Водородное охрупчивание и растрескивание высокопрочной арматурной стали


Н. Н.Сергеев
А. Н.Сергеев







ВОДОРОДНОЕ ОХРУПЧИВАНИЕ И РАСТРЕСКИВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ



Монография










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 666.982.24
ББК 34.222.235
     С32




Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета В. Н. Гадалов;

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства, строительных материалов и конструкций Тульского государственного университета А. А. Трещев;

доктор технических наук, профессор по кафедре физики металлов и материаловедения, главный научный сотрудник Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого А. Е. Гвоздев





       Сергеев, Н. Н.

С32        Водородное охрупчивание и растрескивание высокопрочной
       арматурной стали : монография / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 172 с.
            ISBN 978-5-9729-0542-3

    Исследованы процессы водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания, протекающие в промышленных высокопрочных арматурных сталях. Разработаны новые методики, установки и оборудование для исследования; установлены закономерности развития процессов охрупчивания и разрушения сталей в различных физико-химических полях и водородных средах. Исследованы процессы термической и термомеханической обработки арматурных сталей для получения высокопрочных профилей, применяемых для изготовления композиционных армированных железобетонных конструкций и изделий.
    Для научных работников и специалистов по металловедению и термической обработке металлов и сплавов, физике прочности и пластичности, механике обработки металлов давлением, материаловедению, строительным технологиям, композиционным материалам и технологиям машиностроения. Издание может быть полезно студентам и преподавателям соответствующих специальностей.

                                                             УДК 666.982.24
                                                             ББК 34.222.235




ISBN 978-5-9729-0542-3

  © Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................8
  1.1. Растрескивание металлов под напряжением в коррозионных средах..........................................8
  1.2. Условия растрескивания при водородном охрупчивании.......11
    1.2.1. Влияние анодных и катодных процессов.................11
    1.2.2. Влияние напряжения...................................16
    1.2.3. Влияние состояния сплава (химического состава, легирования, структуры и субструктуры) на водородное охрупчивание.........21
    1.2.4. Влияние концентрации сред на скорость коррозии и склонность стали к хрупкому разрушению....................23
  1.3. Механизмы, теории и гипотезы хрупкого разрушения при наводороживании в напряженном состоянии...................27
    1.3.1. Теория водородного охрупчивания......................28
    1.3.2. Теории, основанные на механизме хрупкого разрушения Гриффитса...................................................28
    1.3.3. Теории, основанные на взаимодействии водорода с дислокациями ... 29
    1.3.4. Теория твердорастворного водородного упрочнения.......30
    1.3.5. Адсорбционно-электрохимическая гипотеза коррозии под напряжением..............................................32
  1.4. Высокопрочные арматурные стали для предварительно напряженных железобетонных конструкций и их стойкость
  в условиях наводороживания....................................34
    1.4.1. Методы защиты и предупреждения хрупкого разрушения высокопрочных арматурных сталей..............................40
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ, МАТЕРИАЛЫ И УСТАНОВКИ...........................................44
  2.1. Выбор метода исследования хрупкого разрушения металлов и сплавов в напряженном состоянии при воздействии агрессивных сред...............................................44
  2.2. Установки и приспособления для определения длительной прочности высокопрочных сталей в коррозионных средах.....................48
  2.3. Методика и стали, принятые для исследования...............54
  2.4. Использование метода внутреннего трения для исследования влияния водорода на субмикроструктурные изменения стали (микронаклеп в районе коллекторов)...................................................61

3

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
ФАКТОРОВ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ..........................66
  3.1. Влияние различных сред, концентрации, анодной и катодной поляризации и температуры на механические свойства и длительную прочность арматурной стали.......................................66
    3.1.1. Влияние среды, вызывающей наводороживание.....78
    3.1.2. Влияние растягивающих напряжений..............79
    3.1.3. Влияние среды и катодной поляризации..........81
    3.1.4. Влияние среды и напряжений....................82
  3.2. Влияние масштабного эффекта и состояния поверхности на длительную прочность в среде, вызывающей наводороживание.97
  3.3. Влияние уровня и способа создания растягивающих напряжений на статическую водородную усталость..............103
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТОЙКОСТЬ СТАЛИ
ПРОТИВ ВОДОРОДНОГО ОХРУПЧИВАНИЯ.........................114
  4.1. Сравнительная стойкость против водородного охрупчивания высокопрочной арматурной стали........................114
  4.2. Влияние легирования..............................119
  4.3. Влияние видов и режимов термообработки...........124
  4.4. Опытно-промышленное использование полученных результатов...........................................135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................139
ЛИТЕРАТУРА..............................................143

4

            ВВЕДЕНИЕ



    Увеличение производства предварительно напряженного железобетона и его широкое применение в гражданском и промышленном строительстве, а также при возведении различных инженерных сооружений, потребовало применения арматурных сталей повышенной и высокой прочности, позволяющих снизить металлоемкость железобетонных конструкций. Замена обычной арматурной стали на высокопрочную позволяет экономить от 30 до 40 процентов металла, что имеет особую важность, так как арматурная сталь, в отличие от других видов проката, не возвращается в баланс металла страны.
    Наличие высоких растягивающих напряжений в рабочей арматуре и агрессивных сред, в которых эксплуатируются железобетонные конструкции на химических, металлургических и других предприятиях, создает предпосылки для развития и протекания особого вида разрушения - коррозионного растрескивания. В плотном бетоне при отсутствии агрессивных компонентов и при достаточной толщине защитного слоя, арматура не подвергается коррозии в течение длительного срока эксплуатации. В реальных конструкциях наличие трещин, раковин и каверн в защитном слое бетона, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации конструкций, исключает полную защиту напряженной арматуры от воздействия агрессивных сред. Известен ряд случаев в отечественной и зарубежной практике строительства, когда ~50 % разрывов высокопрочной арматуры произошло из-за недоброкачественности бетона и воздействия агрессивных сред (данные Комиссии долговечности международной федерации по предварительно напряженному железобетону ФИП, приведенные на VI Международной конгрессе).
    В связи с изложенным, особое значение приобретает проблема обеспечения долговечности предварительно напряженных железобетонных конструкций, определяемая прежде всего стойкостью напряженной арматурной стали против коррозионного растрескивания. Преждевременное разрушение

5

конструкций в результате коррозионного растрескивания арматуры является одним из основных факторов, сдерживающих и ограничивающих применение высокопрочной арматурной стали.
    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 повысить стойкость применяемых марок стали за счет усовершенствования технологии получения стержневой арматуры и термической обработки. Частичное снятие ограничения в применении железобетонных конструкций с таким армированием дает значительный технико-экономический эффект. В связи с актуальностью проблемы в нашей стране и за рубежом проводятся многочисленные исследования механизма коррозионного растрескивания металлов, сплавов и других конструкционных материалов. Этому вопросу посвящен ряд монографий -Карпенко Г. Б., Ажогина Ф. Ф., Романова В. В., Томашова Н. Д., Зеденки-на С. Г., Сухотина А. М., Полак А. Ф., Похмурского В. И., Василенко И. И., Робертсона В. Д., Тетельмена А. Б., Свона П., Коттерила П., Тодт Ф., Тро-манса Д., Харвуда Ю, а других авторов. Несмотря на огромное количество работ, до настоящего времени не имеется единой точки зрения на процесс коррозионного растрескивания, позволяющей объяснить имеющиеся экспериментальные материалы и факты. Многообразие факторов, имеющих место при испытаниях и влияющих на механизм коррозионного растрескивания различных металлов и сплавов, порождает различные гипотезы относительно механизма этого сложного вида разрушения, которые не могут объяснить одновременно все особенности поведения материала в условиях воздействия различных агрессивных сред. Это затрудняет обобщение и систематизацию полученных результатов, и практическое их использование для прогнозирования долговечности деталей и конструкций.

6

    Работа ответственных железобетонных конструкций в агрессивных средах обусловливает необходимость проведения лабораторных и промышленных исследований природы растрескивания с конечной целью повышения стойкости высокопрочной напрягаемой арматуры против коррозии под напряжением и выявления условий и областей безопасного применения армированных конструкций. Из числа таких исследований, можно отметить работы, проводимые в НИИЖБе под руководством С. Н. Алексеева, в Тульском политехническом институте под руководством М. А. Криштала и в ИЧМ МЧМ СССР под руководством акад. К. Ф. Стародубова Аналогичные исследования за рубежом проводились В. Ленерт, Г. Рем и другими исследователями.
    Установлено, что в зависимости от коррозионной среды хрупкое разрушение может происходить за счет коррозионного растрескивания или водородного охрупчивания. Второй вид разрушения является наиболее опасным, так как наступает через более короткий период времени. Анализ случаев разрушения металлических конструкций показал, что основной причиной этого является повышенное содержание водорода. До настоящего времени влияние коррозионных сред, вызывающих наводороживание, в достаточной степени не изучалось.
    В настоящей работе представлены результаты влияния различных факторов: напряжений, среды, поляризации от внешнего источника тока, температуры эксперимента, микроструктуры и субструктуры, фиксируемой при различных режимах термической обработки, а также легирования различными элементами на стойкость против водородного охрупчивания высокопрочной арматурной стали как типичного представителя конструкционных металлических систем. Данные исследования позволят определить сравнительную стойкость арматурных сталей в средах, вызывающих наводороживание, и разработать методы по прогнозированию разрушений и повышению указанной стойкости.

7

            ГЛАВА 1.

            СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ


        1.1. Растрескивание металлов под напряжением в коррозионных средах

    Коррозионное растрескивание представляет собой сложный процесс разрушения металлов, наблюдаемый в условиях одновременного воздействия агрессивной среды и растягивающих напряжений.
    Простейшим типом такой коррозии является равномерное поверхностное растворение, уменьшающее толщину материала и мало влияющее на его физико-химические и механические свойства. Локализованное растворение, протекающее с большой скоростью, приводит к развитию точечной коррозии. Иногда коррозия металлов проявляется вдоль сварных швов в зоне максимальных остаточных напряжений. Преимущественному разрушению подвергаются границы зерен металла, что способствует нарушению сплошности материала и растрескиванию. Опасность растрескивания увеличивается, если материал находится в напряженном состоянии. В зависимости от вида напряженного состояния в материале при выдержке в коррозионной среде наблюдается хрупкое разрушение, которое подразделяется на коррозионное растрескивание - хрупкое разрушение металла при одновременном воздействии коррозионной среды и статических растягивающих напряжений; коррозионную усталость - хрупкое разрушение металла при одновременном воздействии коррозионной среды и переменных напряжений и на водородную статическую усталость - хрупкое разрушение под влиянием водорода при длительном действии постоянных напряжений растяжения, в том числе и остаточных.
    Процессы коррозионного растрескивания и усталости имеют существенные различия, состоящие прежде всего в том, что при статическом нагружении металлов ниже предела прочности в коррозионно-инертной среде разрушение

8

не происходит; при циклическом нагружении металлов в аналогичных условиях происходит усталостное разрушение на воздухе. Коррозионная усталость более сложный процесс, в котором действие механического фактора часто оказывает решающее влияние на развитие процесса.
    Коррозионное растрескивание протекает в три стадии.
    Первая характеризует период до возникновения коррозионных трещин и представляет собой инкубационный период, в течение которого может протекать избирательная коррозия и возникают зародыши коррозионных трещин. Вторая стадия связана с потерей прочности и уменьшением пластичности за счет развития трещин на поверхности металла и распространению вглубь материала в соответствии с полем растягивающих напряжения. Третья стадия является чисто механическим разрушением оставшегося живого сечения.
    На поверхности металла после разрушения обычно выявляются две зоны: зона хрупкого разрушения, образующая в результате развития коррозионной трещины и имеющая темную окраску, и зона пластического разрушения. Коррозионные трещины могут развиваться как интеркристаллитно, так и транскристаллитно или иметь смешанную природу [236] в зависимости от интенсивности напряжения, скорости коррозии и др. факторов.
    Механизм образования трещин в условиях коррозии под напряжением в основном одинаков как для интеркристаллитного, так и для транскристаллит-ного разрушения. Разрушение происходит в результате электрохимического растворения областей с высокой локальной активностью, обусловленной, например, большой плотностью дислокаций, ликвационными явлениями и др. Этими областями при интеркристаллитном разрушении являются границы зерен, а при транскристаллитном - скопления дислокаций [307], различных включений, субмикропор, наполненных ликватами, и др. дефектов.
    Зарождение и развитие коррозионной трещины одни исследователи [301, 304, 314] рассматривают как прерывистый процесс протекания микро
9

или субмикроразрушений в результате электрохимического воздействия среды, другие [167, 227, 317] - как непрерывный электрохимический процесс растворения металла в вершине трещины. На развитие трещин оказывает влияние специфическая адсорбция ионов электролита, приводящая к снижению поверхностной энергии металла [203, 204, 321, 162].
    Прерывистый характер распространения трещины наблюдали Ф. Ф. Ажогин [14], И. Трумен [336] и авторы работы [33] при исследовании коррозионного растрескивания высокопрочных сталей. Скорость распространения коррозионных трещин в зависимости от условий эксперимента колеблется в значительных пределах (1,8-3,6)Т0⁻⁶ м/сек и намного превышает обычно наблюдаемые скорости развития коррозионного поражения [304]. Такие скорости распространения трещины, по мнению Н. Д. Томашова [227] вполне объяснимы с позиций электрохимической трактовки явлений. Н. Хервуд находит объяснение этих фактов, используя механикоэлектрохимическую теорию коррозионного растрескивания, а Н. Углик [338] связывает их с адсорбционно-электрохимическими процессами.
    Механохимический эффект вызван ускорением коррозии металла под воздействием растягивающих напряжений. Особенно сильно механохимический эффект проявляется в процессе пластической деформаций и обусловлен увеличением химического потенциала металла вследствие ослабления межатомных связей по механическим причинам, когда существенная часть энергии деформирования активирует коррозию [428].
    Таким образом, под воздействием механохимического эффекта резко ускоряется растворение металла в вершине трещины. Растворение стопоров дислокаций под воздействием коррозионного тока приводит к облегчению выхода дислокаций на поверхность тела, т. е. под воздействием коррозионной среды облегчается пластическое течение металла в вершине трещины, реализуется так называемый хемомеханический эффект [56]. Подтверждением существования такого эффекта могут служить данные работы [315],

10

показавшие резкое увеличение скорости ползучести некоторых металлов в процессе растворения поверхности. В результате проявления механохими-ческого и хемомеханического эффекта возможно автокаталитическое разрушение металла в вершине коррозионной трещины и быстрое ее развитие.
    Развитие трещины может облегчаться образованием новых фаз в процессе испытаний и расклинивающим действием продуктов коррозии, если выполняются следующие условия:
    а) образование нерастворимых продуктов коррозии;
    б)     продукты коррозии, располагающиеся в трещине, имеют больший удельный объем, чем металл, из которого они образовались.
    В вершине концентратора напряжений под расклинивающим воздействием продуктов коррозии могут возникать напряжения, близкие к пределу текучести стали [324]. Предполагается, что в питтингах, вытянутых в одном направлении, под воздействием продуктов коррозии могут зарождаться трещины даже при весьма незначительной величине приложенных напряжений. Образование трещин наблюдается также и при водородном охрупчивании в процессе испытаний на длительную прочность в водородосодержащих средах. Размеры и количество трещин в образце будут зависеть от различных факторов, основным из которых является избыточное содержание водорода.

    1.2. Условия РАСТРЕСКИВАНИЯ ПРИ ВОДОРОДНОМ ОХРУПЧИВАНИИ

    1.2.1. Влияние анодных и катодных процессов

    В неокисляющих кислотах коррозионное растворение металла на анодных участках и его наводороживание на катодных участках происходят одновременно. Каждый из этих процессов в отдельности может вызвать растрескивание стали в поле растягивающих напряжений. В связи с этим коррозионное растрескивание в этих средах одни исследователи объясняют

11

анодными процессами растворения металла, другие - катодными процессами охрупчивания водородом. Коррозионное и водородное растрескивание явилось причиной многочисленных разрушений ответственных деталей из высокопрочных сталей. Коррозионное растрескивание деталей, изготовленных из углеродистых сталей, часто наблюдается в нефтяной и газовой промышленности, особенно при добыче природного газа, в котором, содержится влажный сероводород, при переработке сернистой нефти и т. п. Широкие исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, показали, что разрушение в атмосфере H2S связано с водородной хрупкостью, а не с коррозией под напряжением [79, 213].
    За последние десятилетия наблюдалось много случаев разрушения высокопрочных стальных деталей с кадмиевым покрытием и было установлено, что водород, вводимый в сталь в процессе нанесения покрытия, приводит к проявлению хрупкости. Образование трещин обнаружено в массивных стальных отливках, подвергаемых медленному охлаждению из расплавленного состояния и сохраняющих при затвердевании большое количество растворенного водорода. Данные о влиянии водорода на пластические свойства высокопрочной арматурной стали 80 °C приводятся в работе [238]. В связи с большим материальным ущербом, вызываемым водородной хрупкостью, многие промышленные лаборатории уделяют особое внимание этой проблеме, проводя тщательные испытания с целью выявления пригодности материала для службы в условиях наводороживания.
    Ф. Ф. Ажогиным установлено, что склонность к коррозионному растрескиванию высокопрочных сталей в растворах соляной или серной кислоты с добавками хлоридов больше, чем в растворах такой же концентрации чистой серной кислоты [8, 9, 10, 11, 12, 13, 15, 16]. В то же время интенсивность наводороживания стали в растворах серной кислоты значительно выше, чем в первых двух электролитах. Повышение чувствительности стали

12