CC BY
22
Key words: dimensional electrochemical machining, Faraday current, ultrashort pulses, numerical simulation.
Lubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, assistant, ferevlad@yandex. ru, Russia, Tula State University.
УДК 539.4
ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА КИНЕТИКУ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ
Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев,
Д.С. Клементьев, О.В. Пантюхин
Рассмотрено влияние состава коррозионной среды, растягивающих напряжений на длительную прочность арматурных сталей, эксплуатируемых в агрессивных водородсодержащих средах. Показано, что чувствительность арматурной стали к коррозионно-механическому разрушению увеличивается с ужесточением условий эксперимента. Выявлено, что увеличение уровня приложенных растягивающих напряжений приводит к сокращению инкубационного периода развития микротрещин при водородном растрескивании. Установлено, что чувствительность арматурной стали к растрескиванию в значительной степени определяется релаксационной способностью структуры - релаксация остаточных пиковых микронапряжений, локализующихся у границ зерен и субструктурных границ, способствует снижению чувствительности к коррозионно-механическому разрушению.
Ключевые слова: коррозионная среда, длительная прочность, температурные зависимости внутреннего трения, растягивающие напряжения, катодная поляризация.
Коррозионно-механическое разрушение (КМР), проявляющееся при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений (приложенных или остаточных) является одним из наиболее часто встречающихся видов хрупкого разрушения высокопрочных низколегированных сталей на предприятиях химической, газонефтедобывающей, металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности [1-4].
Наибольшая склонность к КМР высокопрочных сталей наблюдается в условиях длительного статического нагружения при температурах близких к комнатной и определяется следующими основными факторами [5-8]: структурным состоянием и химическим составом стали, уровнем остаточных локальных микронапряжений, агрессивностью коррозионной среды и др.
Основным способом изучения процесса КМР арматурных сталей является оценка изменения их физико-механических свойств после наво-дороживания и определения зависимости времени до разрушения при испытании в коррозионных средах. Однако применение подобного подхода не учитывает изменения уровня локальных (пиковых) микронапряжений, являющихся ответственными за процесс зарождения и развития микротрещин, приводящих к хрупкому разрушению.
В этой связи представляется целесообразным проследить как влияет изменение уровня пиковых микронапряжений, времени выдержки в коррозионной водородсодержащей среде и катодной поляризации на стойкость арматурной стали к КМР.
1. Материалы и методы исследования
Влияние температуры отпуска на механические свойства и длительную прочность в средах, вызывающих КМР изучали на арматурной стали 20ГС2 периодического профиля в напряженном состоянии после высокотемпературной механической обработки (ВТМО). Химический состав и механические свойства приведены в таблице.
Химический состав и механические свойства стали 20ГС2
Вид обработки поверхности Механические характеристики Содержание элементов, %
Об, МПа 00,2, МПа 55, % С Мп Si S Р
Периодический профиль 1300 1200 14,3 0,19 1,13 2,17 0,040 0,016
Гладкокатанная 1200 1080 15,0 0,18 1,30 2,04 0,032 0,017
Стойкость стали к КМР оценивали временем до разрушения по результатам испытаний 4.. .6 образцов на каждую точку графика. Для создания условий эксперимента максимально приближенных к эксплуатационным испытания проводили в водном растворе серной кислоты с добавлением роданистого аммония (4,5% H2SO4 + 2,5% КНдСШ) при комнатной температуре с катодной поляризацией Эк = 60 А/м2 и в кипящем растворе нитратов (60% Са(КОз)2 +5% N^N03 + 35% Н2О) при температурах 20 и 110 °С.
В соответствии с определенным в работе [9] временем предразру-шения, характеризующий каждый уровень напряжения, натурные образцы, изготовленные из стали 20ГС2 подвергали комплексному и раздельному влиянию различных факторов - коррозионной среды, растягивающих
411
напряжений, катодной поляризации от внешнего источника тока при различном времени выдержки вплоть до момента предразрушения. Также в процессе выдержки в коррозионной среде (при исследовании процесса коррозионного растрескивания под напряжением) изменяли температуру среды. Затем образцы снимали с установки, промывали, просушивали и вырезали образцы I = 200 мм для определения ТЗВТ. Время между подготовкой образцов и измерением ВТ не превышало 1 часа.
Измерения температурных зависимостей внутреннего трения (ТЗВТ) проводили при различных температурах (20.. .500 °С) при / ~ 103 с-1 по резонансной методике [10] на натурных образцах стали 20ГС2, которые вырезали из проката после выдержки в коррозионной среде.
На ТЗВТ исходного образца наблюдали пик Кестера при 320 °С. Высота пика Кестера (и площадь под ним) связана с уровнем локальных микронапряжений, обусловленных фазовым превращением или микронаклепом, а также со степенью закрепления дислокаций [11]. Можно утверждать, что указанные характеристики этого максимума тесно связаны не только со средним уровнем локальных напряжений, но в первую очередь зависят от пиков напряжений, так как эти пики определяют характеристики закрепления подвижных дислокаций, ответственные за фон ВТ. Наблюдали изменение высоты пика Кестера под влиянием вышеуказанных факторов в течение различных интервалов времени вплоть до момента предразрушения. Измеряли также величину низкотемпературного фона ВТ ~ 150 °С, который связан с наличием в материале субмикропустот. По резонансной частоте определяли величину модуля упругости.
2. Результаты и их обсуждение
2.1. Влияние состава коррозионной среды на длительную прочность
При контакте образца с коррозионной средой поверхностно-активные элементы среды адсорбируются, что инициирует процесс электрохимической коррозии. Несмотря на меньшую прочность в исходном состоянии, гладкокатаные образцы при тех же уровнях приложенного напряжения обладают более низкой чувствительностью к растрескиванию (рис. 1). Этот факт обусловлен тем, что на поверхности образца периодического профиля имеются концентраторы напряжений, способствующие возникновению разности электродных потенциалов и как следствие протеканию анодных и катодных процессов. При этом участки с максимальными напряжениями имеющие более низкие потенциалы становятся анодными, а участки с меньшими напряжениями - катодными.
Интенсивность протекания адсорбционно-электрохимической коррозии зависит от уровня микронапряжений в поверхностном слое образца и его изменения в процессе эксперимента. Образцы, подвергшиеся различным периодам выдержки в среде при температуре кипения, вероятно, должны иметь различный уровень микронапряжений в поверхностном слое, обусловленный эффектом Ребиндера.
412
а
, МПа
1000 900 800 700 600 500 400
-2
-У
0,5
1
1,5
2,5
3,5 4 Тт>, час
-♦—Арматура периодического профиля —•—Гладкокатаная арматура
б
Рис. 1. Влияние коррозионной среды (а) и катодной поляризации (б) на длительную прочность стали 20ГС2
При измерении ТЗВТ, на образцах подвергавшихся предварительной выдержке в коррозионной среде в течение различных периодов времени, наблюдали изменение высоты пика Кестера, что связывали с изменением уровня микронапряжений в поверхностном слое образцов.
Выдержка в растворе нитратов
Вылеживание образцов до 2-х часов (рис. 2) приводит к увеличению уровня микронапряжений, вызванного поверхностным упрочнением в начальный период, до момента образования «язв», происходящего за счет диффузии элементов среды в металл и блокировки дислокаций. Этому периоду соответствует изменение модуля, которое свидетельствует о том, что на поверхности происходят как упрочняющие процессы, так и процессы, связанные с нарушением сплошности. Причем интенсивность их протекания зависит от температуры эксперимента. Период образования «язв» на поверхности характеризуется падением модуля и увеличением низкотемпературного фона. При увеличении времени выдержки наблюдается стабилизация уровня поверхностных микронапряжений с последующим понижением, обусловленным, вероятно, релаксацией этих микронапряжений при затуплении «язв» и незначительным поверхностным растворением.
Выдержка в среде, вызывающей наводороживание
При испытании в начальный период (0,5 часа) наблюдали увеличение высоты пика Кестера (рис. 3, а), которое может быть объяснено значительным ростом микронапряжений, а также протеканием диффузионных процессов и взаимодействием водорода с дислокациями, приводящим к блокировке последних. Дальнейшее упрочнение происходит с меньшей интенсивностью и наблюдается вплоть до 2 часов испытания. Затем наблюдается период разупрочнения (2...10 часов), о чем свидетельствует одновременное уменьшение пика и модуля упругости в результате образования дефектов (язв, пор и др.), которые с течением времени могут приобрести статус зародышевых микротрещин. За счет электрохимического растворения эти микротрещины могут медленно распространятся или залечиваться в случае затупления в вершине трещины.
а
б
<2 4 ую4
3 ■ / ___
0 2 4 —•—20°С • 110°С б 10 х, час
в
Рис. 2. Влияние температуры среды на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б) и фон ВТ (в) при выдержке образцов в растворе нитратов: 1 - при 20 °С; 2 - при 110 °С
414
Изложенные кинетические особенности растрескивания в водород-содержащих средах хорошо согласуются с поведением модуля упругости и низкотемпературного фона ВТ (рис. 3, б-в), на котором хорошо видны зоны разупрочнения и упрочнения.
О"1 х104 V max 1 J
х, час
а
б
QV104 "2
3 2,5 2 ( 0 1С
V _________
10 20 3 0 40 50 6 т, ча
в
Рис. 3. Влияние продолжительности выдержки в коррозионной среде на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б) и фон ВТ (в)
при 150 °C
Диффундирующий в металл водород увеличивает уровень микронапряжений, величина которых зависит от времени выдержки в коррозионной среде. Рост микронапряжений чередуется с релаксационными процессами, протекающими в момент образования субмикротрещин. Микронапряжения могут достигать определенного значения, которое зависит от интенсивности наводороживания и количества поглощенного водорода. Следовательно, увеличение локальных напряжений в водородосодержа-щих средах в основном обусловлено наводороживанием.
415
2.2. Влияние остаточных растягивающих напряжений на длительную прочность
Особую роль в процессе развития КМР под действием водорода играют остаточные локальные микронапряжения источниками которых являются дефектные области объемного растяжения, неметаллические включения и крупные частицы [12]. Наибольшая концентрация локальных микронапряжений достигается в местах встречи мартенситного кристалла с границей исходного аустенитного зерна, вследствие динамического удара быстрорастущего кристалла мартенсита об эту границу, что приводит к образованию зародышевых субмикротрещин [8, 13].
При работе стержневой арматуры необходимо учитывать взаимосвязь приложенных и остаточных напряжений, так как она может привести к росту или уменьшению растягивающих напряжений, т.е. сократить или увеличить время до разрушения. Для оценки роли остаточных напряжений оценивали ТЗВТ исходных сухих образцов, подвергавшихся предварительному растяжению при различных уровнях напряжений с последующей выдержкой.
Полученные результаты (рис. 4, а) показывают, что в начальный период (выдержка до 1 часа) наблюдается всплеск пика ВТ (микронапряжений), сопровождающийся дальнейшим его спадом, который, вероятно, можно объяснить протеканием пластических актов в микрообъемах металла вызванных локальным перенапряжением и оканчивающихся релаксацией.
С увеличением времени выдержки происходит медленный рост микронапряжений. Изменение модуля упругости, в общем совпадающее с изменением уровня ВТ, позволяет предположить, что в результате деформационного упрочнения создаются пиковые напряжения, под действием которых может произойти раскрытие субмикротрещин в объеме образца и на его поверхности, приводящее к его разупрочнению. При времени выдержки более 2 часов отмечается незначительное изменение модуля, который может как возрастать, так и уменьшаться, в зависимости от того, какой процесс преобладает - образование трещин или их залечивание.
Влияние локальных микронапряжений на высоту пика обнаруживается также при испытании гладкокатанных образцов из стали 20ГС2. В отсутствие на поверхности локальных концентраторов напряжений должны уменьшаться остаточные микронапряжения в образце при деформации, что и наблюдается экспериментально (рис. 4, б). Особенности изменения микронапряжений такие же, как у образцов периодического профиля, отличаются только их уровни и интенсивность протекания релаксационных процессов.
а
б
Рис. 4. Влияние продолжительности выдержки на воздухе под напряжением на высоту пика Кестера, модуль упругости и фон ВТ при 150 °C арматуры периодического профиля (а) и гладкокатанной арматуры (б): 1 - аэ = 0,7ав; 2 - аэ = 0,6ав; 3 - аэ = 0,5ав
2.3. Влияние среды и катодной поляризации на длительную прочность
При совместном воздействии среды и электролитического наводо-
роживания, получаем зависимость х104, аналогичную приведенной на
рис. 3. Наблюдали процесс упрочнения и разупрочнения образцов при увеличении времени выдержки и повторяемость указанных процессов, но с меньшим перепадом напряжений (рис. 5).
417
б
в
Рис. 5. Влияние времени выдержки в коррозионной среде и катодной поляризации на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б)
и фон ВТ (в) при 150 °C
Ускоренное протекание указанных процессов, вероятнее всего, связано с ускорением протекания диффузионных процессов и молизацией водорода в ловушках, что выражается в сокращении периодов изменения микронапряжений. Резкое падение модуля упругости при времени выдержки свыше 2 часов свидетельствует о необратимом характере водородного растрескивания, связанном с образованием несплошностей в металле. Однако достигнутого уровня микронапряжений недостаточно для развития из имеющихся несплошностей субмикротрещин и других дефектов, вследствие чего разрушение не происходит.
2.4. Влияние среды и напряжений на длительную прочность Влияние среды, вызывающей коррозионное растрескивание и растягивающих напряжений
Модуль упругости более, чем другие характеристики стали, чувствителен к нарушению сплошности и поверхностному упрочнению и при увеличении выдержки наблюдается незначительное его изменение, которое можно объяснить наличием локальных зон растворения, их количеством, изменением глубины проникновения и формы. Приведенные ре-
418
зультаты хорошо согласуются с изменением механических свойств образцов при выдержке в растворах нитратов [9]. Из приведенных выше результатов видно, что уровня локальных микронапряжений недостаточно для зарождения и развития микротрещин. При испытании образцов в коррозионной среде под напряжением наблюдается интенсификация коррозионных процессов (рис. 6). Возрастает возможность зарождения микротрещин за счет снижения поверхностной энергии и облегчения выхода и разрядки дислокаций на поверхность металла, интенсификации электрохимических процессов, диффузии элементов среды, образующих твердые продукты коррозии, которые могут создавать дополнительные растягивающие напряжения за счет расклинивающего эффекта. Все эти факторы в начальный период приводят к поверхностному упрочнению, зарождению суб-микротрещин и их раскрытию. Момент образования субмикротрещин сопровождается релаксационными процессами, приводящими к падению локальных микронапряжений и стабилизации изменения модуля упругости.
О"1 х104
V max 147
О 2 4 6 8 10 12
т, час
а
ExlO"3, МПа
V
\\ А1 Г г2
ы
0 2 4 6 8 10 12
т, час
б
в
Рис. 6. Влияние уровня растягивающих напряжений на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б) и фон ВТ (в) при 150 °C: в растворе нитратов под напряжением: 1 - аэ = 0,5ав; 2 - аэ = 0,6ав; 3 - аэ = 0,6ав
Из приведенных результатов видно, что основную роль в зарождении и развитии коррозионной микротрещины играют внешние растягивающие напряжения. Наличие коррозионной среды лишь способствует более быстрому протеканию локальных процессов. Совместное воздействие внешних растягивающих напряжений и коррозионной среды приводит к увеличению уровня локальных микронапряжений (см. рис. 2 и 6) и сокращению времени, за которое эти напряжения достигают критической величины, приводящее к зарождению и дальнейшему более быстрому развитию микротрещин. Металлографические исследования показали, что большинство трещин распространяется по границам зерен первичного аустенита, что указывает на ведущую роль пиковых микронапряжений, которые облегчают и ускоряют как зарождение, так и развитие микротрещин в зонах, наиболее искаженных и напряженных поверхностных объемов металла. При отсутствии внешних растягивающих напряжений не происходит процессов, характерных для коррозионного растрескивания из-за малой величины локальных микронапряжений, наблюдается лишь неравномерная коррозия, обусловленная наличием пиковых напряжений в поверхностном слое металла.
Влияние среды, вызывающей наводороживание и растягивающих напряжений
О влиянии растягивающих напряжений и агрессивной среды, вызывающей наводороживание на зарождение и развитие хрупкого разрушения на различных этапах испытаний стали 20ГС2 судили по механическим свойствам, локальным и усредненным остаточным напряжениям, и содержанию водорода в стали. Измерение остаточных напряжений производили посредством рентгеновской съемки образцов на дифрактометре УРС-50ИМ в СоКа излучении с автоматической записью линий (110) и (220). Микронапряжения определяли путем аппроксимации, макронапряжения -методом двух съемок [14]. Исследований выполняли на натурных образцах, которые предварительно выдерживали под напряжением на воздухе и в среде с катодной поляризации в течение различных периодов времени. Рентгенограммы, снятые с образцов, позволили проследить изменение напряжений первого рода на поверхности после различной выдержки при одном и том же уровне напряжений (0,5ов) ненаводороженных и электролитически наводороженных образцов вплоть до разрушения.
Интервалы выдержек, при которых прерывались испытания, устанавливали по кривой длительной прочности стали 20ГС2, построенной по итогам статистической обработки с 50%-ной вероятностью (рис. 7, а). Немонотонное изменение стойкости при напряжениях (0,6...0,4)ов может быть вызвано сменой механизма проникновения водорода и его перераспределением.
С целью выяснения роли растягивающих напряжений в процессе наводороживания проводили газовый анализ образцов после электролитического наводороживания на протяжении 1,63 часа при различных уровнях
420
растягивающих напряжений (рис. 7, б). Данное время характеризует стойкость образцов при напряжениях 0,5 и 0,6ов. Измерены количество водорода, экстрагированного из образцов при вакуумном нагреве до 850 °С (кривая 1), при вакуумном плавлении (кривая 2) и общее содержание водорода (кривая 3). В процессе испытаний при различных гомологических напряжениях образцы насыщались водородом в неодинаковой степени. Максимальное насыщение соответствует испытаниям при уровне приложенного напряжения оэ = 0,5ов.
Для выявления кинетики наводороживания проводили газовый анализ образцов, электролитически наводороженных под напряжением 0,6ов и 0,4ов через определенные интервалы времени. Результаты анализа показали, что увеличение растягивающих напряжений и времени электролитического наводороживания повышает концентрацию водорода в образцах до некоторого критического уровня. Содержание водорода в момент предраз-рушения у образцов, испытываемых при напряжении 0,6ов, составляет 22 см3/100 г, а при 0,4ов - 16 см3/100 г, несмотря на то, что продолжительность электролитического насыщения при меньшем напряжении почти в два раза больше. Из этого следует, что при значительных растягивающих напряжениях возрастает дефектность структуры, усиливающая диффузионную подвижность водорода, способствующая его перераспределению, скоплению в локальных участках и молизации в микронесплошностях, переходящих в микротрещины. Увеличение концентрации водорода перед фронтом развивающихся микротрещин облегчает их развитие благодаря упрочнению структуры (микронаклеп). Это свидетельствует о том, что критерием разрушения является не общее содержание окклюдированного водорода, а его распределение и состояние.
Сэ/ов Оэ/ав
0 1 2 3 4 5 6 7 0 4 В 12 16 20 24
х, час Уш, см3/100 г
а б
Рис. 7. Длительная прочность стали 20ГС2 периодического профиля в водном растворе 4,5% H2SO4 + 2,5% NH4CNS при катодной поляризации (Фк = 60 А/м2) (а) и содержание водорода (б): 1 - содержание водорода в образцах при вакуумном нагреве до 850 °С; 2 - содержание водорода в образцах при вакуумном плавлении; 3 - общее содержание водорода в образцах
421
В локальных микрообъемах возможно возникновение критических напряжений, под действием которых развиваются магистральные микротрещины. При выходе последних на поверхность происходит десорбция водорода и резкое падение его концентрации в зоне разрушения
Большая часть водорода пребывает в макродефектах в молизован-ном виде и не экстрагируется при 850 °С. Количество атомарного водорода, выделяющегося при этой температуре (рис. 7, б, кривая 1) в меньшей степени зависит от уровня приложенных напряжений. Определенная часть водорода улавливается дефектами кристаллической решетки, хотя содержание его в объеме металла практически постоянно.
В начальный период на поверхности исходных и наводороженных образцов имеются небольшие сжимающие напряжения, которые изменяют свою величину и знак с ростом продолжительности выдержки под напряжением (рис. 8). Электролитическое насыщение образца водородом в первое время снижает растягивающие напряжения, а затем (через 1,67 часа) доводит их до максимума. Резкое повышение растягивающих напряжений обусловлено значительным давлением молекулярного водорода в микрообъемах, релаксация напряжений - развитием микротрещин и их слиянием в магистральные.
а,, МПа
0 0,5 1 1,5 2 2,5
х, час
Рис. 8. Эпюры остаточных напряжений первого рода в зависимости
от времени выдержки образцов из стали 20ГС2 под напряжением аэ = 0,5ав: 1 - на воздухе; 2 - с катодной поляризацией; 3 - с катодной поляризацией после низкого отпуска
Уменьшение уровня растягивающих напряжений можно добиться путем десорбции водорода из объема образца и его перераспределения (выравнивания концентрации по объему). С этой целью перед каждой очередной выдержкой под напряжением в среде, вызывающей наводорожива-ние, производили низкий отпуск при температуре 100 °С в течение 1 часа, что привело к увеличению стойкости образца 1,5 раза.
Судя по высоте Кестера и модулю упругости исходных образцов, предварительно выдерживаемых под напряжением заданное время, в стали возникают локальные (пиковые) микронапряжения, периодически изменяющиеся. Это подтверждают результаты рентгенографического анализа (рис. 9).
Рис. 9. Эпюры остаточных напряжений второго рода в зависимости от времени выдержки образцов из стали 20ГС2 под напряжением аэ = 0,5ав: 1 - на воздухе; 2 - с катодной поляризацией
Так при испытании образцов в коррозионной среде под напряжением наблюдали интенсификацию коррозионных процессов. Наличие пика ВТ свидетельствует о том, что в первоначальный период времени при наводороживании без поляризации (рис. 10) протекают процессы упрочнения, обусловленные деформацией и воздействием коррозионной среды.
а
б
*ю4
4
3,5 3 2,5 2
Г 3
б 7
т, час
в
Рис. 10. Влияние времени выдержки в коррозионной среде под напряжением на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б) и фон ВТ (в) при 150°С: 1 - аэ = 0,7ав; 2 - аэ = 0,6ав; 3 - аэ = 0,5ав
423
При дальнейшей выдержке образца в коррозионной среде под напряжением наблюдали сдвиг максимума к меньшему времени, что связывали с ускоренным протеканием релаксационных процессов, вследствие чего возрастает возможность зарождения микротрещин как на поверхности металла, так и в приповерхностном объеме из-за снижения поверхностной энергии и облегчения выхода дислокаций на внешнюю поверхность металла и внутреннюю поверхность несплошностей, а также в результате интенсификации электрохимических процессов и диффузии элементов среды, образующих твердые продукты коррозии, которые могут вызывать дополнительные растягивающие напряжения за счет расклинивающего эффекта. Все эти факторы приводят к образованию и развитию несплошностей в образце, что хорошо видно по изменению модуля упругости в начальный период.
Однако дальнейшее возрастания модуля показывает, что субмикро-трещины, образовавшиеся в результате упрочнения, вызванного совместным действием коррозионной среды и растягивающих напряжений, не развиваются, а возможно и склонны к залечиванию вследствие релаксации напряжений.
С увеличением времени выдержки до 100 часов наблюдается рост уровня микронапряжений. При некотором времени выдержки микронапряжения могут достигнуть величины, достаточной для развития оставшихся субмикротрещин (в основном в приповерхностном объеме, где их смыканию препятствует водород, который диффундирует в эти области и как только они достигают определенных размеров, молизуется в них, тем самым создавая дополнительные растягивающие напряжения за счет возрастающего давления молекулярного водорода). Это подтверждается испытаниями на длительную прочность (см. рис. 1, а). Из графика видно, что при испытании в отсутствие катодной поляризации время до разрушения значительно возрастает.
2.5. Влияние среды, напряжений и катодной поляризации на длительную прочность
Применение катодной поляризации позволяет интенсифицировать процесс наводороживания. Из рис. 11 видно, что в этом случае испытания сопровождаются резким разупрочнением. Образовавшиеся микротрещины достигают по меньшей мере критических размеров, после чего их развитие протекает спонтанно. Локальные напряжения, возникающие практически мгновенно быстро релаксируют за счет образования большого числа суб-микротрещин.
По изменению модуля упругости четко видно, что на первом этапе (I) происходит зарождение микротрещин. Второй этап (II) при напряжениях (0,5...0,6)ов соответствует развитию субмикротрещин и протекает с меньшей скоростью. При увеличении внешних растягивающих напряжений длительность этапов увеличивается. Третий этап (III) соответствует
быстрому развитию трещины за счет слияния субмикротрещин и микротрещин. Продолжительность этой стадии пренебрежимо мала, но в данных условиях испытаний соизмерима со временем зарождения и развития микротрещин.
130 ■ » 2
0 0,5 1 1,5 2 0 0,5 1 1,5 2
Рис. 11. Влияние времени выдержки в коррозионной среде под напряжением при Ок = 60 А/м2 на высоту пика Кестера (а), модуль упругости (б) и фон ВТ (в) при 150°С: 1 - аэ = 0,7ав; 2 - аэ = 0,6ав;
3 - аэ = 0,5ав
Это может быть связано с тем, что при данных условиях испытаний наблюдается резкое сокращение инкубационного периода и стадии развития микротрещин, а также с зарождением и развитием множества разори-ентированных микротрещин, что препятствует их слиянию в магистральную трещину и тем самым увеличивает время предразрушения. Водород в процессе хрупкого разрушения играет роль катализатора указанных процессов, приводя к резкому снижению величины микронапряжений, необходимых для продвижения микротрещин, тем самым облегчая растрескивание.
Выводы
1. Исследовано влияние внутренних и внешних факторов на кинетику процесса коррозионно-механического разрушения в агрессивных во-дородсодержащих средах. На основе проведенных исследований установлено, что комплексное воздействие на материал агрессивной среды, растягивающих напряжений (приложенных и остаточных) и катодной поляризации способствуют интенсификации коррозионных процессов и как следствие, уменьшению длительной прочности.
2. Выявлено, что увеличение уровня приложенных растягивающих напряжений приводит к сокращению инкубационного периода развития микротрещин при водородном растрескивании. Зарождение и развитие трещин при этом происходит преимущественно в объеме образца в местах локализации растягивающих напряжений на дефектных участках структуры и субструктуры.
3. Показано, что длительная прочность арматурной стали в значительной степени определяется релаксационной способностью структуры -релаксация остаточных пиковых микронапряжений, локализующихся у границ зерен и субструктурных границ способствует снижению чувствительности к коррозионно-механическому разрушению.
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов [15-24].
Работа выполнена по проекту №11.6682.2017/8.9.
Список литературы
1. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974. 256 с.
2. Петров Л.Н., Сопрунюк Н.Г. Коррозионно-механическое разрушение металлов и сплавов / отв. ред. АН Украины Р.К. Мелехов. Киев: На-укова думка, 1991. 216 с.
3. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н. Водородное охрупчивание и растрескивание высокопрочной арматурной стали: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 180 с.
4. Чучкалов М. В. Теория и практика борьбы с коррозионным растрескиванием под напряжением на магистральных газопроводах: монография. М.: МАКС Пресс, 2016. 336 с.
5. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 430 с.
6. Кутепов С.Н. Основные закономерности и механизмы замедленного разрушения высокопрочных сталей (обзор) // Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее: Сб. матер. XII Региональной науч.-практ. конф. аспирантов, соискателей, молодых ученых и магистрантов. Тула: Изд-во ТТПУ им. Л.Н. Толстого, 2016. С. 128-133.
7. Колачев, Б. А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 216 с.
8. Шиховцов А.А. Влияние внутренних и внешних факторов на замедленное хрупкое разрушение стали // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-9. С. 1841-1845.
9. Разработка методики исследования коррозионно-механического разрушения арматурных сталей в водородосодержащих средах / Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Д.С. Клементьев, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 8. С. 35-56.
426
10. ГОСТ 25156-82. Металлы. Динамический метод определения характеристик упругости. М.: Издательство стандартов, 1982. 21 с.
11. Саррак В.И., Суворова С.О., Яковлев И.И. Микродеформация и внутреннее трение в железе // В кн.: Аналитические возможности метода внутреннего трения. М.: Наука, 1973. С. 70-75.
12. Крутикова И.А., Панфилова Л.М., Смирнов Л.А. Анализ влияния различных факторов на замедленное разрушение крепежных соединений конструкций // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2012. № 2. С. 68-74.
13. Роль пиковых напряжений в образовании холодных трещин в сварных соединениях закаливающихся сталей / Ю.А. Стеренбоген, Д.В. Васильев, Э. Л. Демченко, Д. П. Новикова // Автоматическая сварка. 2006. № 4. С. 11-20.
14. Горелик, С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970. 366 с.
15. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 136-144.
16. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, Д.М. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3-7.
17. Технология конструкционных, эксплуатационных и инструментальных материалов: учебник 2 изд., доп./ А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Д. Бреки. Изд-во ТулГУ, 2018. 406 с.
18. Жидкие и консистентные смазочные композиционные материалы, содержащие дисперсные частицы гидросиликатов магния, для узлов трения управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Н.А. Крылов, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.В. Малий / под ред. А.Д. Бреки. Тула: Издательство ТулГУ, 2016. 166 с.
19. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.Д. Бреки, Н.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, Д.В. Малий. Тула: Издательство ТулГУ, 2016. 235 с.
20. On friction of metallic materials with consideration for superplastici-ty phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Т. 8. № 1. С. 126-129.
427
21. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.
22. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев,
A.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.
23. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода /
B.П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11-22.
24. Принятие решений по статистическим моделям в управлении качеством продукции / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, С.В. Сапожников,
C.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 5(74). С. 78-92.
Сергеев Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Извольский Валерий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сергеев Александр Николаевич, д-р пед. наук, профессор, ansergueev@mail. ru, Россия Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, kutepov. sergei@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected] Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Клементьев Денис Сергеевич, магистр педагогического образования, den-is.klementev.93@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Пантюхин Олег Викторович, канд. техн. наук, доцент, Россия, Тула, [email protected], Тульский государственный университет
INFLUENCE OF INTERNAL AND EXTERNAL FACTORS ON THE KINETICS OF CORROSION-MECHANICAL DESTRUCTION OF REINFORCING STEELS
N.N. Sergeev, V.V. Izvol'skiy, A.N. Sergeev, S.N. Kutepov, A.E. Gvozdev, D.S. Klement'yev, O.V. Pantjuhin 428
The paper considers the influence of the composition of the corrosive medium, tensile stresses on the long-term strength of reinforcing steels operated in aggressive hydrogen-containing environments. It is shown that the sensitivity of reinforcing steel to corrosion-mechanical destruction increases with the tightening of experimental conditions. It is revealed that the increase in the level of applied tensile stresses leads to a reduction in the incubation period of microcracks development in hydrogen cracking. It is found that the sensitivity of reinforcing steel to cracking is largely determined by the relaxation ability of the structure -relaxation of residual peak microstresses localized at the grain boundaries and substructural boundaries helps to reduce the sensitivity to corrosion and mechanical failure.
Key words: corrosion medium, long-term strength, temperature dependences of internal friction, tensile stresses, cathodic polarization.
Sergeev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Izvol'skiy Valeriy Vladimirovich, candidate of technical science, docent, kafedrass-mik@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical science, professor [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical science, professor, gw ozdew. alexandr2 013@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Klement'yev Denis Sergeevich, master, denis.klementev. [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Pantjuhin Oleg Viktorovich, candidate of technical science, docent, olegpantyu-khin@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
