) наблюдается при комнатной температуре. По мере повышения температуры влияние водорода уменьшается.

Увеличение давления водорода приводит к дополнительному снижению усталостной долговечности, но лишь до определенного предела. Для мартенситностареющей стали это давление 0,3 МПа, для никелевого сплава— 15 МПа (рис. 2).

Исследовалась возможность моделирования влияния высокого давления водорода электролитическим наводороживанием. Идентичные образцы испытывались на малоцикловую усталость в однонормальном растворе серной кислоты при плотности катодного тока 1-100 А/м2 с использованием платинового анода. Содержание водорода в образцах определяли на установке вакуумной экстракции, которая обеспечивала попадание образца в измерительную камеру (Р = 6 Па, Т = 873 К) через 120 с после разрушения. Установлено, что водород высокого давления активней снижает долговечность, чем таковой в условиях электролитического насыщения (рис. 3). В идентичных условиях нагружения электролитический водород имитирует небольшие давления (0,1-0,3 МПа) газообразного водорода.

Количество поглощенного образцом водорода до разрушения в процессе электролитического наводороживания практически не зависит от плотности тока и одинаково для каждого материала: для стали Х12Н10МТР — 5 см2/100 г металла, для сплава ХН55МБЮ — 7,55 см2/

В. И. Ткачев, В. И. Холодный, В. И. Витвицкий Водородная усталость сталей

100 г металла. В образцах, разрушенных в газообразном водороде при давлении 35 МПа, заметного увеличения его содержания в металле обнаружено не было. Таким образом, содержание абсорбированного водорода не всегда коррелирует с долговечностью. Вследствие образования значительных поверхностных концентраций газообразным водородом без растворения сопротивление усталости падает интенсивнее, чем под действием внутреннего оклюдированного водорода.

Рассматриваемые стали испытывались и на многоцикловую усталость, которая характеризуется низкими циклическими напряжениями и большой частотой их приложения. Испытания проводили на установке, которая позволяет исследовать стандартные образцы диаметром 5 мм по схеме чистого кругового изгиба с постоянной амплитудой нагрузки при частоте 50 Гц. Отличие данной установки состоит в том, что при-

Рис. 1. Зависимость малоцикловой долговечности (циклов до разрушения Ы) от температуры испытаний: 1 — в нейтральной среде (гелий), 2 — в водороде давлением 0,1 МПа

и-Нп-гтт-,..........,.....................

0,01 0,1 1 10 Р, МПа Dk, А/дм2

Рис. 2. Зависимость количества циклов N до разрушения при малоцикловой усталости (е = 1,6 %) от давления водорода (а) и плотности катодного тока Лк при электролитическом наводороживании (б): 1 — сталь Х12Н10МТР, 2 — сплав ХН55МБЮ

водной электродвигатель расположен непосредственно в камере высокого давления. Образец вместе с захватами монтируется в специальной кассете, которую вставляют в рабочую камеру и уплотняют. Нагружается образец с помощью гирь в специальном отсеке, который находится под тем же давлением, что и рабочая камера. База испытаний составляла 107 циклов.

Установлено (рис. 3), что водород высокого давления практически не влияет на усталостные характеристики мартенситностареющей стали и на 15 % снижает условный предел усталости аустенитного сплава, хотя до 5 • 105 циклов негативного влияния водород не оказывает.

Чтобы сопоставить эффекты, которые сопровождают взаимодействие водорода с металлом, сравнивали влияние водорода на поведение сплавов в условиях многоцикловой и малоцикловой усталости, а также статического нагружения (см. табл.)

Ю4 Ю6 106 107

N, циклы

Рис. 3. Многоцикловая усталость стали Х12Н10МТР (1, 2) и сплава ХН55МБЮ (3, 4) в воздухе (1, 3) и в водороде давлением 35 МПа (2, 4)

Водород в металлах и сплавах

Влияние водорода оценивали коэффициентом в, который представляет отношение значения данной механической характеристики в во-

дороде к ее значению в нейтральной среде (в данном случае на воздухе).

По механическим свойствам сталь с мартен-ситной структурой в 2-3 раза чувствительней к водороду аустенитного сплава. Наибольшее влияние водород оказывает на показатели малоцикловой усталости, для которой коэффициент в на порядок ниже, чем для относительного сужения. Однако между показателями для разных сталей отмечена определенная взаимосвязь: чем суще-

■ new

X18H22B2T2

■ Х13Н9Г19АМ2 ■

■ Х13Г20АН4

■Х18Н5Г9АБ XH23TMP

■ ■

X18H10T ХН43МБТЮ

ХН60МГЮ

ХН55МБЮ ■

X12H10MT

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-

600 800 1000 1200 1400

сь, МПа

Рис. 4. Зависимость коэффициента влияния водорода на малоцикловую усталость Рм от уровня прочности оь промышленных сталей

ственней снижение пластических свойств, тем значительней потери малоцикловой долговечности. В условиях многоцикловой усталости поведение материалов кардинально меняется: мартен-

ситностареющая сталь становится практически нечувствительной к действию водорода (в = 1), хотя при статическом и малоцикловом нагружениях

охрупчивание катастрофическое, а аустенитный

сплав теряет 15 % устало- „

<

стной прочности и прояв- £ ляет умеренную чувстви- * тельность к водороду при |

и

других видах испытаний. -

и

Обращают на себя внима- | ние весьма незначитель- ^ ные изменения свойств |

а

при многоцикловой уста- & лости в водороде, которые g уступают изменениям при 0 других видах испытаний.

Таким образом, с точки зрения изменения механических свойств водород представляет наибольшую опасность в области комнатных температур при действии значительных, близких к пределу текучести напряжений. В стационарных установках, использующих водород, за счет увеличения запасов прочности можно снизить напряжения ниже опасного уровня; для транспортного машиностроения такие меры не приемлемы, и приходится либо учитывать возможные потери в свойствах, либо искать малочувствительные к действию водорода материалы.

Анализ результатов испытаний более 30 промышленных сплавов показал, что повышенной водородостойкостью обладают аустенитные сплавы с твердорастворным упрочнением и достаточно высокой пластичностью (рис. 4). Однако имеющиеся сплавы, которые удовлетворяют указанным выше условиям, характеризуются довольно низкими показателями прочности, что сужает область их использования.

Весьма перспективным в этом плане направлением оказалось легирование сталей азотом. При этом азот должен находиться в твердом растворе, и появление нитридов необходимо не допускать. На этих принципах была создана малочувствительная к водороду сталь (рис. 4, точка «new») с пределом прочности 900 МПа и пластичностью 60 %, которые она сохраняет в среде водорода до T = 650 К (рис. 4). Новая сталь найдет применение в изделиях водородной энергетики.

Снижение усталостных характеристик металлов в присутствии водорода не связано с процессами растворения водорода в металле. Необходимым условием является создание значительных напряжений, близких к пределу текучести материала. Наибольшую опасность представляет режим малоцикловой усталости.

Механические и усталостные свойства под давлением 35 МПа

Материал Механические свойства Малоцикловая усталость (циклов Условный предел усталости на базе 107 циклов, МПа

ob, МПа V. % до разрушения), £ = 1,6 %

1050 70 1750 450

X12H10MTP 1040 20 150 450

ß = 0,99 ß = 0,28 ß = 0,085 ß = 1

1140 40 2000 470

ХН55МБЮ 1000 26 600 400

ß = 0,87 ß = 0,85 ß = 0,3 ß = 0,85

П р и м е ч а н и е. Числитель — на воздухе, знаменатель — в водороде.