Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах


Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ В КОРРОЗИОННЫХ СРЕДАХ

Монография








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 620.193
ББК 34.66
     С32








Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования В. Н. Гадалов (Юго-Западный государственный университет);
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительства, строительных материалов и конструкций А. А. Трещев (Тульский государственный университет);
          доктор технических наук, профессор кафедры физики металлов и материаловедения, главный научный сотрудник А. Е. Гвоздев (Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого)






       Сергеев, Н. Н.
С32     Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных ста       лей в коррозионных средах : монография / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 432 с.
         ISBN 978-5-9729-0462-4

    Представлены результаты исследований поведения высокопрочных сталей различных систем легирования в сопряженных механических, концентрационных и тепловых полях и коррозионных средах. Установлены закономерности развития процессов водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания в различных условиях и состояниях, определено влияние способа выплавки стали на характеристики и длительную прочность. Проведены исследования свойств биметаллического и многослойного коррозионно-стойкого проката различных марок, а также плазменно-напыленных покрытий.
    Для научных работников и специалистов по металловедению и обработке металлов и сплавов, а также преподавателей и студентов металлургических, машиностроительных и строительных направлений подготовки.

                                                            УДК 620.193
                                                            ББК 34.66



ISBN 978-5-9729-0462-4    © Сергеев Н. Н., Сергеев А. Н., 2020
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................6
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О
КОРРОЗИОННОМ ПОВРЕЖДЕНИИ СПЛАВОВ И НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ИХ ЗАЩИТЫ.................................10
  1.1. Коррозия металлов.....................................10
  1.2. Влияние адсорбционных процессов на снижение прочности.17
  1.3. Водородная коррозия...................................20
  1.4. Факторы, влияющие на электрохимическую коррозию железа и сталей............................................33
  1.5. Физико-химические и механические предпосылки коррозионномеханического разрушения...................................52
  1.6. Коррозионное растрескивание...........................57
  1.7. Водородное растрескивание.............................70
  1.8. Водородное изнашивание и фреттинг-коррозия............87
  1.9. Коррозионная, термическая и фреттинг усталость........92
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ПРОТИВ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ И
ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ....................................102
  2.1. Выбор сред и разработка метода определения длительной прочности конструкционных сталей в агрессивных средах.....102
  2.2. Экспериментальные установки и приспособления для определения длительной прочности высокопрочных сталей в агрессивных средах........................................122
  2.3. Установки и методы, используемые для определения кинетики коррозионного растрескивания и водородного растрескивания.136
  2.4. Высокопрочные арматурные стали для предварительно напряженных железобетонных конструкций....................140

3

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ, ПРИ КОРРОЗИОННОМ РАСТРЕСКИВАНИИ И ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ...................................146
  3.1. Влияние уровня, способа создания растягивающих напряжений, температуры и продолжительности воздействия на
  физико-механические характеристики..........................146
  3.2. Влияние вида сред, их концентрации, температуры и поляризации на физико-механические свойства и
  длительную прочность........................................165
  3.3. Влияние состояния поверхности и масштабного эффекта на длительную прочность в среде, вызывающей наводороживание....193
  3.4. Влияние химического состава, структуры и технологии в процессе производства на стойкость против водородного растрескивания.203
  3.5. Влияние видов и режимов термической обработки арматурных сталей на длительную прочность......................208
ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ В СОЧЕТАНИИ С НАТУРНЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ....................................219
  4.1. Сравнительная стойкость против коррозионного растрескивания арматурных сталей..............................................219
  4.2. Сравнительная стойкость против водородного растрескивания.246
  4.3. Кинетика и критерии разрушения арматурных сталей в кипящих растворах нитратов и в водородсодержащих средах................251
  4.4. Прогнозирование долговечности железобетонных конструкций, армированных высокопрочной арматурной сталью...................273
  4.5. Опытно-промышленное использование полученных результатов..292

4

ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОБОСНОВАННОГО ВЫБОРА КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИХ ЗАЩИТЫ................................304
  5.1. Определение влияния способа получения стали на физикомеханические характеристики и длительную прочность..304
  5.2. Повышение долговечности штампового инструмента.321
  5.3. Исследование физико-механических и коррозионных свойств биметаллов..........................................350
  5.4. Исследование физико-механических свойств и коррозионной стойкости покрытий, наносимых методом плазменного напыления.371
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................389
ЛИТЕРАТУРА............................................393

5

        ВВЕДЕНИЕ


     Изучение физических основ изменения прочности и пластичности под воздействием растягивающих напряжений и агрессивной среды является одной из важнейших проблем физики твердого тела. Снижение эксплуатационных свойств высокопрочных сталей в результате коррозионного растрескивания (КР) и водородного охрупчивания (ВО) является причиной разрушений деталей и конструкций, приносящих значительный материальный ущерб [12, 37, 134, 182, 312].
     Коррозионное растрескивание характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации макрообъёмов металла, что в значительной степени усложняет контроль элементов конструкций и деталей в период предразрушения и не позволяет предупреждать аварии, которые наносят не только огромный материальный ущерб, но и приводят к многочисленным людским жертвам [401, 417, 449, 455, 473].
     Следует также особо выделить опасность повреждения деталей транспортных средств (автомобилей, железнодорожного подвижного состава, морских судов и летательных аппаратов) [182, 416, 449, 455].
     Вполне понятно, к каким последствиям может привести коррозионное растрескивание напряжённой арматуры в железобетонных изделиях и элементах металлических конструкций промышленных и гражданских сооружений [14, 17, 28, 57, 340].
     Участившиеся обрушения строительных конструкций, в большинстве случаев инициируемые коррозионным растрескиванием напряженной арматуры в железобетонных изделиях, ставят проблему изучения этого вида разрушения особенно остро [16, 158, 196].
     Несмотря на огромное количество работ, до настоящего времени не создана единая теория коррозионного растрескивания, позволяющая объяснить имеющиеся экспериментальные данные.
     Исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показывают, что практически все применяемые высокопрочные стали имеют

6

склонность к коррозионному растрескиванию в средах, встречающихся в реальных условиях.
     Исследование механизма коррозионного растрескивания высокопрочных сталей имеет важное научное и практическое значение. Изучение закономерностей этого типа разрушения позволит разработать новые марки высокопрочной арматурной стали, обладающие повышенной стойкостью против коррозионного растрескивания, и увеличить стойкость применяемых марок стали за счёт усовершенствования технологии получения стержневой арматуры и ее термической обработки. Частичное снятие ограничения в применении железобетонных конструкций с таким армированием даёт значительный технико-экономический эффект.
     Существующие нормы и технические условия значительно ограничивают область применения высокопрочных сталей, что существенно снижает главный эффект от их применения - экономию металла, но не способствует радикальному решению проблемы - обеспечения надежности эксплуатации, так как в конечном счете она определяется сопротивляемостью стали к коррозионному растрескиванию.
     В соответствии с современными представлениями о коррозионном растрескивании высокопрочных арматурных сталей, ускоренные испытания необходимо проводить в водородсодержащих средах. Это способствует обеспечению подобия характера разрушения и стабильности условий эксперимента, обусловленных специфическими свойствами водорода, обладающего способностью проникать практически во все металлы и сплавы из рабочих сред за счет высокой диффузионной подвижности.
     Способность водорода перемещаться в неоднородных полях напряжений, позволяет создавать повышенные концентрации в локальных микрообъемах с значительным уровнем растягивающих напряжений, что может привести к водородному охрупчиванию и растрескиванию [132, 145, 156, 202, 385, 436].
     Водородной хрупкости ежегодно посвящаются сотни публикаций, но проблема водородного охрупчивания и разработка методов, снижающих это явление, по-прежнему остаётся актуальной.

7

     Огромные возможности применения водорода в моделировании процесса разрушения открываются в свете последних достижений науки и техники. Поэтому решение проблемы прогнозирования долговечности высокопрочных материалов в конкретных условиях эксплуатации по результатам ускоренных сравнительных испытаний является не только актуальным, но и необходимым.
     Для прогнозирования долговечности конструкционных материалов, эксплуатируемых в конкретных условиях, необходимо проведение не только сравнительных лабораторных испытаний, но обязательно и натурных, позволяющих подтвердить правильность полученных выводов.
     Разработанные методики определения сравнительной длительной прочности в водородсодержащих средах и получаемые экспериментальные результаты позволяют оптимизировать не только технологию получения материала, но и технологические режимы изготовления детали или элемента изделия [56, 133-135].
     За счёт электролитического насыщения образцов из исследуемого материала, используя специфические свойства водорода, можно в широких пределах моделировать различные эксплуатационные ситуации, приводящие к охрупчиванию и разрушению [75; 76, 203, 246].
     В последнее время появляются исследования, где эффекты и закономерности водородного охрупчивания учитываются в различных технологических процессах, связанных с формообразованием, резанием, нанесением защитных покрытий, в направлении формирования оптимального комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств, обеспечивающих надежность и необходимую долговечность изделий [29-31, 93, 271, 284].
     До настоящего времени нет фундаментальных исследований, позволяющих прогнозировать долговечность высокопрочных арматурных сталей в средах, вызывающих наводороживание.
     Отсутствует стандартная методика и оборудование по определению сравнительной длительной прочности арматурных сталей в водородсодержащих средах.

8

     В публикациях приводятся ограниченные сведения по случаям хрупкого обрушения конструкций и их анализа.
     В настоящее время в связи с широким применением высокопрочных сталей в различных отраслях техники в качестве конструкционных материалов, позволяющих в значительной степени повысить несущую способность конструкций без увеличения их веса, вероятность их выхода из строя в результате коррозионного растрескивания (КР), и водородного охрупчивания (ВО) значительно возрастает. Поэтому разработка методик и оборудования, а также проведение исследований по уточнению механизмов коррозионного растрескивания и водородного охрупчивания промышленных марок конструкционной стали и методов их защиты имеют важное научное и практическое значение. Острота этой проблемы возрастает, поскольку темп роста случаев обрушения и выхода из строя оборудования наносит не только огромный экономический и материальный ущерб, но всё чаще параллельно вызывает экологические катастрофы.
     Настоящая работа выполнена в лабораториях физики металлов и прочности Тульского политехнического института, физики металлов НИИЧМ НПО «Тулачермет», в лабораториях кафедры технологии Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого и в научных лабораториях кафедр физики, металловедения и термической обработки Тульского государственного университета.

9

    Глава 1.


        СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОРРОЗИОННОМ ПОВРЕЖДЕНИИ сплавов и некоторые методы ИХ ЗАЩИТЫ

1.1. Коррозия металлов
     Подавляющее большинство металлических элементов в земной коре находится в виде окислов, гидроокислов, сульфидов, карбонатов и других соединений. При металлургической переработке руд осуществляется восстановление металлов до свободного состояния за счёт их перевода на более высокий энергетический уровень. Но природная тенденция к возврату в первоначальное, энергетически более низкое, состояние, а также к образованию соединений, сохраняется. Когда металл вступает в реакцию с атомом или группой молекул, теряя при этом электроны, происходит реакция окисления. Металл также окисляется и теряет электроны при переходе из одной валентности в другую, более высокую. Таким образом, термин "окисление" описывает переход электронов, а реакция соединения кислорода с металлом является частным случаем этого общего процесса. Когда металл окисляется, другой участник реакции восстанавливается, т. е. приобретает электроны. Суммарная реакция окисления этого типа может быть представлена как две отдельные реакции, протекающие одновременно.

          Окисление: Me⁰ ^ Mez⁺ электронов,                    (1)
где z - валентность металла.
          Восстановление: O² + z электронов ^ (z/2) O²⁻.       (2)
          Суммарная реакция: Me + O₂ ^ MeOz/2.                 (3)
     Самопроизвольное окисление металлов, наблюдаемое при их эксплуатации, называется коррозией, а среда, в которой происходит этот процесс, назы

10

вается коррозионной, или агрессивной. При этом образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме. Следовательно, коррозию можно представить, как процесс, обратный процессу восстановления, применяемый при переработке руды, который приводит к разрушению металлов в результате химического и физико-химического воздействия окружающей среды. В зависимости от природы различают электрохимическую и химическую коррозию.
     Химическая коррозия протекает в неэлектролитах и сухих газах. В газовых средах, содержащих кислород, этот вид коррозии реализуется только при очень высоких температурах. Химическую коррозию можно представить уравнением:
Ме⁰+^О₂ = МеО                         (4)
     Стойкими против газовой коррозии являются благородные металлы. На практике чаще всего встречаются с электрохимической коррозией, возникающей при контакте металла с электропроводящими средами [21, 306, 328]. Электрохимические реакции, в отличие от химических, протекают с выделением электрической энергии (гальванический элемент) или за счёт её потребления (гальванованна). Скорость электрохимических реакций зависит не только от температуры и концентрации реагирующих веществ, но и от потенциала электрода. На рисунке 1 представлена схема работы коррозионного элемента, состоящего из двух электродов - анода и катода, погруженных в раствор электролита. Элемент может быть образован электродами из разных металлов, а также из одного и того же металла.

Рис. 1. Схема работы коррозионного элемента

11

     В гальваническом элементе катодом считается положительный полюс, анодом - отрицательный. Под электродом понимается проводник первого рода, погруженный в электролит и включённый в электрохимическую цепь. Внешняя цепь - это металлический проводник, соединяющий электроды. Электродвижущая сила (ЭДС) электрохимической цепи определяется наибольшей разностью потенциалов положительного и отрицательного электродов. Электрохимическая реакция протекает до тех пор, пока существует разность потенциалов. В ходе реакции наблюдается выравнивание потенциалов электродов, ЭДС исчезает, в системе наступает равновесие, и реакция прекращается.
     Однако, следует помнить, что разность потенциалов существует в цепи только до её замыкания, а в режиме короткого замыкания ЭДС электрохимической цепи равна нулю вследствие поляризации электродов. В таком режиме электрохимические реакции протекают наиболее интенсивно, и система дает максимальный ток.
     Современная теория электрохимической коррозии металлов основывается на том, что не только чистый металл, но и металл с заведомо гетерогенной поверхностью корродирует как единый электрод согласно закономерностям электрохимической кинетики.
     На его поверхности одновременно и независимо друг от друга протекают анодные и катодные процессы. При равномерной коррозии на поверхности нет участков, где преимущественно протекают катодные или анодные реакции.
     При локализации процесса анодная реакция сосредоточивается на отдельных участках, а катодные реакции протекают на остальной части поверхности. Такая дифференциация поверхности на участки, где преимущественно протекает одна из реакций, приводит к тому, что в системе появляется ток и на поверхности начинают функционировать мощные коррозионные элементы.
     В зависимости от характера протекания и результата воздействия электрохимическую коррозию можно разделить на два вида: на сплошную и локальную коррозии.

12

     Простейшим видом коррозии является равномерное поверхностное растворение, оказывающее незначительное влияние на физико-химические и механические характеристики материалов. При коррозии технических сплавов, обладающих высоким уровнем электрохимической гетерогенности поверхности, происходит преимущественное растворение отдельных фаз. Локализация коррозионного процесса приводит к возникновению межкристаллитной и щелевой коррозии, значительно ухудшающей свойства материалов. Для решения проблемы коррозии прежде всего необходимо установить её причины. В зависимости от условий протекания электрохимическая коррозия делится на:
     а)      атмосферную - коррозию металлов и сплавов при эксплуатации на воздухе;
     б)     подземную - коррозия различных сооружений в грунтах;
     в)       электролитическую - коррозию металлов и сплавов в растворах электролитов (в морской и речной воде, технологических средах различных производств).
     Все факторы, обусловливающие появление и протекание локальной коррозии, можно разделить на пять групп:
     1. Структурные особенности металла и сплава;
     2. Неоднородность объёмных свойств электролитов;
     3. Условия эксплуатации конструкций и аппаратов;
     4. Местные нарушения свойств защитных покрытий;
     5. Конструктивные особенности изделий.
     Каждый из приведённых факторов в отдельности, а иногда и в совокупности с другими, может вызвать локальную коррозию. Не менее важную роль в развитии локальной коррозии играет местное изменение состава и свойств электролитов.
     Коррозионные процессы, происходящие при эксплуатации изделий, очень сложны, и поэтому их моделирование при проведении лабораторных испытаний сопряжено с большими экспериментальными трудностями. Часто по

13