Исследование зарождения и распространения коррозионно-усталостных трещин в малоуглеродистых низколегированных сталях

УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ

© Е.Н. Бутусова, В.Н. Чувильдеев, А.В. Нохрин

Ключевые слова: коррозионная усталость; старение; предел макроупругости; трещина.

Описаны результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния параметров структуры на характеристики коррозионно-усталостной прочности малоуглеродистых сталей. Предложена модель зарождения коррозионно-усталостной трещины. Результаты теоретических расчетов сопоставлены с экспериментальными данными.

В процессе длительной эксплуатации в трубных сталях происходят изменения структуры, связанные с диффузионно-контролируемым перераспределением углерода в феррите и выделением частиц цементита на границах зерен [1]. Такие изменения структуры создают деформационные и электрохимические условия, необходимые для ускоренного коррозионноусталостного разрушения стали. Одним из ключевых параметров, определяющих уровень старения в трубных сталях, является величина предела макроупругости (сто), пропорциональная концентрации углерода в феррите [1, 2].

На рис. 1 представлены результаты измерений сто для ст. 17Г1С в (1) состоянии поставки, (2) после длительной вылежки без эксплуатации (аварийный запас), а также (3) результаты измерений ао металла труб той же поставки (той же партии) после длительной эксплуатации.

а0, МПа

^ 2'

і

страб=230 МПа \ 2

Рис. 1. Изменение предела макроупругости в процессе эксплуатации стали 17Г1С-У, араб = 230 МПа

Сравнение величины сто сталей в металле труб аварийного запаса и в аналогичных трубах после эксплуатации показывает, что с увеличением времени эксплуатации разница в значениях сто металла труб аварийного запаса и металла эксплуатировавшихся труб непрерывно увеличивается. Из представленных на рис. 2 зависимостей эксплуатации видно, что масштаб изменения

сто в процессе старения достигает 100-150 МПа, а скорость изменения сто зависит от марки стали и технологии изготовления трубы (завода-изготовителя).

Рис. 2. Изменение предела макроупругости стали 17ГС-17Г1С для труб различных заводов-изготовителей (НМТЗ -Новомосковский трубный завод, ХТЗ - Харцызский трубный завод, ЧТПЗ - Челябинский трубопрокатный завод). В исходном состоянии сто = 270 МПа

Стоит отметить, что снижение сто в процессе эксплуатации приводит к тому, что эта величина оказывается меньше величины рабочих напряжений в стенке трубы, и в стали начинают развиваться процессы мик-ропластической деформации, приводящие к накоплению дефектов на границах зерен феррита и, как следствие, к ускоренному зарождению трещин [2].

Объектами исследования выступали ферритоперлитные стали марок 10Г2ФБ и 17Г1С-У, полученные по технологии нормализации (ст. 17Г1С-У) и контролируемой прокатки (ст. 10Г2ФБ). Исследовались стали с малой объемной долей выделившихся карбидов (состояние 51 - до эксплуатации) и стали с интенсивным выделением карбидов по границам зерен феррита (состояние £2 - после длительной эксплуатации).

Коррозионно-усталостные испытания проводились в 3 %-ном водном растворе №01 при частоте нагружения 50 Гц по схеме «консольный изгиб» на образцах прямоугольного сечения 5x10x60 мм с Ц-образным надрезом глубиной 0,5 мм и с радиусом закругления

200

100

0

10

20

30

40

50

1572

0,25 мм. В ходе испытаний определялось число циклов нагружения до зарождения трещины (М0), число циклов до разрушения образца (М), а также скорость роста трещины (Ктр). Структура сталей исследовалась методами металлографии, растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Механические свойства измерялись с помощью методики релаксационных испытаний [1, 3].

Отметим, что использование методов линейной механики разрушение справедливо при выполнении условия хрупкости: ґ > 2,5-К1с/стт, где ґ - ширина образца, К1с - коэффициент трещиностойкости материала, стт -предел текучести. Основываясь на данных [1], можно утверждать, что в рассматриваемом эксперименте процесс коррозионно-усталостного разрушения связан с процессом пластической деформации.

Испытания на коррозионно-усталостную прочность трубных сталей показывают, что число циклов до зарождения трещины, число циклов до разрушения и скорость роста трещины существенно зависят от традиционных параметров структуры стали (размер зерна, объемная доля перлита, объемная доля цементита, включений и т. д.), а также от концентрации углерода в твердом растворе феррита и объемной доли выделившихся частиц цементита, располагающихся по границам зерен феррита. На рис. 3 представлены зависимости К0(аа) для сталей Х70 и 17Г1С в исходном и состаренном состояниях.

No, цикл Х70

Si

•ihj

Vs

Ьг

,♦ - эксперимент ---- расчёт

a, МПа a

No, ци^л 17Г1С-У

Si

/

А,Ф - эксперимент ---- расчёт

a, МПа

Рис. 3. Зависимости числа циклов до зарождения трещины от прикладываемого напряжения для трубных сталей различного химического и фазового состава

Обобщение представленных результатов показывает, что зависимость М0(а) имеет экспоненциальный характер, и в полулогарифмических координатах 1п(М0)-а может быть интерполирована прямой линией, угол наклона которой зависит от структурного состояния материала (концентрации легирующих элементов, среднего размера зерна и, что особенно важно, от объемной доли и размера частиц карбидов).

Следует отметить, что увеличение объемной доли частиц цементита, выделяющихся по границам зерен феррита в процессе эксплуатации, приводит к уменьшению числа циклов до зарождения коррозионноусталостной трещины, а также к уменьшению угла наклона зависимости 1п(М0)-а.

На рис. 4 представлены зависимости М0(а) и N (а) для трубных сталей различного химического и фазового состава. Как видно из данных графиков, зависимости М0(а) и N (а) изменяются некоррелированно.

N, цикл

\/

No '

a, МПа 0

N,цикл N* 17Г1С-У

Л.

No-"'^

a, МПа

Рис. 4. Зависимости М0 и N от прикладываемого напряжения для трубных сталей различного химического и фазового состава

В работе предложена модель пластического зарождения коррозионно-усталостной трещины. В основе модели лежит предположение о том, что необходимым условием для зарождения трещины является накопление на границе зерна феррита критической степени микропластической деформации. Показано, что интенсивность накопления дефектов на границах зерен феррита лимитируется скоростью движения решеточных дислокаций в поле равномерно распределенных препятствий (атомы легирующих элементов, некогерентные частицы второй фазы и др.). На основе разработанной модели проведен анализ влияния структурных факторов на величину N0. Показано, что старение приводит к снижению энергии активации и увеличению скорости микропластической деформации, что обусловливает снижение числа циклов до зарождения трещины. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными и показано их хорошее соответствие друг другу (рис. 3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Чувильдеев В.Н. Влияние старения на эксплуатационные свойства сталей магистральных газопроводов // Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов: сб. трудов науч.-практ. семинара. Н. Новгород: Университетская книга, 2006. С. 18-68.

2. Мирошниченко Б.И., Нохрин А.В., Лопатин Ю.Г., Смирнов С.И. и др. Металлургические и эксплуатационные аспекты образования дефектов стресс-коррозии в магистральных трубопроводах. Ч. 2. Влияние старения на склонность трубных сталей к зарождению стресс-коррозионных трещин // Технология металлов. 2012. № 5. С. 6-11.

3. Нохрин А.В. Особенности изменения прочностных свойств при отжиге субмикрокристаллических металлов и сплавов, полученных методом равноканального углового прессования. Ч. 1-2 // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 11. С. 23-31.

Поступила в редакцию 1 0 апреля 201 3 г.

Butusova E.N., Chuvildeyev V.N., Nokhrin A.V. INITIATION AND PROPAGATION OF CORROSION FATIGUE CRACKS IN LOW-CARBON STEELS

This paper presents the results of experimental and theoretical investigations on the effect of structure parameters on characteristics of corrosion fatigue strength in low-carbon steels. The model of corrosion fatigue crack initiation is offered. The theoretical results were compared with experimental data.

Key words: corrosion fatigue; aging; limit of macro-elasticity; crack.

l0

Х70

l0

la

la

l50

300

450

250

350

450

la

l0

S

250

350

450 l50

300

450

1573