Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз
Исследовано влияние высокотемпературного воздействия водородсодержащей среды на механические свойства углеродистой низколегированной ферритоперлитной стали 09Г2С, используемой в материальном оформлении реактора получения бензина установки каталитического риформинга. Наработка металла реактора сос...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48104 |
| 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: | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз / С.3. Стасюк, В.П. Терентьев // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 31-43. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859934819761258496 |
|---|---|
| author | Стасюк, С.З. Терентьев, В.П. |
| author_facet | Стасюк, С.З. Терентьев, В.П. |
| citation_txt | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз / С.3. Стасюк, В.П. Терентьев // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 31-43. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Исследовано влияние высокотемпературного воздействия водородсодержащей среды на
механические свойства углеродистой низколегированной ферритоперлитной стали 09Г2С,
используемой в материальном оформлении реактора получения бензина установки каталитического
риформинга. Наработка металла реактора составила 180000 ч при температуре
280°С и давлении водородсодержащей рабочей среды 4,0 МПа. Показано, что
длительная эксплуатация материала в условиях взаимодействия с газообразным водородом
вызвала его естественное старение. Дополнительное наводороживание образцов при температуре
580°С и давлении 10 МПа в течение 17 ч привело к "водородному наклепу материала”.
Изучено влияние газообразного водорода на состояние карбидных фаз в основном
металле и сварном шве с помощью рентгеноспектрального анализа и метода ядерного
гамма-резонанса. Установлено, что количество карбидной фазы (цементита) в стали
увеличивается в результате естественного старения при повышенных температурах. Под
действием высокотемпературного наводороживания интенсифицируется процесс распада
цементита и его восстановление не происходит даже при нагреве до 580°С.
Досліджено вплив високотемпературної дії водневмісного середовища на
механічні властивості вуглецевої низьколегованої феритоперлітної сталі
09Г2С, що використовується у матеріальному оформленні реактора отримання
бензину установки каталітичного риформінгу. Напрацювання металу
реактора сягало 180000 г за температури 280°С и тиску робочого середовища
з вмістом водню 4,0 МПа. Показано, що тривала експлуатація матеріалу
в умовах взаємодії з газоподібним воднем зумовила процеси природного
старіння. Додаткове насичення воднем зразків за температури 580°С і
тиску 10 МПа на протязі 17 г призвело до “водневого наклепу матеріалу”.
Вивчено вплив газоподібного водню на стан карбідних фаз в основному
металі і зварному шві за допомогою рентгеноспектрального аналізу та
методу ядерного гамма-резонансу. Установлено, що кількість карбідної
фази (цементиту) в сталі збільшується внаслідок природного старіння за
підвищених температур. Під дією водню високих параметрів інтенсифікується
процес розпаду цементиту і його відновлення не відбувається навіть
при нагріванні до 580°С.
The paper addresses the action of a high-temperature
hydrogen-containing fluid on mechanical
properties of a low-alloy carbon ferritepearlitic steel 09G2S which is used for the manufacture
of a gasoline-producing reactor vessel
for a catalytic reformer unit. The vessel metal
had 180,000 running hours at a hydrogen-containing
fluid temperature 280°C and pressure
4.0 MPa. It is demonstrated that a long-term operation
of the material in contact with gaseous
hydrogen has caused its natural ageing. Further
hydrogen saturation o f test specimens at 580°C
and 10 MPa for 17 h has resulted in a so-called
hydrogen-induced strain hardening of the material.
The influence of gaseous hydrogen on the
state of carbide phases in the base metal and
weld is studied by the x-ray spectrum analysis
and nuclear gamma resonance method. The
amount of a carbide phase (cementite) in steel
has been found to grow due to natural ageing at
elevated temperatures. The high-temperature
hydrogen saturation makes the cementite decomposition
process more intensive, and no
cementite recovery occurs even when the material
is heated up to 580°C.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:09:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.15
Исследование влияния водорода на свойства низколегированной
стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз
С. 3. Стасюк, В. П. Терентьев
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Исследовано влияние высокотемпературного воздействия водородсодержащей среды на
механические свойства углеродистой низколегированной ферритоперлитной стали 09Г2С,
используемой в материальном оформлении реактора получения бензина установки ката
литического риформинга. Наработка металла реактора составила 180000 ч при темпе
ратуре 280°С и давлении водородсодержащей рабочей среды 4,0 МПа. Показано, что
длительная эксплуатация материала в условиях взаимодействия с газообразным водородом
вызвала его естественное старение. Дополнительное наводороживание образцов при темпе
ратуре 580°С и давлении 10 МПа в течение 17 ч привело к "водородному наклепу мате
риала”. Изучено влияние газообразного водорода на состояние карбидных фаз в основном
металле и сварном шве с помощью рентгеноспектрального анализа и метода ядерного
гамма-резонанса. Установлено, что количество карбидной фазы (цементита) в стали
увеличивается в результате естественного старения при повышенных температурах. Под
действием высокотемпературного наводороживания интенсифицируется процесс распада
цементита и его восстановление не происходит даже при нагреве до 580°С.
Ключевые слова : низколегированная сталь, водородная коррозия, кратко
временная прочность, пластичность, ударная вязкость, усталость, карбид
ный анализ, микроструктура, рентгенофазовый анализ, метод ядерного
гамма-резонанса.
Введение. Изучению вопросов взаимодействия промышленных сталей
с водородом посвящены работы [1-7]. В них показано, что в случае физико
химического воздействия водорода на металл, сопровождаемого химичес
ким взаимодействием газа с отдельными компонентами и фазами сплава,
происходят необратимые изменения микроструктуры металла. Неоднократ
но отмечалось также исключительное влияние структурного фактора на
поведение сплавов в среде водорода. В [5] обосновывается вывод о том, что
водородная стойкость сталей зависит от природы карбидной фазы, обуслов
ливающей прочность межатомных связей между металлом и углеродом, а
также наличия других элементов, растворенных в ней.
Как известно, процессы выделения и роста карбидов являются струк
турно-зависимыми. Вследствие разности их скоростей по границам зерна и
в матрице (максимальная - по границам зерен, минимальная - в матричных
выделениях) происходит перераспределение карбидов между телом и грани
цами зерен, преимущественно по границам зерен. Установлено, что концент
рация карбидов по границам зерен или скопления их внутри зерна способ
ствуют локализации поглощенного водорода, что, в свою очередь, приводит
к уменьшению устойчивости микроструктуры, деградации свойств матери
ала и локальному разрушению. В частности, в [4, 5] отмечались пониженная
устойчивость цементита (вследствие доминирования в этом соединении
железа с углеродом ковалентной связи и невысокой концентрации электрон
ного газа) и при определенных условиях возможный процесс растворения
© С. 3. СТАСЮК, В. П. ТЕРЕНТЬЕВ, 2007
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 5 31
C. 3. Стасюк, В. П. Терентъев
менее стабильных карбидов: распад цементита при повышенных темпера
турах и давлении водорода, сопровождающийся образованием метана с
обезуглероживанием стали.
Учитывая, что технологическое оборудование нефтеперерабатывающих
производств работает в условиях протекания гидрогенизационных процес
сов и подвергается воздействию водорода при высоких температурах и
давлениях, длительная эксплуатация в этом случае может привести к дегра
дации свойств материала и вызвать водородную коррозию. Следствием этого
является обезуглероживание металла, скопление образовавшегося метана во
внутренних микропустотах и несплошностях кристаллической структуры,
что приводит к возникновению локальных разрушений при относительно
неповрежденном металле на других участках элементов оборудования. Имен
но поэтому с точки зрения прогнозирования свойств и оценки ресурса
безопасной эксплуатации большой познавательный и практический интерес
представляют исследования, в которых склонность стали к водородной
коррозии оценивается с учетом закономерностей процессов выделения и
изменения карбидных фаз.
Цель данной работы заключалась в изучении влияния естественного
старения при длительной эксплуатации в условиях воздействия высокотемпе
ратурной водородсодержащей среды на механические свойства, фазовый и
химический составы карбидов углеродистой низколегированной феррито
перлитной стали 09Г2С.
Материалы и методика исследования. Испытания проводили на образ
цах темплета, вырезанных из стенки действующего реактора получения
бензина установки каталитического риформинга. Наработка металла аппа
рата в водородсодержащей рабочей среде (H2 до 85%; H2S до 0,05%; HCl до
2 мг/(н-м3); влаги до 4,0% мг/(н-м3)) при температуре 280°С и давлении
4,0 МПа составила 180000 ч. Химический состав металла, как следует из
данных табл. 1, соответствует стали марки 09Г2С по ГОСТ 5520.
Т а б л и ц а 1
Химический состав (%) исследуемого металла
Материал C Mn Si Cr Ni Cu S P H2,
ppm
Металл действу
ющего реактора
(наработка)
0,11 1,3 0,5 0,10 0,20 0,06 0,015 0,028 0,2
Опытная плавка
стали (поставка)
0,10 1,4 0,5 0,12 0,13 0,05 0,013 0,024 0,2
Сталь 09Г2С
(ГОСТ 5520)
< 0,12 1,3...1,7 0, 5. 0, 8 < 0,3 < 0,3 < 0,3 < 0,04 < 0,035 -
Изменение механических свойств оценивали путем сравнения резуль
татов, полученных на образцах темплета (материал в состоянии наработки
после эксплуатации), с таковыми материала в состоянии поставки. Для этого
использовали опытную плавку стали, в которой химический состав элемен
32 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
тов практически совпал с исследуемым материалом реактора, а механи
ческие свойства отвечали требованиям ГОСТ 5520 (для данной марки ста
ли). Листы толщиной 55 мм поставляли в нормализованном состоянии
(закалка при 980°С, отпуск при 650°С). Автоматическую сварку выполняли
проволокой Св-08ГА по ГОСТ 2246. Термообработку сварных соединений
не производили.
Для оценки ресурса водородоустойчивости материала реактора часть
образцов в состоянии наработки и поставки дополнительно подвергали
наводороживанию при температуре 580° С и давлении 10 МПа в течение 17 ч
с целью исследования влияния газообразного водорода на свойства мате
риала и стойкость карбидных фаз. За это время обеспечивалось насыщение
металла водородом, но видимых изменений структуры не наблюдалось;
температуру определяли с учетом области термодинамической активности
стали, интервал которой приведен в работе [3]. Отметим, что такой режим
характерен для случая аварийных ситуаций, когда вследствие разрушения
торкрет-бетонной футеровки происходит интенсивное насыщение металла
водородом при температуре реакции гидрогенизации. Испытания на растя
жение, ударный изгиб и усталость образцов основного металла и сварных
соединений, а также металлографические исследования выполнены в соот
ветствии с требованиями стандартов.
Фазовый состав и карбидные осадки исследовали с помощью рентгено
структурного метода. Карбидный осадок получали электролитическим раст
ворением стали методами, описанными в работе [8]. Рентгеноструктурный
анализ осадков проводили на установке ДРОН-3. Установлено, что выделен
ные карбидные осадки в стали 09Г2С были крупнокристаллическими, одно
фазными со структурой цементита Бе3С.
Состояние цементита изучали с использованием метода ядерного гамма-
резонанса (ЯГР), основанного на эффекте Мессбауэра. Съемку осуществля
ли на спектрометре САМАС (Венгрия). В качестве источника излучения
использовали 57Со в палладии. Результаты получены с поглотителем из
обогащенной 57Бе соли К4Бе(СК)6 • 3Н20 с узкой одиночной линией. Экспе
риментальная ширина линии, наблюдавшаяся для источника и тонкого погло
тителя, составляла 0,26 ± 0,03 мм/с, что и было принято за аппаратурную
ширину спектральной линии и использовалось при обработке спектров. По
верхностная плотность поглотителя равна 0,1 мг/см . Измерения проводили
при комнатной температуре и температуре жидкого азота. Понижение темпе
ратуры съемки позволило получить в спектре стали шесть линий цементита
благодаря различной температурной зависимости поля на ядре железа в
феррите и цементите. Спектры обрабатывали по стандартным компьютер
ным программам. Изомерные сдвиги приведены относительно а-железа.
Результаты и их обсуждение. Механические характеристики иссле
дуемого материала приведены в табл. 2. Отметим, что для образцов в
состоянии наработки наблюдалось некоторое увеличение характеристик проч
ности о в (до 5%), пластичности д (до 8%) по сравнению с таковыми образ
цов в состоянии поставки, в то время как ударная вязкость К С и и КСУ, полу
ченная на образцах с и - и У-образным концентратором снизилась до 14%, а
на образцах с трещиной КСТ осталась без изменений. Такие изменения
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 33
С. 3. Стасюк, В. П. Терентъев
характеристик могут быть связаны с укрупнением зерен, которое имело
место в результате естественного старения при длительной эксплуатации в
условиях повышенной температуры (280°С). Как известно [9], эти изменения
не влияют на кратковременную прочность, но вызывают снижение ударной
вязкости и повышение порога хладноломкости, что также обусловлено
состоянием карбидных фаз: в частности, связано с измельчением частиц
карбидов и, как следствие, с ростом площади поверхности раздела фаз [9,
10]. Металлографические исследования подтвердили увеличение действитель
ного размера зерна с восьми, девяти баллов до шести. Кроме того, на кривых
деформирования естественно состаренных образцов наблюдалось подавление
верхнего предела текучести, который имел место при комнатной температуре
для материала в состоянии поставки. Причем и “зуб текучести” и площадка
текучести с зубцами скачкообразной деформации появлялись после дополни
тельного высокотемпературного воздействия на образцы газообразного водо
рода (с парциальным давлением 10 МПа при температуре 580°С в течение
17 ч). Это обстоятельство позволяет объяснить появление зуба текучести как
результат взаимодействия атомов водорода с дислокациями, о чем, в част
ности, свидетельствуют данные исследований, приведенных в работах [2, 3].
Т а б л и ц а 2
Механические характеристики исследуемого металла
Состояние материала О в, О0,2, ^ , б, V, к с и , к с у , кст,
МПа МПа МПа % % Дж/см2 Дж/см2 Дж/см2
Основной металл
поставка 470 289 986 35 67 183 91 69
450 254 750 20 49 136 50 40
наработка 497 298 200 38 73 170 78 69
495 290 112 19 75 190 88 75
Металл шва
поставка 504 338 1220 29 70 140 101 92
379 233 358 18 14 128 94 53
наработка 481 318 1070 30 68 160 101 78
466 326 370 16 16 223 117 87
П римечание. Над чертой приведены данные для материала в исходном состоянии, под
чертой - в наводороженном.
Отметим также, что в результате дополнительного наводороживания
образцов характеристики кратковременной прочности естественно соста
ренного материала не изменились, но несколько повысилась его ударная
вязкость (табл. 2). Увеличение ударной вязкости, а также возникновение
достаточно выраженной площадки текучести может быть проявлением так
называемого “водородного наклепа” [2, 11]. В то же время резкое умень
шение характеристик пластичности (относительное сужение до 30%, отно
сительное удлинение выше 40%), а также ударной вязкости до 40%, наблю
даемое у наводороженного материала в состоянии поставки, говорит о
специфическом воздействии водорода на механические свойства металла и
связано с одним из многочисленных проявлений водородной хрупкости.
34 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
Сварные соединения, как гетерогенные системы, более чувствительны,
чем основной металл, к отрицательному воздействию водорода, которое
однозначно проявляется в снижении механических характеристик в усло
виях естественного старения при эксплуатации. После дополнительного
наводороживания материала в состоянии поставки характеристики проч
ности снизились до 30%, пластичности - до 70% по сравнению с исходными
значениями. Следует отметить также резкое уменьшение связанных с разру
шением таких предельных характеристик, как истинное сопротивление отры
ву Б к (в три раза) и поперечное сужение (в пять раз). При этом для металла
сварного шва сохраняются те же тенденции к изменению показателей вяз
кости разрушения, что и для основного металла (табл. 2).
Результаты испытаний на усталость образцов материала в состоянии
поставки показали, что при нагружении до 10 цикл значения условного
предела выносливости основного металла и металла шва сварного соеди
нения практически совпадают и составляют 290 и 280 МПа соответственно
(рис. 1). Видно, что при высоких нагрузках сварной шов обладает большей
долговечностью, чем основной металл, и его циклическая прочность выше.
Однако с уменьшением амплитуды циклической нагрузки значения цикли
ческой прочности сближаются, и при 320 МПа на высоких базах нагружения
(более чем 3-106 цикл) их долговечности совпадают. После высокотемпера
турного насыщения долговечность образцов основного металла и сварных
соединений при заданном уровне нагрузки снижается в целом на 20%, и
условный предел выносливости на базе 10 цикл составляет 230 МПа.
^ N , цикл
Рис. 1. Кривые усталости образцов основного металла (сплошные линии) и сварных соеди
нений (штриховые линии) стали в состоянии поставки (1) и после насыщения водородом (2).
Анализ экспериментальных данных показал, что чувствительность мате
риала к воздействию водорода можно оценивать на основании металло
графических структур, контролирующих механические свойства. Из приве-
ТБОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, N2 5 35
С. 3. Стасюк, В. П. Терентъев
денных на рис. 2 микроструктур металла реактора видно, что в сечении со
стороны внутренней поверхности аппарата отчетливо прослеживается более
светлая зона, в которой количество перлита уменьшилось по сравнению с
таковым в средней части сечения. Это, в частности, свидетельствует о
начале процессов обезуглероживания металла в связи с известными пере
гревами стенки выше 300°С продолжительностью более 4000 ч во время
эксплуатации. Однако микроструктурные исследования не позволяют сде
лать однозначный вывод об изменениях фазового состава стали 09Г2С при
длительной эксплуатации и после водородного насыщения. В работах, посвя
щенных изучению природы и состояния фазового состава в сталях, пока
зано, что изменения механических характеристик важно рассматривать с
учетом фазовых распадов и превращений, основываясь на результатах рент
геноспектрального анализа и метода ядерного гамма-резонанса, которые при
их совместном использовании дают наиболее полную картину проходящих в
материале процессов [4, 12-16].
а б
Рис. 2. Микроструктура металла реактора в центральной части сечения стенки (а) и со
стороны внутренней поверхности аппарата (б) (Х100).
Исходя из этого изучались кристаллические фазы всех исследуемых
состояний материала реактора, состав карбидных фаз и их сверхтонкая
структура. Сведения о карбидных осадках, выделенных с единицы поверх
ности образцов, и результаты их фазового химического анализа приведены в
табл. 3 и 4.
Как видно из данных табл. 3, количество карбидных осадков, выде
ляемых в единицу времени с единицы поверхности образцов металла в
состоянии наработки, несколько большее, чем в состоянии поставки. Извест
но, что стабилизирующий высокий отпуск стали в состоянии поставки при
температурах, близких к А а (в нашем случае термообработка стали заклю
чалась в закалке при 980°С и отпуске при 650°С), не позволяет достичь
равновесной концентрации твердого раствора [9]. Именно поэтому при
длительной работе в условиях температур, более низких, чем температура
отпуска, имеют место процессы старения металла, при которых происходит
36 /ЗЗЖ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
дальнейшее перераспределение углерода между твердым раствором и кар
бидными фазами и распад твердого раствора с выделением новых карбидов.
На это обстоятельство указывают также авторы работы [10]. Важно отме
тить, что наличие марганца и хрома в стали 09Г2С увеличивает степень
распада, что способствует повышению эффекта естественного старения,
проявляющегося в приросте механических характеристик после длительной
эксплуатации, о чем упоминалось выше (табл. 2).
Т а б л и ц а 3
Количество карбидного осадка, вы деленного с единицы поверхности образца
в единицу времени (мг/(см2 ч))
Дополнительная
обработка*
Основной металл Металл шва Околошовная зона
Поставка Наработка Поставка Наработка Поставка Наработка
Наводороживание 0,17 0,21 0,06 0,08 0,07 0,18
Выдержка в аргоне 0,39 - 0,19 - 0,27 -
Без обработки 0,41 0,43 0,20 0,25 0,27 0,37
* р = 10 МПа; г = 580°С; т = 17 ч.
Т а б л и ц а 4
Результаты фазового химического анализа карбидного осадка основного металла
Состояние
материала
Концентрация металлов
в навеске карбида, %
Соотношение концентраций:
металл в карбиде/металл в матрице
Бе Мп Сг Мп Сг
Поставка
без обработки 63,9 6,5 0,1 4,6 0,8
наводороживание 59,5 7,3 0,2 5,2 1,7
Наработка
без обработки 66,3 6,9 0,3 5,3 3,0
наводороживание 61,0 6,7 0,5 5,2 5,0
Из данных табл. 3 также следует, что содержание карбидов в металле
шва приблизительно в два раза меньше, чем в основном металле, и такое
значение сохраняется для всех рассматриваемых случаев. Это обусловлено
мартенситной структурой металла шва, образовавшейся в результате быстро
го охлаждения в процессе сварки (рис. 3,а), для которой характерно мень
шее, чем для перлитной структуры, количество карбидов. Количество карбид
ных осадков, выделенных из металла околошовной зоны, занимает промежу
точное значение между таковыми сварного шва и основного металла.
Рентгеноспектральный анализ позволил в карбидном осадке основного
металла выявить также хром и марганец, что свидетельствует о наличии
цементита (Бе, Мп, Сг)3С. Исходя из данных табл. 4 отметим, что концент
рация металлов в карбидном осадке стали после эксплуатации выше, чем в
состоянии поставки.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 37
С. 3. Стасюк, В. П. Терентьев
Рис. 3. Микроструктура металла шва (а) и зон обезуглероживания (показаны стрелками) в
результате воздействия газообразного водорода высоких параметров (б).
ЯГР-спектры карбидов основного металла, металла шва и околошовной
зоны в состоянии поставки приведены на рис. 4. Как видно, карбидная фаза
металла шва при температуре 296 К (рис. 4,а) дает спектр секстета (шесть
линий) с параметрами, аналогичными цементиту Ре3С, с изомерным
сдвигом 5 = 0,18 мм/с при значении эффективности магнитного поля
Н эф = 200 кЭ. Мессбауэровский спектр карбидной фазы основного металла
(рис. 4,в), измеренный при той же температуре, проявляется в виде плохо
различимых в статистическом разбросе магнитных мультиплетов (много
кратное расщепление спектральных линий) малой интенсивности. В силу
этого низкая температура измерения позволила получить более высокую
степень разрешения сверхтонкой структуры, на что указывает спектр, полу
ченный при 80 К (рис. 4,г), на котором наблюдается разрешенная структура
магнитного секстета с параметрами, также отвечающими цементиту - значе
ние магнитного поля на ядре железа в цементите составило 240 кЭ, изо
мерный сдвиг - 0,32 мм/с.
В работах [12, 13, 17] отмечается, что нарушение магнитного упоря
дочения свидетельствует о снижении температуры магнитного перехода.
Так, в [12] показано, что для цементита она составляет 480°С и что эти
38 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
нарушения являются следствием растворения в нем других металлических
компонентов. Иллюстрацией этого могут служить наблюдаемые мессбауэров-
ские спектры, подтверждающие наличие в основном металле легированного
цементита. Вид ЯГР-спектра сварного шва, наоборот, указывает на то, что
его цементит наименее легирован.
Отметим большую интенсивность линий в спектре образцов металла
шва, чем у основного металла, что связано с различием их структурных
состояний, поскольку на интенсивность магнитного расщепления влияет
скорость закалки.
На рис. 5,а,б изображены измеренные при комнатной температуре месс-
бауэровские спектры карбидных фаз материала в состоянии наработки. В
спектре основного металла (рис. 5,б) выявляется центральная линия, рас
щепленная вследствие квадрупольного взаимодействия двух диполей, а боко
вые линии магнитного секстета практически исчезли. Аналогичные резуль
таты описаны в работе [12], где показано, что хром растворяется в цемен
тите, и относительная интенсивность спектра возрастает с повышением
доли (Бе, Сг)3 в карбидной смеси.
Наличие в цементите хрома подтверждается его концентрациями, изме
ренными в карбидных осадках (табл. 4). Причем концентрация марганца в
цементите практически не изменилась, в то время как концентрация хрома
возросла до 0,3% при его исходном содержании 0,1%. Увеличилось также
соотношение концентраций хрома в карбиде и в металле матрицы с 0,8 до
3,0.
Анализ ЯГР-спектров (рис. 5) свидетельствует также о появлении пара
магнитного (легированного) цементита в спектре карбидной фазы металла
шва, сам спектр сформирован путем наложения двух спектров - магнитного
секстета и квадрупольного дублета.
В работах [12, 16] даны объяснения изменениям, происходящим в
спектрах сверхтонкой структуры. Там же установлено, что при уменьшении
размера частиц карбидов изменяются квадрупольное расщепление и изомер
ный сдвиг. Кроме того, с появлением квадрупольного дублета по мере
уменьшения в образцах содержания карбидов и увеличения концентрации
металлов происходит понижение температуры магнитного перехода цемен
тита. Вид полученных спектров сверхтонкой структуры материала в состоя
нии наработки подтверждает, что в цементите преобладает парамагнитная
фракция, образованная при взаимодействии атомов ферромагнитного железа
с атомами углерода и определяемая малыми частицами карбидов.
Анализ данных для случая дополнительного водородного насыщения
образцов показал, что в результате воздействия газообразного водорода высо
ких параметров на материал в состоянии поставки и после наработки умень
шилось количество выделяемого карбидного осадка в два раза в основном
металле и в три рази в металле шва (табл. 3). Это говорит о распаде
карбидных фаз и протекании процессов обезуглероживания металла, интен
сивность которых у металла шва с мартенситной структурой выше, чем у
основного металла (см. рис. 3,б, где показаны зоны полного распада мартен-
ситных игл в результате водородной коррозии - участки белого цвета).
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2007, N 5 39
С. 3. Стасюк, В. П. Терентъев
Рентгеноструктурный анализ показал, что в осадках (менее 0,1 мг/(см •ч)),
выделенных из металла шва наводороженных образцов, не обнаружено ни
одной кристаллической фазы. Осадок представлял собой рентгеноаморфные
трудно растворимые интерметаллидные соединения, связанные с остатками
углеродных атомов.
■ 1 1
- * ■ 'іі * V ■ ’* ‘• £ ^ Д ̂ ‘
. * * * * ♦ *' *
КиИ-И>
Е*£К !
4 * & \ А Д У
іг *V ... . „1 1 А * I• ̂ тн> Л
' 0 а
: *
•.-V
У*
* V* Ч Іі
- >*Л 9“С * ^ « ««.«•» V* *" • 4 І* .■ * ". * Ч н
V .; - >■
■ г ф ; . 7 : : Г <,
Скорость нс®о«никаг ын/с
Рис. 4 Рис. 5
Рис. 4. ЯГР-спектры стали в состоянии поставки для металла шва (а), околошовной зоны (б),
основного металла (в) при температуре съемки 296 К и основного металла при температуре
съемки 80 К (г).
Рис. 5. ЯГР-спектры стали в состоянии наработки для металла шва (а) и основного металла
(б), в состоянии поставки для основного металла после насыщения водородом (в) и металла
шва после нагрева в нейтральной среде Аг (г) при температуре съемки 296 К.
а
б
б
в
Тем не менее данные табл. 3 свидетельствуют, что следствием воздей
ствия газообразного водорода высоких параметров на материал в состоянии
поставки и после наработки явилось уменьшение количества выделяемого
осадка в два раза в основном металле и в три в металле шва из-за распада
40 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
карбидных фаз и протекания процессов обезуглероживания металла, интен
сивность которых у металла шва с мартенситной структурой выше, чем у
основного металла. В связи с этим отметим, что наличие марганца в стали
09Г2С стабилизирует структуру цементита, а наличие хрома - структуру
карбида и повышает устойчивость легированного цементита по сравнению с
метастабильным, содержащим только железо [18].
Рассмотрим спектр наводороженных образцов материала в состоянии
поставки (рис. 5,в). Как видно, в ЯГР-спектре наблюдается квадрупольно
расщепленный центральный дублет с плохо разрешенным магнитным мульти-
плетом. При этом изомерный сдвиг составляет 0,17 мм/с, квадрупольное
расщепление - 0,47 мм/с.
Спектры металла с наработкой до и после насыщения водородом иден
тичны (на рис. 5,6 симметричный квадрупольный дублет), параметры их
сверхтонкой структуры совпадают. Это свидетельствует об отсутствии пре
вращений в фазовом составе под воздействием водорода высоких пара
метров, уменьшении ферромагнитной фазы и образовании парамагнитного
цементита, а также о том, что распавшийся цементит при нагреве до 580°С
не восстанавливается.
Чтобы учесть возможные необратимые изменения структуры только
из-за температурного воздействия, проводили испытания с выдержкой образ
цов в течение 17 ч при температуре 580°С и давлении 10 МПа в инертной
среде аргона. Полученные данные показали, что изменений в количествах
выделяемых карбидных осадков нет (табл. 3), а в ЯГР-спектре металла шва
наблюдается уменьшение интенсивности линий магнитного секстета (на
30%) и их меньшая упорядоченность, чем в исходном состоянии (рис. 5,г). В
спектре не появились новые линии, параметры которых соответствовали бы
другим карбидным фазам.
Таким образом, можно заключить, что при повышенных температурах в
условиях воздействия водорода на металл имеет место эффект распада
цементита в стали 09Г2С, причиной которого является различие в энергии
связи между атомами углерода и дислокациями в феррите и в решетке
цементита (по данным [13]: ~ 0,8 и ~ 0,4 эВ соответственно), причем степень
распада тем больше, чем выше дисперсность карбидных частиц. Механизм
распада заключается в диффузии углерода, покинувшего цементит, в поле
напряжений дислокаций, локализованных на границе раздела фаз Ре-Ре3С.
В ы в о д ы
1. Показано, что в условиях длительной эксплуатации (180000 ч) при
температуре 280°С и давлении водородсодержащей рабочей среды 4,0 МПа в
стали 09Г2С происходят процессы естественного старения.
2. В кристаллических фазах исследуемого материала идентифицируется
единственная составляющая - легированный цементит (Ре, Мп, Сг)3С.
3. Установлено, что в результате воздействия газообразного водорода
высоких параметров на сталь 09Г2С произошел распад карбидных фаз; при
этом протекание процессов обезуглероживания у металла шва с мартенсит
ной структурой выше, чем у основного металла.
0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 41
С. 3. Стасюк, В. П. Терентъев
4. Исследования сверхтонкой структуры карбидных фаз свидетельству
ют об отсутствии превращений в фазовом составе стали 09Г2С и подтверж
дают факт распада цементита, причем интенсивность процесса усиливается
под воздействием водорода при повышенных температурах и давлении.
Р е з ю м е
Досліджено вплив високотемпературної дії водневмісного середовища на
механічні властивості вуглецевої низьколегованої феритоперлітної сталі
09Г2С, що використовується у матеріальному оформленні реактора отри
мання бензину установки каталітичного риформінгу. Напрацювання металу
реактора сягало 180000 г за температури 280°С и тиску робочого середо
вища з вмістом водню 4,0 МПа. Показано, що тривала експлуатація мате
ріалу в умовах взаємодії з газоподібним воднем зумовила процеси природ
ного старіння. Додаткове насичення воднем зразків за температури 580°С і
тиску 10 МПа на протязі 17 г призвело до “водневого наклепу матеріалу”.
Вивчено вплив газоподібного водню на стан карбідних фаз в основному
металі і зварному шві за допомогою рентгеноспектрального аналізу та
методу ядерного гамма-резонансу. Установлено, що кількість карбідної
фази (цементиту) в сталі збільшується внаслідок природного старіння за
підвищених температур. Під дією водню високих параметрів інтенсифі
кується процес розпаду цементиту і його відновлення не відбувається навіть
при нагріванні до 580°С.
1. Гелъд П. В., Рябов Р. А. Водород в металлах и сплавах. - М.: Метал
лургия, 1974. - 273 с.
2. Гелъд П. В., Рябов Р. А., Кодес Е. С. Водород и несовершенства
структуры металла. - М.: Металлургия, 1979. - 221 с.
3. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. - М.: Металлургия, 1985. -
192 с.
4. Арчаков Ю. И., Гребешкова М. Д. Влияние легирующих элементов на
длительную водородную стойкость стали // Докл. АН СССР. - 1983. -
10. - С. 11.
5. Арчаков Ю. И. Современные проблемы водородной коррозии сталей и
надежность эксплуатации оборудования гидрогенизационных процес
сов // Водородная обработка материалов: Тр. III Междунар. конф.
“В0М-2001”. - Донецк, 2001. - С. 482 - 491.
6. Кузюков А. Н., Нихаенко Ю. Я., Левченко В. А. и др. Влияние водорода
на работоспособность химического и нефтехимического оборудования,
изготовленного из углеродистых и низколегированных сталей // Водо
родная обработка материалов: Тр. III Междунар. конф. “В0М-2001”. -
Донецк, 2001. - С. 390 - 392.
7. Ткачев В. И., Холодный В. И., Левина И. Н. Устойчивость к водородной
деградации жаропрочного никелевого сплава // Водородная обработка
материалов: Тр. III Междунар. конф. “В0М-2001”. - Донецк, 2001. -
С. 334 - 336.
42 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5
Исследование влияния водорода на свойства
8. Попова Н. М. Карбидный анализ стали. - М.: Оборонгиз, 1955. - 296 с.
9. Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.
10. Березина Т. Г., Бугай Н. В., Трунин И. И. Диагностирование и прогно
зирование долговечности металла тепловых энергетических установок.
- Киев: Техтка, 1991. - 120 с.
11. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургия,
1985. - 217 с.
12. Арчаков Ю. И., Серегина Л. Н. Исследование методом мессбауэровской
спектроскопии твердых растворов на основе цементита и карбидов хрома
// Изв. АН СССР. Неорг. материалы. - 1982. - 18, № 5. - С. 800 - 804.
13. Гаврилюк В. Г. Исследвание состояния цементита в холоднодеформи-
рованной стали методом ядерного гамма-резонанса // Физика металлов
и металловедение. - 1978. - 45, вып. 5. - С. 968 - 979.
14. Гриднев В. Н., Гаврилюк В. Г. Распад цементита при пластической
деформации // Металлофизика. - 1982. - 4, № 3. - С. 74 - 85.
15. Гриднев В. Н , Гаврилюк В. Г., Разумов О. Н. Эффект Мессбауэра в
холоднодеформированной стали // Докл. АН СССР. - 1977. - 236, № 2.
- С. 343 - 346.
16. Гриднев В. Н., Гаврилюк В. Г., Немошкаленко В. В. и др. Исследование
отпуска высокоуглеродистого мартенсита методом ядерного гамма-
резонанса // Физика металлов и металловедение. - 1978. - 66, вып. 2. -
С. 357 - 365.
17. Эффект Мессбауэра / Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1969. - 438 с.
18. Гольдшмидт X. Дж . Сплавы внедрения / Пер. с анг. - М.: Мир, 1971. -
424 с.
Поступила 17. 05. 2006
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 5 43
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48104 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:09:43Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Стасюк, С.З. Терентьев, В.П. 2013-08-15T08:35:30Z 2013-08-15T08:35:30Z 2007 Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз / С.3. Стасюк, В.П. Терентьев // Проблемы прочности. — 2007. — № 5. — С. 31-43. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48104 669.15 Исследовано влияние высокотемпературного воздействия водородсодержащей среды на механические свойства углеродистой низколегированной ферритоперлитной стали 09Г2С, используемой в материальном оформлении реактора получения бензина установки каталитического риформинга. Наработка металла реактора составила 180000 ч при температуре 280°С и давлении водородсодержащей рабочей среды 4,0 МПа. Показано, что длительная эксплуатация материала в условиях взаимодействия с газообразным водородом вызвала его естественное старение. Дополнительное наводороживание образцов при температуре 580°С и давлении 10 МПа в течение 17 ч привело к "водородному наклепу материала”. Изучено влияние газообразного водорода на состояние карбидных фаз в основном металле и сварном шве с помощью рентгеноспектрального анализа и метода ядерного гамма-резонанса. Установлено, что количество карбидной фазы (цементита) в стали увеличивается в результате естественного старения при повышенных температурах. Под действием высокотемпературного наводороживания интенсифицируется процесс распада цементита и его восстановление не происходит даже при нагреве до 580°С. Досліджено вплив високотемпературної дії водневмісного середовища на механічні властивості вуглецевої низьколегованої феритоперлітної сталі 09Г2С, що використовується у матеріальному оформленні реактора отримання бензину установки каталітичного риформінгу. Напрацювання металу реактора сягало 180000 г за температури 280°С и тиску робочого середовища з вмістом водню 4,0 МПа. Показано, що тривала експлуатація матеріалу в умовах взаємодії з газоподібним воднем зумовила процеси природного старіння. Додаткове насичення воднем зразків за температури 580°С і тиску 10 МПа на протязі 17 г призвело до “водневого наклепу матеріалу”. Вивчено вплив газоподібного водню на стан карбідних фаз в основному металі і зварному шві за допомогою рентгеноспектрального аналізу та методу ядерного гамма-резонансу. Установлено, що кількість карбідної фази (цементиту) в сталі збільшується внаслідок природного старіння за підвищених температур. Під дією водню високих параметрів інтенсифікується процес розпаду цементиту і його відновлення не відбувається навіть при нагріванні до 580°С. The paper addresses the action of a high-temperature hydrogen-containing fluid on mechanical properties of a low-alloy carbon ferritepearlitic steel 09G2S which is used for the manufacture of a gasoline-producing reactor vessel for a catalytic reformer unit. The vessel metal had 180,000 running hours at a hydrogen-containing fluid temperature 280°C and pressure 4.0 MPa. It is demonstrated that a long-term operation of the material in contact with gaseous hydrogen has caused its natural ageing. Further hydrogen saturation o f test specimens at 580°C and 10 MPa for 17 h has resulted in a so-called hydrogen-induced strain hardening of the material. The influence of gaseous hydrogen on the state of carbide phases in the base metal and weld is studied by the x-ray spectrum analysis and nuclear gamma resonance method. The amount of a carbide phase (cementite) in steel has been found to grow due to natural ageing at elevated temperatures. The high-temperature hydrogen saturation makes the cementite decomposition process more intensive, and no cementite recovery occurs even when the material is heated up to 580°C. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз Study of hydrogen effect on properties of low-alloy Steel 09G2S and stability of carbide phases Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз Стасюк, С.З. Терентьев, В.П. Научно-технический раздел |
| title | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз |
| title_alt | Study of hydrogen effect on properties of low-alloy Steel 09G2S and stability of carbide phases |
| title_full | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз |
| title_fullStr | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз |
| title_full_unstemmed | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз |
| title_short | Исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09Г2С и стойкость карбидных фаз |
| title_sort | исследование влияния водорода на свойства низколегированной стали 09г2с и стойкость карбидных фаз |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48104 |
| work_keys_str_mv | AT stasûksz issledovanievliâniâvodorodanasvoistvanizkolegirovannoistali09g2sistoikostʹkarbidnyhfaz AT terentʹevvp issledovanievliâniâvodorodanasvoistvanizkolegirovannoistali09g2sistoikostʹkarbidnyhfaz AT stasûksz studyofhydrogeneffectonpropertiesoflowalloysteel09g2sandstabilityofcarbidephases AT terentʹevvp studyofhydrogeneffectonpropertiesoflowalloysteel09g2sandstabilityofcarbidephases |