Применение метода дифракции отраженных электронов для изучения коррозионного растрескивания под напряжением магистральных трубопроводов

УДК 621.644.07:[620.194.22+621.3.082.7] М.М. Кантор, В.В. Судьин, В.А. Боженов

Применение метода дифракции отраженных электронов для изучения коррозионного растрескивания под напряжением магистральных трубопроводов

Ключевые слова:

транскристаллитное

коррозионное

растрескивание

под напряжением,

магистральный

газопровод

высокого давления,

трубная сталь,

метод дифракции

отраженных

электронов,

кристаллография

разрушения.

Keywords:

transgranular stress corrosion cracking, high-pressure gas main, pipe steel, backscattered electron diffraction method, crystallography of destruction.

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) - синергетический процесс разрушения материала в результате одновременного воздействия двух факторов -коррозионно-агрессивной среды и механических напряжений. Тем не менее обычно классификацию механизмов КРН трубных сталей подземных трубопроводов высокого давления проводят только лишь на основе коррозионного фактора. Различают две формы КРН: 1) в щелочной среде (при рН = 9-12) - трещины распространяются по границам зерен; 2) в околонейтральной среде (при рН = 5,5-7), где преобладает транскристаллитный рост трещин [1].

Ранее для исследования КРН применялись лишь металлографические методики определения пути распространения трещины и изучения изломов, но понимание важности кристаллографических особенностей зарождения и развития трещин потребовало применения дифракционных методик. Поскольку большинство методов, использующих дифракцию рентгеновского излучения, не обладают достаточной локальностью для изучения отдельных трещин, широкое распространение в изучении КРН получил метод дифракции отраженных электронов (ДОЭ), позволяющий определять ориентацию кристаллита с локальностью до 50 нм [2].

Метод ДОЭ заключается в сканировании электронным пучком поверхности образца с регистрацией картин дифракции отраженных электронов, несущих в себе информацию об ориентации кристаллической решетки. Метод реализуется в растровом электронном микроскопе с помощью установки камеры регистрации дифракционных картин и программного обеспечения для их индицирования и управления системой. Получаемая информация об ориентации кристаллической решетки обрабатывается с применением различных форм визуального представления и приемов статистического анализа.

Из первичной информации об ориентации отдельных кристаллитов методом ДОЭ можно получить информацию о строении границ зерен, текстуре материала и локальной деформации. Применение ДОЭ позволило определить зерна поликристаллического материала как области с одинаковой ориентацией, окруженные со всех сторон высокоугловыми границами, а также идентифицировать эти границы [3].

Метод ДОЭ позволяет изучать характер границ зерен, поэтому за рубежом его широко использовали для изучения межзеренного КРН. Установлено, что наиболее устойчивыми являются преимущественно малоугловые границы, а также так называемые специальные границы с низким значением количества узлов совпадений решеток [4]. В то же время случайные высокоугловые границы оказались чувствительными к межзеренному КРН. На основе этих представлений выработаны рекомендации по выбору микроструктур сталей для повышения сопротивляемости межзеренному КРН [5]. Методы термомеханической обработки сталей, разработанные исходя из принципов инженерии границ зерен, позволяют создавать стали, устойчивые к межзеренному КРН [6]. Опубликованы результаты исследований механизма транскристаллитного КРН металла труб из аустенитных нержавеющих сталей, эксплуатируемых в водо- и паропроводах атомных электростанций, с точки зрения кристаллографии разрушения [7-9], в то время как этот же аспект разрушения

низколегированных малоуглеродистых сталей путем транскристаллитного КРН достаточно подробно не изучался. Тем не менее понимание кристаллографических особенностей транскристаллитного КРН малоуглеродистых низколегированных сталей, характерного для отечественных газопроводов, важно с точки зрения дальнейшей разработки материалов, устойчивых к растрескиванию, и методов предотвращения образования новых и остановки уже существующих трещин.

Методика эксперимента

В качестве объекта исследования был выбран темплет, вырезанный из участка нефтепровода, выполненного из стали 17Г1С-У, содержащий колонию коротких несквозных трещин КРН, аналогичную описанным ранее в атласе [10]. Из темплета в месте образования колонии стресс-коррозионных трещин вырезали образцы в плоскости, перпендикулярной поверхности трубы, и плоскости распространения трещин и по стандартным металлографическим методикам подготовили шлифы. Исследование шлифов проводилось с использованием растрового электронного микроскопа CrossBeam1540EsB (Carl Zeiss, Германия) (рис. 1). Микрофотографирование проводилось при ускоряющем напряжении 15-25 кВ во вторичных и отраженных электронах. Для регистрации картин дифракции использовался детектор Nordlys S (Oxford Instruments, Великобритания).

Для участков трещины, на которых глубина коррозии устья составила размер одного зерна и более, не всегда возможно установить

характер границ зерен, по которым прошло разрушение. Тем не менее при анализе трещин транскристаллитного КРН часто встречаются узкие участки трещин с небольшой степенью коррозии вдоль устья [10]. Такие участки были отобраны для исследования.

Визуальное представление результатов, полученных методом ДОЭ, может осуществляться в различных формах. В данном случае основной формой служили ориентационные карты сечений поликристаллического материала плоскостью шлифа, на которых цветами кодировались ориентации кристаллита на обратной полюсной фигуре (ОПФ) (рис. 2).

Другой возможной формой визуального представления результатов ДОЭ являются карты локальной разориентации (рис. 3). На них цветом в каждой точке кодируется разница между углами ориентации решетки этой точки и ее соседей внутри зерна. Таким образом, можно визуализировать пространственное распределение напряжений и деформации в микроструктуре.

Результаты эксперимента

Обнаруженные короткие трещины (< 5 мкм) КРН часто находились на дне коррозионных питтингов (рис. 4). На полученных ориента-ционных картах видно, что трещины образуются на границах зерен и на границах фаз (рис. 5). Данное наблюдение приводит к предположению о том, что эти границы обладают повышенной чувствительностью к КРН относительно тела зерна и других границ. Возможность определения типа границы зерна позволяет провести исследование природы таких границ.

300 мкм

Рис. 1. Электронная микрофотография сечения участка трубы, содержащего колонию трещин КРН

Рис. 2. Ориентационная карта микроструктуры горячекатаной стали 09Г2С в координатах ОПФ: в правом углу - ОПФ с цветовой кодировкой ориентаций решетки зерна феррита; черными линиями отмечены границы зерен

Рис. 3. Карта локальных разориентаций на сечении излома образца стали 09Г2С после испытаний на ударный изгиб: по радужной шкале от синего до красного закодирована

степень разориентации соседних точек

Рис. 4. Электронные микрофотографии короткой трещины КРН на дне коррозионного питтинга

Рис. 5. Электронные микрофотографии коротких трещин КРН (а, б, в) и ориентационные карты в координатах ОПФ (г, д, е) тех же участков

Установлено, что разрушенные границы имеют разориентацию более 20° (рис. 6).

На межзеренном участке более длинной трещины глубиной 200 мкм (рис. 7) в верхней части изображения наблюдается отклонение трещины от прямолинейного распространения в направлении приложенного напряжения в пользу роста вдоль границы по контуру зерна. Подобные изменения направления роста наблюдаются и на других межзеренных участках. Также появляются участки транскристаллитно-го роста, и разрушение становится смешанным.

V ^ 1 Н 2

1

0 10 20 30 40 50 60 Угол разориентации, град.

Рис. 6. Диаграмма распределения ориентаций разрушенных границ

Наблюдаемые трещины глубиной более 300 мкм распространяются в основном транс-кристаллитно, продвигаясь по границам зерен лишь тогда, когда они совпадают с направлением роста трещины (рис. 8). При этом направление роста внутри одного зерна постоянно, что может подтверждать теорию о транскристал-литном распространении трещин КРН по направлениям скола в кристалле, выдвинутую для аустенитных сталей [8] в том числе по итогам экспериментов на монокристаллах [7].

Одним из факторов, определяющих переход от межзеренного к транскристаллитному росту, может являться следующее: способность трещины распространяться вдоль границы зерна зависит также от того, насколько благоприятно ориентирован чувствительный к КРН сегмент границ зерен относительно направления приложенного напряжения. При увеличении длины трещины вероятность встретить на пути такой участок возрастает. Если межзерен-ная трещина упирается в тройной стык, значимыми параметрами становятся природа и геометрия каждой из двух доступных границ зерен. В неблагоприятных случаях имеет место переход от межзеренного распространения трещины к транскристаллитному или происходит затупление ее вершины и рост приостанавливается. Данное представление согласуется с предложенными ранее теориями распространения межзеренного разрушения [11].

3 3

1

0

С ^

Рис. 7. Трещина КРН глубиной 200 мкм на ориентационной карте в координатах

ОПФ: 1 - участки межзеренного разрушения; 2 - участки транскристаллитного разрушения

Рис. 8. Трещина КРН глубиной более 300 мкм на ориентационной карте в координатах ОПФ

Важные результаты были получены при измерении степени деформации материала в области трещин различной глубины. Относительная деформация в локальном объеме материала также может быть измерена методом ДОЭ. Для этого измеряется среднее рассеяние ориентаций в пределах зерна (РОЗ), которое линейно зависит от степени деформации материала [12]. Измеренная степень деформации в зоне острия трещины увеличивается с ростом глубины трещины, возрастая для трещин глубиной более 300 мкм более чем в 3 раза по сравнению с трещинами глубиной до 5 мкм (рис. 9). Такое изменение говорит о возможном изменении механизма роста трещины.

Построение карт локальной разориентации кристаллитов позволяет визуализировать локальные деформации кристаллической решетки на пути трещины, так как плотность таких разори-ентаций линейно зависит от остаточной пластической деформации [13]. В наблюдаемых трещинах локальные деформации в устье и на острие трещины распределены равномерно (рис. 10). В то же время пластическая деформация материала на удалении более одного зерна от трещины

не характерна для хрупкого скола. Также степень локальной деформации вдоль устья трещины для КРН существенно превосходит степень локальной деформации вблизи хрупких изломов.

«4

(U

Е

о

ft о

Щ «

С

и н О

1 20 400

Длина трещины, мкм

Рис. 9. Деформация материала на остриях трещин КРН различной длины

3

1

0

Рис. 10. Карты локальной разориентации трещин глубиной более 300 мкм

и глубиной 200 мкм

***

В ходе исследования обоснована целесообразность применения метода ДОЭ при исследовании механизмов образования транскри-сталлитного КРН стальных нефтегазопроводов и его развития на ранних стадиях. Короткие трещины КРН образуются только на случайных высокоугловых границах зерен и границах фаз.

Показан переход от межзеренного распространения трещины к транскристаллитному.

Изменение степени локальной пластической деформации около устья трещины с ее ростом наряду с изменением пути распространения может свидетельствовать об изменении механизма ее распространения в ходе роста.

Локальная пластическая деформация вдоль пути распространения глубоких трещин значительно превосходит деформацию для хрупкого разрушения.

Список литературы

1. Fang B.Y. Review of stress corrosion cracking of pipeline steels in «low» and «high» pH solutions / B.Y. Fang et al. // Journal of materials science. - 2003. - V. 38. - № 1. - P. 127-132.

2. Humphreys F.J. Review grain and subgrain characterisation by electron backscatter diffraction / F.J. Humphreys // Journal of materials science. - 2001. - V. 36. - № 16. - С. 3833-3854.

3. ISO 13067:2011. International Standard. Measurement of average grain size.

4. Arafin M.A. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character

and crystallographic texture studies / M.A. Arafin, J.A. Szpunar // Corrosion Science. - 2009. -V. 51. - № 1. - P. 119-128.

5. Arafin M.A. Modeling of grain boundary character reconstruction and predicting intergranular fracture susceptibility of textured and random polycrystalline materials / M.A. Arafin,

J.A. Szpunar // Computational Materials Science. - 2010. - V. 50. - № 2. - P. 656-665.

6. Shimada M. Optimization of grain boundary character distribution for intergranular corrosion resistant 304 stainless steel by twin-induced grain boundary engineering / M. Shimada et al. // Acta Materialia. - 2002. - V. 50. - № 9. - P. 23312341.

7. Qiao L.J. Discontinuous surface cracks during stress corrosion cracking of stainless steel single crystal / L.J. Qiao et al. // Corrosion Science. -2011. - V. 53. - № 11. - P. 3509-3514.

8. Spencer D.T. The initiation and propagation

of chloride-induced transgranular stress-corrosion cracking (TGSCC) of 304L austenitic stainless steel under atmospheric conditions / D.T. Spencer et al. // Corrosion Science. - 2014. - V. 88. -P. 76-88.

9. Lozano-Perez S. Three-dimensional characterization of stress corrosion cracks / S. Lozano-Perez, P. Rodrigo, L.C. Gontard // Journal of Nuclear Materials. - 2011. - V. 408. -№ 3. - P. 289-295.

10. Арабей А.Б. Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистральных газопроводов: атлас / А.Б. Арабей,

З. Кношински. - М.: Наука, 2006. - 105 с.

11. Lu J. Microstructural model of intergranular fracture during tensile tests / J. Lu, J.A. Szpunar // Journal of materials processing technology. -1996. - V. 60. - № 1. - P. 305-310.

12. Kamaya M. Measurement of plastic strain

of polycrystalline material by electron backscatter diffraction / M. Kamaya, A.J. Wilkinson, J.M. Titchmarsh // Nuclear engineering and design. - 2005. - V. 235. - № 6. - P. 713-725.

13. Lehockey E.M. Mapping residual plastic strain

in materials using electron backscatter diffraction / E.M. Lehockey, Y.P. Lin, O.E. Lepik // Electron backscatter diffraction in materials science. - N.Y. : Springer-Verlag Inc., 2000. - P. 247-264.