Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей

Досліджено вплив водневої атмосфери за тисків до 30 MPa та заздалегідь поглинутого при 623 K водню на короткочасну і довготривалу статичну тріщиностійкість зразків із мартенситної ЕП-517 (15Х12Н2МФАВ) та аустенітної дисперсійно твердкої ЕП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Встановлено, що під дією водню...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Іваськевич, Л.М., Балицький, О.І., Мочульський, В.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2012
Назва видання:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139758
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей / Л.М. Іваськевич, О.І. Балицький, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 78-86. — Бібліогр.: 29 назв. — укp.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-139758
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1397582018-06-22T03:06:29Z Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей Іваськевич, Л.М. Балицький, О.І. Мочульський, В.М. Досліджено вплив водневої атмосфери за тисків до 30 MPa та заздалегідь поглинутого при 623 K водню на короткочасну і довготривалу статичну тріщиностійкість зразків із мартенситної ЕП-517 (15Х12Н2МФАВ) та аустенітної дисперсійно твердкої ЕП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Встановлено, що під дією водню у 2–3 рази знижується коефіцієнт інтенсивності напружень Kс і зменшується товщина зразка, за якої реалізується плоскодеформований стан. Вплив водню на значення Kс посилюється зі збільшенням тиску водневої атмосфери (сталь ЕП-517), концентрації заздалегідь поглинутого за високих температур водню (сталь ЕП-700), а також зі зменшенням товщини зразків від 35 до 10 mm. Після витримки у повітрі за кімнатної температури впродовж 17,5·10⁴ h вміст водню в сталях знижується, значення Kс зростають, але є на 20 % нижчі, ніж для ненаводнених зразків. За випробувань на довготривалу статичну тріщиностійкість на базі 300 h встановлено інваріантну характеристику тріщиностійкості сталі ЕП-700 – порогове значення KІHST, рівне 38 MPa m . Исследовано влияние водородной атмосферы при давлениях до 30 MPa и предварительно поглощенного при 623 K водорода на кратковременную и длительную статическую трещиностойкость мартенситной ЭП-517 (15Х12Н2МФАВ) и аустенитной дисперсионно-твердеющей ЭП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Установлено, что под воздействием водорода в 2–3 раза снижается коэффициент интенсивности напряжений и уменьшается толщина образца, при которой реализуется плоскодеформированное состояние. Влияние водорода на значения Kс усиливается с увеличением давления водородной среды (сталь ЭП-517) и концентрации предварительно поглощенного при высоких температурах водорода, а также с уменьшением толщины образцов от 35 до 10 mm. После выдержки на воздухе при комнатной температуре в течение 17,5·10⁴ h содержание водорода в сталях уменьшается, значения Kс возрастают, но остаются на 20% меньшими, нежели ненаводороженных образцов. При испытаниях на длительную статическую трещиностойкость на базе 300 h установлена инвариантная характеристика стали ЭП-700 – пороговое значение KІHST, равное 38 MPa. The effect of hydrogen atmosphere at pressures up to 30 MPa and preliminary absorbed at 623 K hydrogen on the short- and long-time static fracture toughness of the martensitic EP-517 (15Х12Н2МФАВ) and austenitic EP-700 (10Х15Н27Т3В2МР) steels is investigated. It was established that under hydrogen effect the stress intensity factor Kс decreases 2–3 fold and as well as the specimen thickness at which the stress-strain state occurs. Hydrogen influence on Kс increases with the growth of hydrogen medium pressure (ЭП-517 steel) and concentration of preliminary adsorbed at high temperatures hydrogen and also with the decrease of the specimen thickness from 35 to 10 mm. After exposure to air at room temperature for 17.5·10⁴ h the content of hydrogen in steels decreases, the Kс values increase, but remain 20% lower than Kс of the non-hydrogenated samples. In the long- term static crack growth resistance testing on the base of 300 h the invariant characteristic of EP-700 steel – the threshold KІHST value is 38 MPa. 2012 Article Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей / Л.М. Іваськевич, О.І. Балицький, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 78-86. — Бібліогр.: 29 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139758 620.178.4: 669.14.018 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Досліджено вплив водневої атмосфери за тисків до 30 MPa та заздалегідь поглинутого при 623 K водню на короткочасну і довготривалу статичну тріщиностійкість зразків із мартенситної ЕП-517 (15Х12Н2МФАВ) та аустенітної дисперсійно твердкої ЕП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Встановлено, що під дією водню у 2–3 рази знижується коефіцієнт інтенсивності напружень Kс і зменшується товщина зразка, за якої реалізується плоскодеформований стан. Вплив водню на значення Kс посилюється зі збільшенням тиску водневої атмосфери (сталь ЕП-517), концентрації заздалегідь поглинутого за високих температур водню (сталь ЕП-700), а також зі зменшенням товщини зразків від 35 до 10 mm. Після витримки у повітрі за кімнатної температури впродовж 17,5·10⁴ h вміст водню в сталях знижується, значення Kс зростають, але є на 20 % нижчі, ніж для ненаводнених зразків. За випробувань на довготривалу статичну тріщиностійкість на базі 300 h встановлено інваріантну характеристику тріщиностійкості сталі ЕП-700 – порогове значення KІHST, рівне 38 MPa m .
format	Article
author	Іваськевич, Л.М. Балицький, О.І. Мочульський, В.М.
spellingShingle	Іваськевич, Л.М. Балицький, О.І. Мочульський, В.М. Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet	Іваськевич, Л.М. Балицький, О.І. Мочульський, В.М.
author_sort	Іваськевич, Л.М.
title	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
title_short	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
title_full	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
title_fullStr	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
title_full_unstemmed	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
title_sort	вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/139758
citation_txt	Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей / Л.М. Іваськевич, О.І. Балицький, В.М. Мочульський // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 3. — С. 78-86. — Бібліогр.: 29 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT ívasʹkevičlm vplivvodnûnastatičnutríŝinostíjkístʹžaromícnihstalej AT balicʹkijoí vplivvodnûnastatičnutríŝinostíjkístʹžaromícnihstalej AT močulʹsʹkijvm vplivvodnûnastatičnutríŝinostíjkístʹžaromícnihstalej
first_indexed	2025-07-10T08:59:22Z
last_indexed	2025-07-10T08:59:22Z
_version_	1837249823414157312
fulltext	78 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.178.4: 669.14.018 ВПЛИВ ВОДНЮ НА СТАТИЧНУ ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ЖАРОМІЦНИХ СТАЛЕЙ Л. М. ІВАСЬКЕВИЧ, О. І. БАЛИЦЬКИЙ, В. М. МОЧУЛЬСЬКИЙ Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів Досліджено вплив водневої атмосфери за тисків до 30 MPa та заздалегідь поглину- того при 623 K водню на короткочасну і довготривалу статичну тріщиностійкість зразків із мартенситної ЕП-517 (15Х12Н2МФАВ) та аустенітної дисперсійно тверд- кої ЕП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Встановлено, що під дією водню у 2–3 рази знижується коефіцієнт інтенсивності напружень Kс і зменшується товщина зразка, за якої реалізується плоскодеформований стан. Вплив водню на значення Kс посилюєть- ся зі збільшенням тиску водневої атмосфери (сталь ЕП-517), концентрації заздалегідь поглинутого за високих температур водню (сталь ЕП-700), а також зі зменшенням товщини зразків від 35 до 10 mm. Після витримки у повітрі за кімнатної температури впродовж 17,5·104 h вміст водню в сталях знижується, значення Kс зростають, але є на 20 % нижчі, ніж для ненаводнених зразків. За випробувань на довготривалу статичну тріщиностійкість на базі 300 h встановлено інваріантну характеристику тріщиностій- кості сталі ЕП-700 – порогове значення KІHST, рівне 38 MPa m . Ключові слова: короткочасна і довготривала статична тріщиностійкість, водне- ве окрихчування, мартенситна та аустенітна сталі. За статичного навантаження довговічність конструкцій та критичні розміри технологічних дефектів – концентраторів напружень чи експлуатаційних тріщин розраховують за значеннями критичного коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) KІс (Kс) [1–3]. Але його використання для оцінювання роботоздатності де- талей у газоподібному водні обмежене низкою факторів, обумовлених методич- ними аспектами його визначення у лабораторних умовах і особливостями заро- дження та росту тріщини у присутності водню [2, 3]. Матеріали, які застосовують у водневій енергетиці, повинні мати запас пластичності та бути нечутливими до тріщин і надрізів, через що умови автомодельності забезпечуються лише для зразків великих розмірів [1–4], що суттєво ускладнює експерименти. Тому вплив водню на механічну поведінку конструкційних сталей та сплавів вивчали за ви- пробувань на короткочасний статичний розтяг і малоциклову втому [5–7]. Вста- новлені закономірності впливу умов навантаження (швидкість за статичного роз- тягу, частота та амплітуда за малоциклової втоми, температура, тиск та вміст за- здалегідь розчиненого водню) на міцність, пластичність і довговічність матеріа- лів різних структурних класів [5–8]. Останнім часом зріс інтерес про дослідження циклічної тріщиностійкості матеріалів у водневовмісних середовищах за різних параметрів циклу навантаження із урахуванням концентрації водню біля тріщи- ноподібного дефекту [9, 10]. Однак дані про закономірності впливу водню на ста- тичну тріщиностійкість обмежені та неоднозначні. Зокрема, відсутня важлива для механіки руйнування інформація про залежність швидкості росту тріщини від КІН та вплив розмірів зразків на параметр Kс (KІс) за різних умов наводню- вання. Контактна особа: Л. М. ІВАСЬКЕВИЧ, e-mail: ivaskevich@ipm.lviv.ua 79 Нижче визначили закономірності впливу водню на тріщиностійкість жаро- міцних сталей мартенситного та аустенітного класів за короткочасного та довго- тривалого статичного навантажень. Матеріали та методика. Досліджували використовувані в аерокосмічному і енергетичному машинобудуванні [11, 12] мартенситну ЕП-517 (15Х12Н2МФАВ) та аустенітну дисперсійно твердку ЕП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталі, властивос- ті яких у водні за статичного розтягу та малоциклової втоми встановлені раніше [7, 13–15]. Їх хімічний склад, режими термічних обробок і механічні властивості, визначені у повітрі та водні під тиском 30 МPа за кімнатної температури, швид- кості розтягу 0,1 mm/min, амплітуди та частоти згину 1,6% та 0,5 Hz, наведені у табл. 1. Таблиця 1. Режими термічної обробки та механічні властивості сталей за кімнатної температури у повітрі (чисельник) та водні під тиском 30 МPа (знаменник) Термічна обробка Механічні властивості σВ σ0,2 δ ψ Хімічний склад, mass.% гарту- вання старіння MPa % N циклів до руйнування, ε = 1,6% ЕП-517: 0,15C; 0,5Si; 12,2Cr; 1,9Ni; 1,52Mo; 0,72W 1393 K, 1 h 953 K, 2 h 1080 1060 940 950 16 4 62 10 1029 43 ЕП-700: 0,09C; 0,6Si; 15Cr; 27,11Ni; 1,41Mo; 1,92W; 2,85Ti; 0,29Al; 0,02B; 0,1Co 1373 K, 1 h 1023 K, 16 h + 923 K, 10 h 1270 1240 870 880 17 10 23 10 2277 501 Примітка: властивості сталі ЕП-700 у водні вивчали на заздалегідь наводнених (до концентрації СН = 15 wppm) за 623 K зразках. КІН під статичним навантаженням KQ розраховували згідно зі стандартом [4]. Для дослідження впливу товщини зразка на характер руйнування у водні та повітрі використовували прямокутні компактні зразки розмірами 10×24×25; 13× ×31×33; 15×36×38; 20×48×50; 25×60×62; 30×72×75; 35×84×87,5 mm. Довжина по- передньо наведеної втомної тріщини l = (0,45... 0,55) b, де b – ширина зразка. В’яз- кість руйнування в умовах пружно-пластичного руйнування визначали за мето- дом J-інтеграла [16] на зразках товщиною 20 mm за швидкості розтягу 0,1 mm/min. Довготривалу статичну тріщиностійкість вивчали за відомою методикою [17] на двоконсольних балкових (ДКБ) зразках розмірами 150×24×12 mm із втом- ними тріщинами завдовжки 30 mm. У водні під тиском 30 МPа досліджували заздалегідь наводнені зразки зі сталі ЕП-700 (СН = 15 wppm) за силової схеми навантаження зі сталим розкриттям. Симетричні V-подібні бокові надрізи із кутом 60° та глибиною 1,5 mm сприяють формуванню умов плоскої деформації у зразку та скеровують тріщину вздовж його площини симетрії [18]. База випроб 300 h. Після витримки у водні за 623 K, тиску 35 MPa впродовж 5; 7; 10; 20 та 24 h його кількість у сталі ЕП-700, визначена хроматографічним аналізом на приладі Leko TCH 600 [19], становила відповідно 5; 6,5; 15; 28 та 29,5 wppm. Робочі камери установок для випроб у водні заздалегідь вакуумували, про- дували воднем, знову вакуумували і заповнювали воднем до заданого тиску. Всі механічні характеристики визначали при 293 K. Чутливість сталей до водневої деградації оцінювали за коефіцієнтом βKс, який розраховували як співвідношення відповідних значень Kс у водні та повітрі. 80 Вплив умов наводнювання та товщини зразка на в’язкість руйну- вання. Визначення критичних зна- чень КІН у повітрі. Пластичні харак- теристики сталей у нейтральному сере- довищі високі (табл. 1), за товщини зразків t = 20 mm плоскодеформований стан (ПДС) не реалізується [13–15]. Тому КІН KІс, який відповідає умовам плоскої деформації, визначали методом J-інтеграла. Попри певні застереження [2, 20–22], такий метод часто застосо- вують, щоб оцінити статичну тріщино- стійкість пластичних матеріалів, зокре- ма, за малих товщин деталей конструк- цій [10, 23–25]. Значення J-інтеграла знаходили за формулою J = 2А / t(b–1), де А – площа під кривою навантажен- ня-переміщення. Критичне значення JІс визначали, будуючи залежності пара- метра J від приросту довжини тріщини ∆l (рис. 1, крива 1) та екстраполюючи цю криву до перетину з прямою, побудова- ною за формулою J = 2σт∆l, де σт = (σ0,2 + σВ)/2 (рис. 2, крива 2). Крива J = f(∆l) перетинається зі січною J/2σт у точці JQ, яка відповідає моменту старту тріщини (рис. 2). Для сталей ЕП-700 і ЕП-517параметр JQ рівний 39 і 61,4 kJ/m2 відповідно (рис. 2), що задовольняє експериментальні критерії визначення коректних зна- чень JІс: t, l, b – l ≥ α JQ/σт, (α = 25...50) [16]. Критичний КІН в умовах плоскої деформації KІс(J) визначали за значенням JІс, використовуючи залежність K2 Іс(J) = JІс Е / (1–µ2), де Е – модуль пружності (модуль Юнґа); µ – коефіцієнт Пуассона. Отриманий методом J-інтеграла параметр KІс(J) для сталі ЕП-700 становить 94 MPa m , а для сталі ЕП-517 – 119 MPa m . За таких значень для реалізації ПДС необхідно, щоб товщина компактних зразків з цих сталей перевищувала 40 і 29 mm відповідно. Вплив умов наводнювання на КІН. За кімнатної температури максимальний вплив водню на пластичність, малоциклову довговічність та в’язкість руйнування (t = 20 mm) мартенситних сталей типу ЕП-517 зафіксовано за його тисків понад 10 MPa [15], а додаткова дія заздалегідь поглинутого водню незначна, тоді як вказані вище характеристики аустенітних дисперсійно твердких сталей типу ЕП-700 сут- тєво знижуються лише після попереднього високотемпературного наводнювання [7, 8, 11–16]. Тому вивчали залежності коефіцієнта Kс ненаводнених зразків зі сталі ЕП-517 від тиску водню і заздалегідь наводнених зразків зі сталі ЕП-700 від його вмісту. Зі зростанням тиску (сталь ЕП-517) і вмісту водню (сталь ЕП-700) в’язкість руйнування зменшується (рис. 2), причому без попереднього наводнювання вплив водневої атмосфери на тріщиностійкість сталі ЕП-700 незначний (рис. 2b, крива 1; рис. 3b, крива 3). Параметр Kс зразків із сталі ЕП-517 товщиною 20 mm досягає мінімальних значень 47 MPa m за тиску водню 7,5 МРа (рис. 2a, крива 2) [15], товщиною 35 mm – за тиску 5 МРа (рис. 2a, крива 3). Значення Kс зразків завтовшки 20 і 35 mm зі сталі ЕП-700 зменшуються до 49…50 MPa m в інтервалі концентрацій водню 0…6,5 wppm і не знижуються з подальшим наводнюванням (рис. 2b, крива 3). За цих умов діаграми “навантажен- Рис. 1. Залежність J-інтеграла від при- росту довжини тріщини ∆l (1) та крива, побудована за ф-лою J = 2∆l(σ0,2 + + σВ)/2 (2) для сталі ЕП-700 у повітрі. Fig. 1. Dependence of J-integral on crack length increment ∆l (1) and curve plotted by Eq. J = ∆l(σ0,2 + σВ)/2 (2) for EP-700 steel in air. 81 ня–переміщення” відповідають типу І за документом [4], бокові утяжки відсутні, а злам зразків покритий фасетками відколу, характерними для крихкого руй- нування. При цьому величина Kс досягає критичних значень KIс, тобто відповідає вимогам l,b ≥ 2,5(Kс H/σ0,2 H)2 [4, 21]. Таким чином, водень ініціює руйнування за механізмом нормального відриву на всьому фронті тріщини, викликаючи ПДС. Рис. 2. Залежність в’язкості руйнування Kс зразків завтовшки 10 (1); 20 (2) та 35 mm (3) від тиску водню (ненаводнені зразки зі сталі ЕП-517) (a) та його вмісту (наводнені зі сталі ЕП-700, тиск водню 30 МPа) (b). Fig. 2. Dependence of fracture toughness, Kс, of specimens with thickness 10 (1); 20 (2) and 35 mm (3) on hydrogen pressure (non-hydrogenated EP-517 steel specimens) (a) and hydrogen concentration (hydrogenated EP-700 steel specimens, hydrogen pressure 30 МPа) (b). За товщини зразка 10 mm умови плоскої деформації для сталі ЕП-700 вико- нуються лише після наводнювання до СН = 28 wppm (рис. 2b, крива 1), а для сталі ЕП-517 не виконуються навіть за найбільшого тиску 30 МРа (рис. 2a, крива 1). Отже, для досягнення максимального впливу водню на коефіцієнт тріщиностій- кості зразків із меншою товщиною необхідні вищі тиски (сталь ЕП-517) або кон- центрації заздалегідь поглинутого водню (сталь ЕП-700). Вплив розмірів зразка на КІН та ступінь водневого окрихчення. Роль мас- штабного фактора в оцінюванні впливу водню на статичну тріщиностійкість досліджували за його тиску 30 МРа на ненаводнених (сталі ЕП-517 і ЕП-700) та заздалегідь наводнених до 15 та 28 wppm (сталь ЕП-700) зразках. У повітрі зна- чення Kс сталі ЕП-517 зі збільшенням товщини зразка від 10 до 13 mm незначно зростають, а потім зменшуються у всьому дослідженому інтервалі (рис. 3a, крива 1). За максимальних товщин 35 mm Kс > KІс(J) (рис. 3a, криві 1, 2) поверхня зламу в’язкокрихка з боковими утяжками. Складніша залежність Kс(t) для сталі ЕП-700 (рис. 3b, крива 1), на зразках із якої товщиною 30 і 35 mm реалізується ПДС. Зна- чення KІс (91...92 MPa m ) дещо менші, ніж KІс(J) (94 MPa m ) (рис. 3b, крива 1), що узгоджується із відомими порівняльними результатами визначення в’язкості руйнування різними експериментальними методиками [17, 18, 20–25]. За максимального водневого окрихчування параметр Kс майже не залежить від товщини зразка (рис. 3a, крива 3; рис. 3b, крива 5). Очевидно, значення коефі- цієнтів тріщиностійкості KІсН критичні для сталей у присутності водню. У повітрі Kс зменшується зі збільшенням товщини t (рис. 3, криві 1), тому вплив водню по- слаблюється, коефіцієнт βKс асимптотично наближається до значення співвідно- шення KІсН/KІс (рис. 4, криві 2–5). Деяке посилення водневого окрихчування сталі ЕП-700 за концентрації СН = 28 wppm і товщин 10…20 mm (рис. 4, крива 1) та сталі ЕП-517 в інтервалі товщин 10…13 mm (рис. 4, крива 3) обумовлено тим, що за цих умов не отримано мінімальні значення Kс. Оскільки залежно від товщини 82 зразка і умов наводнювання вплив водню на параметр Kс може бути відчутно сильніший або слабший, ніж на KІс (рис. 4), для коректного оцінювання тріщино- стійкості матеріалів у водневовмісних середовищах важливо встановити тиски або концентрації водню, за яких реалізується ПДС. Рис. 3. Вплив товщини зразка t на коефіцієнт Kс сталей ЕП-517 (a) та ЕП-700 (b): 1, 2 – повітря, значення KІс, отримані стандартним і методом J-інтеграла, відповідно; 3–5 – водень під тиском 30 MPa за вмісту заздалегідь оклюдованого водню 0 (3); 15 (4) і 28 (5) wppm. Fig. 3. Influence of specimen thickness , t , on stress intensity factor, Kс, of EP-517 (a) and EP-700 steels (b): 1, 2 – air, value KІс, obtained by standard and J-integral methods, respectively; 3–5 – hydrogen under the pressure of 30 MPa with preliminary saturated hydrogen 0 (3); 15 (4) and 28 (5) wppm. Рис. 4. Залежності коефіцієнта впливу водню під тиском 30 MPa на величину Kс сталей ЕП-700 (1, 2) і ЕП-517 (4) за вмісту зазда- легідь оклюдованого водню 0 (4); 15 (1) і 28 (2) wppm від товщини зразків. Штрихові лінії – значення співвідношення KІсН / KІс сталей ЕП-700 (3) і ЕП-517 (5). Fig. 4. Dependence of the hydrogen influence coefficient at a pressure of 30 MPa on Kс of EP-700 (1, 2) and EP-517 steels (4) under the preliminary hydrogen saturation 0 (4); 15 (1) and 28 (2) wppm on specimens thickness. Dotted lines – the values of relation KІсН / KІс of EP-700 (3) and EP-517 steels (5). Таким чином, під дією водню у 2–3 рази знижується в’язкість руйнування, а ПДС реалізується за значно менших товщин зразків (рис. 3). Особливо суттєво впливає водень на розміри пластичної зони, які пропорційні квадрату коефіцієнта Kс [14, 20], визначають розподіл пружних та пластичних деформацій перед вер- шиною тріщини, характер руйнування і залишковий ресурс експлуатації [20–25]. Відомо, що на великих зразках розміри пластичної зони малі проти довжин трі- щини, залишкового перерізу і товщини зразка [2, 20–23]. Зразки із меншою тов- щиною та більшим співвідношенням розмірів пластичної зони до товщини ок- рихчуються сильніше, однак для цього необхідні вищі тиски (сталь ЕП-517) або концентрації (сталь ЕП-700) водню (рис. 2–4). Отже, за достатньої для макси- мального окрихчування кількості водню його вплив на в’язкість руйнування за плосконапруженого стану сильніший, ніж за плоскодеформованого. Зміни в’язкості руйнування під час десорбції водню. Компактні зразки роз- мірами 20×48×50 mm випробовували на статичний розтяг у повітрі після навод- 83 нення (623 K, 35 MPa, 10 h) (режим 1), а також довготривалої (17,5·104 h) витрим- ки у повітрі за кімнатної температури (режим 2). Внаслідок наводнювання у мартенситній сталі (з вмістом водню 5,1 wppm) коефіцієнт Kс знизився від 154 до 101 MPa m (табл. 2), але залишився суттєво вищим, ніж параметр KІс для зраз- ків із цієї сталі товщиною 20 mm за тиску водневої атмосфери 7,5 MPa (47 MPa m ) (рис. 3, крива 2). Довготривала дегазація при 293 K суттєво зменшила кількість водню в зразках, однак в’язкість руйнування не відновилась до вихідного рівня (табл. 2). За аналогічних умов наводнювання сталь ЕП-700 поглинула втричі біль- ше водню, вміст якого залишається значним після 20-річної витримки у повітрі (табл. 2). За СН = 15 wppm значення коефіцієнта Kс=56 MPa m близьке до зна- чення KІс цієї сталі (49 MPa m ) (табл. 2; рис. 2). Після дегазації в’язкість руйну- вання сталі дещо зросла, але залишилась на 20% нижчою, ніж ненаводнених зраз- ків (табл. 2). Таким чином, оклюдований водень суттєво погіршує тріщиностій- кість досліджених сталей, а довготривала витримка у повітрі за кімнатної темпе- ратури не забезпечує повної дегазації і відновлення вихідних властивостей. Таблиця 2. Вміст водню та в’язкість руйнування сталей за кімнатної температури у повітрі після різних режимів обробки Матеріал Характеристика Вихідні зразки Режим 1 Режим 2 СН, wppm 0 5,1 1,6 ЕП-517 Kс, MPa m 154 101 126 СН, wppm 0 15 6,2 ЕП-700 Kс, MPa m 98 56 76 Аналогічні результати отримали, досліджуючи вплив високотемпературного газового наводнювання на характеристики міцності та пластичності литої мартен- ситної сталі ВНЛ-1М (05Х13Н8М3). Встановили, що після 2,2·104 h витримки у повітрі за 293 K в зразках залишається до 40% початково поглинутого водню і відносні видовження та поперечне звуження не досягають вихідних значень [26]. При цьому вплив водню максимальний не відразу після наводнювання, а через 1000…3000 h витримок. Методом електронно-мікроскопічної авторадіографії ви- явили, що після високотемпературного наводнювання водень розподілений рів- номірно по всьому об’єму зразка, а під час старіння сегрегує на дефектах криста- лічної ґратки (дислокаціях, вакансіях, межах блоків, зерен і фаз). За такого мето- ду навіть після дегазації у вакуумі за 673… 923 K у сталях залишається 10…20% водню [27]. Очевидно, значний залишковий його вміст і суттєве окрихчування сталей ЕП-517 і ЕП-700 після довготривалої витримки у повітрі за кімнатної температури обумовлені великою кількістю міжзеренних та міжфазних меж, які є пастками для водню і перешкоджають його виділенню із металу. Довготривала статична тріщиностійкість сталі ЕП-700. Особливістю по- ведінки конструкційних матеріалів у присутності водню є докритичний ріст трі- щини за КІН, суттєво менших за граничні значення параметра KІс [2, 5, 17, 25–27]. Тоді оцінюють закономірності взаємодії водень–метал і прогнозують довговіч- ність виробів у водневовмісних середовищах за діаграмами статичної тріщино- стійкості – залежностями швидкості росту тріщини від КІН [2, 17, 26, 27]. Для побудови кінетичної діаграми водневого розтріскування сталі ЕП-700 викорис- тали ДКБ зразки, для яких за постійної деформації вдається отримати повну за- лежність параметра KI від довжини підростаючої тріщини на одному зразку. На зразки наносили бокові надрізи, оскільки без них тріщина розгалужувалася і її ріст відхилявся від площини симетрії, що обумовило некоректне визначення бі- 84 жучих КІН та порогового значення KІHST. Заздалегідь наводнені та ненаводнені зразки з попередньо вирощеною втомною тріщиною навантажували до значень КІН, що не перевищують значень KIс у повітрі, і встановлювали у камеру з вод- нем під тиском 30 MPa. Максимальний час витримки 300 h. Підростання тріщини з обох боків зразка фіксували візуально інструментальним мікроскопом та визна- чали швидкість росту тріщини V. КІН KI, який відповідає кожному значенню швидкості, обраховували за відомою формулою [17]. Встановлено, що ненаводнені зразки зі сталі ЕП-700 не розтріскувались у водні під тиском 30 MPa на вказаній базі випробувань. За спільної дії заздалегідь абсорбованого водню (СН = 15 wppm) і водневої атмосфери тиском 30 MPa поро- гове значення KIHSТ = 38 MPa m . Границі інтервалу КІН стабільного росту трі- щини (40 і 67 MPa m ) (рис. 5, крива 1) досить близькі до значень критичного КІН KІсН сталі ЕП-700 за максимального водневого окрихчування (47 MPa m ) (крива 2) та Kс (66 MPa m ) наводнених компактних зразків товщиною 12 mm у водні під тиском 30 MPa (крива 3). Швидкість стабільного росту тріщини для сталі ЕП-700 із аустенітною ґрат- кою (V ≈ 1·10–6 m/s) на 1–2 порядки менша, ніж для ВНЛ-1М [28], що корелює зі співвідношенням коефіцієнтів дифузії водню в аустеніті і мартенситі [5, 13] та узгоджується із відомими уявленнями про визначальну роль процесів переносу водню у вершину тріщини на цій стадії руйнування [2, 17, 29]. Рис. 5. Залежність швидкості росту тріщини V від КІН KI (1), а також значення KІсН (2), KІс у повітрі (4) та KІс зразків товщиною 12 mm у водні (3): 1–3 – наводнені (СН = 15 wppm) компактні зразки у водні під тиском 30 MPa; 4 – ненаводнені у повітрі. Fig. 5. Dependence of crack growth rate, V, on SIF KI (1) , and also KІсН (2), KІс values in air (4) and KІс of specimens with thickness 12 mm in hydrogen (3): 1–3 – hydrogen saturated (СН = 15 wppm) compact specimens in hydrogen of a 30 MPa; 4 – non-hydrogenated in air. Випробування на довготривалу статичну тріщиностійкість мають низку пе- реваг проти стандартного методу визначення KІсН за короткочасного розтягу. По- перше, вони простіші, так як не вимагають вимірювань навантаження і деформа- ції у камері високого тиску. По друге, дають можливість отримати інваріантні порогові значення ΚIΗST, вище яких відбувається ріст водневих тріщин, для мате- ріалів середньої міцності, а також для тонкостінних конструктивних деталей. По- третє, визначені значення ΚIΗST і швидкості докритичного росту тріщини V мож- на використати для розрахунку довговічності та залишкового ресурсу роботи елементів конструкцій з тріщиноподібними дефектами, що працюють за тривалої інтенсивної дії газоподібного водню. ВИСНОВКИ Під дією водню у 2–3 рази знижується в’язкість руйнування сталей ЕП-517 і ЕП-700, а плоска деформація реалізується на зразках зі значно меншими товщи- нами. Визначені гранично низькі значення коефіцієнта статичної тріщиностій- кості у водні KІсН, рівні 47 (сталь ЕП-517) та 49 (сталь ЕП-700) MPa m , які не знижуються зі збільшенням тиску водневої атмосфери та вмісту заздалегідь аб- 85 сорбованого водню і однакові для зразків завтовшки 10…35 mm. Тиски (сталь ЕП-517) або концентрації (сталь ЕП-700) водню, необхідні для досягнення таких мінімальних значень, зростають зі зменшенням товщини зразків. Після витримки у повітрі за кімнатної температури впродовж 17,5·104 h вміст водню в сталях па- дає, значення Kс зростають, однак на 20% нижчі, ніж ненаводнених зразків. За тиску і вмісту абсорбованого водню 30 MPa і 15 wppm встановлена інваріантна характеристика сталі ЕП-700 – порогове значення KІHST, рівне 38 MPa m . РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние водородной атмосферы при давлениях до 30 MPa и предварительно поглощенного при 623 K водорода на кратковременную и длительную статическую трещиностойкость мартенситной ЭП-517 (15Х12Н2МФАВ) и аустенитной дисперсионно-твердеющей ЭП-700 (10Х15Н27Т3В2МР) сталей. Установлено, что под воздействием водорода в 2–3 раза снижается коэффициент интенсивности напряжений и уменьшается толщина образца, при которой реализуется плоскодеформированное состоя- ние. Влияние водорода на значения Kс усиливается с увеличением давления водородной среды (сталь ЭП-517) и концентрации предварительно поглощенного при высоких темпе- ратурах водорода, а также с уменьшением толщины образцов от 35 до 10 mm. После вы- держки на воздухе при комнатной температуре в течение 17,5·104 h содержание водорода в сталях уменьшается, значения Kс возрастают, но остаются на 20% меньшими, нежели ненаводороженных образцов. При испытаниях на длительную статическую трещиностой- кость на базе 300 h установлена инвариантная характеристика стали ЭП-700 – пороговое значение KІHST, равное 38 MPa. SUMMARY. The effect of hydrogen atmosphere at pressures up to 30 MPa and preliminary absorbed at 623 K hydrogen on the short- and long-time static fracture toughness of the marten- sitic EP-517 (15Х12Н2МФАВ) and austenitic EP-700 (10Х15Н27Т3В2МР) steels is investi- gated. It was established that under hydrogen effect the stress intensity factor Kс decreases 2–3 fold and as well as the specimen thickness at which the stress-strain state occurs. Hydrogen influence on Kс increases with the growth of hydrogen medium pressure (ЭП-517 steel) and concentration of preliminary adsorbed at high temperatures hydrogen and also with the decrease of the specimen thickness from 35 to 10 mm. After exposure to air at room temperature for 17.5·104 h the content of hydrogen in steels decreases, the Kс values increase, but remain 20% lower than Kс of the non-hydrogenated samples. In the long- term static crack growth resistance testing on the base of 300 h the invariant characteristic of EP-700 steel – the threshold KІHST value is 38 MPa. 1. Balitskii A. I. and Panasyuk V. V. Workability Assessment of Structural Steels of Power Plant Units in Hydrogen Environments // Проблемы прочности. – 2009. – № 1. – P. 69–75. 2. Панасюк В. В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. – К.: Наук. думка, 1991. – 416 с. 3. Колачев Б. А., Мальков А. В., Седов В. И. Применение линейной механики разрушения при изучении водородной хрупкости титановых сплавов // Физ.-хим. механика мате- риалов. – 1975. – № 6. – С. 7–12. 4. ГОСТ 25506-85. Методы механических испытаний металлов. Определение характе- ристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 61 с. 5. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 217 с. 6. Ткачев В. И., Холодный В. И., Левина И. Н. Работоспособность сталей и сплавов в среде водорода. – Львов: Вертикаль, 1999. – 255 с. 7. Balitskii A. I., Ivaskevich L. M., and Mochulskyi V. M. Temperature Dependences of Age- Hardening Austenitic Steels Mechanical Properties in Gaseous Hydrogen / Ed.: M. Elbou- jdaini // Proc. on CD ROM of the 12th Int. Conf. on Fracture. Ottawa, Canada, July 12–17, 2009). – Ottawa: NRC, 2009. – Paper No T19.001. –7 p. 8. Томпсон А. У., Бернстейн И. М. Роль металлургических факторов в процессах разру- шения с участием водорода. Пер. с англ. // Достижения науки о коррозии и технологии защиты от нее. Коррозионное растрескивание. – М.: Металлургия, 1985. – С. 47–149. 9. Панасюк В. В., Дмитрах І. М. Міцність конструкційних металів у водневовмісних се- редовищах // Фізико-механічний інститут (До 60-річчя з часу заснування). – Львів: Сполом, 2011. – С. 101–120. 86 10. Никифорчин Г. М., Студент О. З. Вплив водню на циклічну тріщиностійкість конст- рукційних сталей // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – Львів: НАН України, Фіз.- мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка, 2010. – С. 358–371. 11. Расчет элементов конструкций водородной энергетики на прочность / А. И. Белогуров, В. С. Радчук, М. А. Рудис и др. // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2004. – 40, № 6. – С. 89–94. (Belogurov A. I., Radchuk V. S., Rudis M. A., Sushkov A. M., and Kholodnyi V. I. Strength analysis of structural elements of hydrogen power-generating equipment // Materials Science. – 2004. – 40, № 6. – P. 814–821.) 12. Фішгойт А. В., Колачев Б. А. Випробування на міцність у водні в аерокосмічній промисловості // Там же. – 1997. – 33, № 4. – С. 151–154. (Fishgoit A. V. and Kolachev B. A. Strength tests in hydrogen in the aerospace industry // Ibid. – 1997. – 33, № 4. – P. 568–573.) 13. Ткачов В. І., Іваськевич Л. М., Мочульський В. М. Температурні залежності механічних властивостей аустенітних та мартенситних сталей у водні // Там же. – 2007. – 43, № 5. – С. 53–64. (Tkachov V. I., Ivas’kevych L. M., and Mochul’s’kyi V. M. Temperature dependences of the mechanical properties of austenitic and martensitic steels in hydrogen // Ibid. – 2007. – 43, № 5. – P. 654–666.) 14. Вплив водню на тріщиностійкість сталі 10Х15Н27Т3В2МР / О. І. Балицький, Л. М. Івась- кевич, В. М. Мочульський, О. В Голіян // Там же. – 2009. – 45, № 2. – С. 102–110. (Balyts’kyi O. I., Ivas’kevych L. M., Mochul’s’kyi V. M., and Holiyan O. M. Influence of hydrogen on the crack resistance of 10Kh15N27T3V2MR steel // Ibid. – 2009. – 45, № 2. – P. 258–267.) 15. Балицький О. І., Іваськевич Л. М., Мочульський В. М. Механiчнi властивостi мар- тенситних сталей у газоподiбному воднi // Проблеми міцності. – 2012. – № 1. – С. 89–99. 16. Standard Test Method for JIC. A Measure of Fracture Toughness ASTM STP E 813. – P. 732–746. 17. Спейдель М. О., Хитт М. В. Коррозионное растрескивание высокопрочных алюминие- вых сплавов / Пер. с англ. // Достижения науки о коррозии и технологии защиты от нее. Коррозионное растрескивание. – М.: Металлургия, 1985. – С. 14–312. 18. Ирвин Д., Парис П. Основы теории роста трещин и разрушения // Разрушение / Под. ред. Г. Либовица. – М.: Машиностроение, 1977. – 3. – С. 17–66. 19. LECO TCH 600 – Series (Nitrogen, Oxygen, Hydrogen Determination). – LECO Corporation : MI, USA, 2003. – 6 p. 20. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вяз- кость разрушения при плоской деформации. – М.: Мир, 1972. – 246 с. 21. Панько І. М. Теоретичні основи інженерних методів для оцінки тріщиностійкості ма- теріалів і елементів конструкцій. – Львів: Нац. академія наук України, Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка, 2000. – 280 с. 22. Андрейкив А. Е., Дарчук А. И. Усталостное разрушение и долговечность конструкций. – К.: Наук. думка, 1992. – 184 с. 23. Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах // Сб. науч. тр. – М.: Металлургия, 1983. – 432 с. 24. Макмагон С. Д. Разрушение технических сплавов, ускоренное воздействием окру- жающей среды // Тр. амер. об-ва инж.-механиков. – 1973. – 95, серия Д, № 3. – С. 1–12. 25. Романив О. Н., Никифорчин Г. Н. Механика коррозионного разрушения конструкци- онных сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 294 с. 26. Охрупчивание хромоникельмолибденовой стали после высокотемпературного воздей- ствия водорода / В. Б. Шепилов, В. И. Холодный, А. М. Рудис и др. // Физ.-хим. меха- ника материалов. – 1982. – № 6. – С. 28–33. 27. Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. – М.: Метал- лургиздат, 1962. – 196 с. 28. Іваськевич Л., Мочульський В., Ленковський Т. Вплив водню на статичну тріщиностій- кість литої сталі // Пр. Десятого міжнар. симп. інж.-механіків у Львові. 25–27 травня 2011 р. – Львів: ТЗОВ Кінпатрі ЛТД, 2011. – С. 98–99. 29. Нельсон Г. Г. Водородное охрупчивание // Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов: Пер. с англ. / Под. ред. К. Л. Брайента, С. К. Бенерджи. – М.: Металлургия, 1988. – С. 256–333. Одержано 09.04.2012

Вплив водню на статичну тріщиностійкість жароміцних сталей

Репозитарії

Схожі ресурси