Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование высокопрочное стали в качестве конструкционного материала сопряжено с опасностью преждевременного хрупкого разрушения. Зтс обусловлено те1.!, чго развитие хрупкого разрушения в высокопрочной стали может протекать при напряжениях, значительно ниже предела текучести стали, в условиях воздействия статического напряжения. Известны, Hanpuvep, случаи разруоения закаленных стальних изделий, растрескивания стальных с ітков из легироввнных сталей, трещинообразования в сварных соединениях. Нередки случаи рсстрескі^ания стальних резервуаров, находящихся под давлением, затянутых болтов и др. Все эти виды хрупкого разрушения связанц с рьзвитие" замедленного разрушения. Хрупкость высокопрочной стали, связанная с замедленный разруиеки-еч, в противоположность хладноломкости стали, не может бить обнаружена при высокоскоростных или низкоге.'.'пературних испытаниях. Этот вид хрупкости проявляется при температурах, близких к комнатной, и при низких скоростях де$ор"аций.
Явление замедленного разрушения исследовалось в работах С.С. Яуракова, W.X. Шоршорова, О.Н. Романиг'а, К. 'Лазалца, А.Р. Грояно и др. В основе представлений о замедленное разрушении, развитых в этих работах лежит рассмотрение разрушения как единого процесса накопления дефектов структуры во времени под нагрузкой. Однако, процесс разрушения протекает в несколько стадий, включаючих зарождение трецины, рост трещины до критического размера и быстрое ее распространение. Понимание природи явления замедленного разрушения не монет бить полны.! без выяснения природы процессов, протекающих на отдельных его стадиях. .
Сопротивление замедленному разрушении зависит от структурного состояния стали и содержания водорода. Высокой склонностью к замедленному разрушению обладают углеродистые стали со структурой неотпущенного мартенсита. Еыдержка стали после закалки (отдых) или отпуск уненьпаит склонность закзленной стали к замедленному разрушению. J тоже вреия насыщение стали водородом і<ояет вызвать склонность к замедленному разі лению в таком структурном состоянии, когда сталь в отсутствии водорода практически не склонна к этому виду хрупкого разрушения (например, в отпущенном состоянии). Можно предположить, что насыщение стали водородом вызывает появле-
ниє дефектов структуры, способствующих зарождению трещины под нагрузкой. Изучение роли структурных факторов и водорода в развитии явления замедленного разрушения является важным для анализа причин прекдевремеаного разрушения стальних изделий и конструкций и создания эффективных способов повшенкя их трещиностолкости.
Склонность к замедленному разрушению, вызванному водородом зависит от его диффузионной подвижности, которая определяется етс взаимодействием с дефектами кристаллического строения - водородными ловушками. Возможны различные по энергии связи взаимодействия с втоиеми внедрения, легирующими элементами, дислокациями, частицами фаз и др. С точки зрения возможности зарождения трещит водородные ловушки, по-видимому, могут быть опасными и неопасным» Выяснение вопроса о том какие ловушки повышают, а какие понижают сопротивление замедленному разрушению, то есть являются опасными, представляет интерес для разработки сталей с повышенным сопротивлением замедленному разрушению.
Распространение-трещины при замедленном разрушении происході преимущественно интеркристаллитно. Сопротивление распространении интеркрис,,аллитной трещины зависит от содержания вредных примесе! (фосфора, сурьмы, олова и др.), склонных к образованию сегрегациі на границах зерен. Источником вредных примесей могут быть особенность процесса раскисления стали. Изучению влияния примесей на склонность высокопрочных сталей к замедленному разрушению не уделялось достаточного внимания. Хотя очистка стали от примесей или нейтрализация их вредного влияния может представлять резерв по-выш..ая сопротивления замедленному разрушению. В этой связи особое значение приобретает изучение механизма влияния примесей на склонность к замедленному разрушению, изыскание путей повышения трещиноотойкости сталей за счет микролегирования елементами, ней г-ализующими вредное влияние примесей, а также установление опти мальньи режимов термообработки, уменьшающих концентрацию принесе на границах зерен.
Одной из причин выхода ив строя высокопрочных болтов являет замедленное разрушение. Повышение уровня прочности болтов у величі вает их склонность к замедленному разрушению. Вместе с тем повышение уровня их прочности позволяет снизить металлоемкость сталь ных конструкций. Поэтому разработка сталей, для высокопрочных бс тов, обладавших повышенными прочностью и сопротивлением эамедле* нойj разрушению является важной практической задачей.
Цель работы: - изучение физической природы процессов, прот' кающих на всех стадиях замедленного разруиения;
построение единого механизма зарождения и распростра. лшя трещины при замедленном разрушении, основанного на учете силовых и структурных факторов - внутренних макронапрякевий, сегрегации вредных примесей и водорода;
разработка способов повышения сопротивления замедленному разрушению и их применение для создания сталей с повышении» сопротивлением замедленному разрушение для производства высокопрочных <*->лтов.
Каучнзя новизна:
Выявлены основные факторы, вызызагсщле склонность вчеоко-прочных сталей к замедленному разрушению : локальные микронапряжения, возникающие в результате фазовых превращений, микропластической деформации и насыщения водородом, и примеси.
Разработан единый механизм замедленного разрушения, основанный на представлении о термически активированном зарождении и распространении трещины в условиях снижения аффективной поверхностной энергии разрушения по границам исходных аустенитных зерен, в результате повышения упругих напряжений и ослабления сил vea-атоиного сцепления сегрегациями примесей.
С помощью методов аннигиляции позитронов и изучения распределения водорода в структуре закаленной стали доказано существование специфических дефектов кристаллического строения - областей объемного растяжения (OOP) кристаллической решетки, позволяющие объяснить аномальное изменение физических и механических свойств
(,низкие модуль упругости, сопротивление иикродеформации и хрупкому разрушению, высокий релаксационных эффект, эффекты неупругого последствия и разного сопротивления деформации при сжатии и растяжении).
Сформулированы представления о физической природе процессов, протекающих на стадиях зарождения и распространения трещины при замедленном разрушении закаленной стали я ст*...и, при насыщении ее воде одом. Установлена связь между процессом зарождения трещины и развитием ыикроплаепческой деформации в местах действия локальных иикронапряжений. Изучена природа неравномерного, скачкообразного распространения стабильной трещины.
Обнаружено явление замедленного разрушения мвртенситоста-
- k -
реющих сталей типа 1П85Ш5Ї после старения при 410-450С и изучены причины его вызывающие.
- Проанализирована роль дефектов кристаллического строения,
служащих ловушквчи для водорода в развитии замедленного разруше
ния при насыщении стали водородом. Оценена энергия взаимодейст
вия водорода с водородными ловушками разного типа в стала (OOP,
частицами фаз, дислокациями, границами зерен). Предложена клас
сификация водородных ловушек по влиянию на процессы ззровдения
и распространения трещины.
- Установлено, что развитие микродеформации и повышение
уровня локальних микронапряжеций при насыщении стали водородом
в условиях воздействия упругих напрякений является стадией пред-разрушения, протекавшего в ходе инкубационного периода замедленного разрушения стали с водородом.
Разработана модель зарождения трещины при замедленном разрушении высокопрочных сталей в условиях насыщения водородои. Зарождение трещины происходит при напряжениях, превышающих напряжение начала микропластической деформации в стали с водородом. Развитие микродеформации приводит к возникновении локальных иикронапряяеьий и связанных с ними OOP кристаллической решетки, служащих аффективными ловушками . для водорода. Образование трещины пррисходит при достижении критической концентрации водорода в OOP и при достижении критической степени заполнения всех водородных ловушек, которая не зависит от условий насыщения стали водородом и уменьшается с ростом уровня приложенного напряжения .
Разработан ыетод разделения суммарной работы распространения стабильной трещины при замедленном разрушРиии на составляющие разрушения по кежзеренаоиу и микровязкоиу мехааизмаи.
Проанализирована роль сегрегации вредных примесей на границах исходных аустенитных зерен в ыикромеханизме межзерек-ного" 8арождеьик и распространения трещины при замедленном разрушении. Показано, что цри увеличении концентрации вредных примесей работа рр-яространевия мекзереняой трещины в локальной области излома уменьшается до 10s spr/cu^, то есть энергии раз-рунения металла без пластической деформаций.
- Изучены склонность фосфора, сурьмы к олова к образованию
сегрегации на границах исходных аустенитных зерен в ходе изо-
термической выдержки стали б аустенитнсй области и вклад сегрегации этих примесей, фиксируемых закалкой, в развитии замедленного разрушения.
Установлен факт наследования сегрегация фосфора, образовавшихся на границах исходных аустекитннх зерен при нагреве стали под закалку, в развитии межзерекной хрупкости в ходе последующего отпуска.
Получены новые доказательства вклада процесса распада твердого раствора углерода в феррите в ходе охрулчизаюцего отпуска в
р івитии обратичой отпускной хрупкости.
- Показано, что раскисление сіали кре*шие\' увеличивает
склонность к замедленному разрушению, что является следствием
протекания сегрегационных процессов пр іесей - продуктов раскис
ления стали кремнием.
Научные положения, выносимне нз защиту:
-
Основные факторы, способствующие развитию замедленного разрушения и механизмы процессов, протекающих на всех стадиях заыедленного разрушения высокопрочных сталей.
-
Доказательства существования в структуре закаленной стали OOP кристаллической решетки и их решающей роли в развитии замедленного разруиения.
-
Явление замедленного разрушения картенситостареющих сталей типа НГ8ЮТ5Т, развивающиеся после нагрева при ИО - 450С.
-
Уоханиэм влияния водородных ловушек на сопротивление зарождения и распространенно трещины при замедленном разруиевии и их классификация на опасные и неопасные (полезные).
-
Чодель зарождения трещины при замедленном разрушении з условиях насыщения стали,водородом, основанная на учете взаимодействия водорода с дефектами кристаллического строения - водородными ловуикани.
-
Метод разделения суммарной работы распространения стабильной трещины при замедленном разрушении на составл ощие - s-.зргии хрупкого некоренного и иикровязкого разрушения,
-
Доказательства влияния сегрегации примесей, образующихся на границах исходных аустенитных зерен при нагреве стали под закалку, на сопротивление распространении интеркристаллитной трещины после закалки я отпуска.
8, Факты, подтвсрздаюяие сегрегационный механизм вредного
влияния раскисления стали кремнием на склонность к замедленно
му разрушению.
9. Декогезионннй механизм влияния сегрегации вредных при
месей на сопротивление распространению интеркристаллитной
трещины..
Практическая значимость:
Разработаны принципы создания структурного состоянии стали с повышенным сопротивлением замедленному разруяени», ^снованные на уменьшении уровня локальных микронапрякений в структуре стали и дезактивации вредных примесей и водорода. Это может быть обе-слйчєно измельчением структуры стали и применением специальных релаксационных обработок, созданием структуры с равномерно распределенными водородными ловушками, очисткой стали от вредных примесей, микролегированием бором, бескремнистым раскислением. Разработанные принципы послужили научной основой для проведения практических работ по повышению надежности и долговечности сталей для высокопрочных болтов.
Проведен цикл работ по выяснению причин преждевременного хрупкого разрушения высокоарочных болтов из стали 40Х "селект", разработке метода испытаний высокопрочных болтов на замедленное разр) „ание и разработке сталей для высокопрочных болтов повы-иенной прочности и надежности.
Преждевременный выход из строя высокопрочных болтоЕ является следствием протекания процесса замедленного разрушения. Раз-рущ. диеся болты имеют повышенные значения прочности и твердости, что повышает их склонность к замедленному разрушению. Установлены процессы перераспределения водорода при эксплуатации высокопрочных болтов из стали 40Х "селвкт" и повышения его концентра-и-ч вблизи поверхности резьбовой части болтов.
На основании проведенных исследований (совместно с БНИЙме-тизом) разработаны рекомендации по совершенствованию технологии производства высокопрочных болтов на Магнитогорском метизно-металлургическом заводе (№Ш). В результате мероприятий проведенных на ШЧЗ высокопрочные болты текущего производства обладают более высокими трещиностойкостью и сопротивлением замедленному разрушений. По данным Главстальконструкции Иинмонтажспецстроя СССР экономический эффект от применения высокопрочных болтов
повыпеяного качества составляет 22.35 руб/т. Экономический эффект получается за счет исключения случаев разрушения болтов при эксплуатации и соответственно уменьшения расхода бс ;ов и снижения трудозатрат при монтаже <.с учетом разрушенных болтов).
Разработан и опробован ускоренный метод испытаний высокопрочных болтов на замедленное разрушение при лясщенил водородом, имитирущий процесс замедленного разрушения болтов в реальных условиях эксплуатации. Оценена склоаяость к замедленному разрушению высокопрочных болтов из сталей WX "селект", 40Х-ПВ, 3fYTP, 20Х2Г, 20Х2ГТР, 20Х2ШТРБ.
Разработаны и опробованы в про ^пленных условиях стали повышенной степени чистоты в с иикролегирущми добавками для производства высокопрочных болтов разлукого уровня прочности и повыпенной надеіности.
На !ШЗ изготовлена опытно-промышленная партия высокопрочных болтов из стали 36ХТР, выплавки меткочбината "Кряворок-сталь" (150т). Болты из стали 36ХТР по і-ехаяическим свойствам не уступают стали ЗДХ "селект" (6^= П0О-І20О Н7ш2} и опадает более высоким сопротивлением замедленному разрушению.
В условиях МЛЗ опробованы для производства высокопрочных болтов М24 стали WX - вакуукированвая, производства Донецкого металлургического завода (5,5 т) и 40Х-ПВ повыиенной степени чистоты, выплавленная ла ОЭЖ (300 т) с применением железа прямого восстановления. Сталь 40Х-ПВ опробована для производства болтов МІ0 на заводе "Станнонормаль". По ряду технологических показателей, механическим свойствам и сопротивлении замедленному разрушению болты из стали 40Х-ПВ превосходят сталь чОХ "селект". Экономический эффект от применения стали 40Х-ПВ вместо 40Х "селект" составляет 66,32 руб/т.
На !ШЗ опробованы составы сталей типа 20Х2Г с содержанием углерода 0,13-0,18/5 и «икролегируюцими добавками титана и бора. Оценены механические свойства и склонность к замедленному т>ча-рушенив болтов М20 из этих сталей. Наилучшим сочетанием показателей прочие ги (<6/ = І200-Г400 Н/мм2), трещиностойкости и сопротивления замедленному разру: нию обладают болты из сталей 20Х2ГТР и І5Х2ГН.
Разработана (совместно с ЦНШПСК и ВНШИЕТИЗШ) сталь 20Х2НМТРБ с микродобавками ниобия, титана и бора для высоко-
прочных болтов с уровнем прочности II35-II55 Н/ма и повышенным сопротивлением замедленному разрушению, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации. На Воронежском мостовой зйводе методом горячей штамповки изготовлена опытно-пром"шленная партия болтов из стали 20Х2ШГРБ выплавки завода "Сибэлектро-сталь" (20 т). Болты установлены на объектах с атмосферой средней агрессивности. Случаев разрушений не отмечено.
Не М'іМЗ проведены приемочные испытания опытно-промышленной партии болтов изготовленных методом холодной высадки из; стали 20Х2ИТРБ. Болты удовлетворяют техническим требованиш и рекомендованы на постановку на серийное производство.
Разработаны технические условия на подкат из стали 20Х2НМТРБ-ПВ в мотках выплавки ОЭЖ. На ОЗМК освоено производство стали 20Х2НМТРБ-ПВ (300 т). Не ШМЗ изготовлена опытно-прошышленкея партия высокопрочных болтов из стали 20Х2НМТРБ-ПВ.
На базе состава стали 20Х2ШТРБ разработана совместно с ЦНИИПСК перспективная марка стали с более высоким содержанием углерода для производства болтов с уровней прочности выше 1550 Н/мм2.
Эффективность применения стали 20Х2ШТРБ при производстве высокопрочных болтов связана с уменьшением металлоемкости кон-с:рукц>.Л, со снижением трудоемкости при их монтаже и с повышением надежности и долговечности болтов в процессе эксплуатации. Годовой экономический эффект от внедрения высокопрочных болтов ив стали 20Х2НМТРБ составляет 643 тыс. руб.
_..равки, акты и расчет экономического эффекта имеются в диссертации и отчетах ЦНИИчермета (№ 01830071456, 01640077382, 0185000*089, 01870026477, 0I8B00I4889).
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной paf ты доложены в 1971 г. на сеиинаре "Хрупкие-разрушения сварных конструкций" (Ленинград), в 1972 г. на семинаре-конференции "Конструктивная прочность стали и сплаЕов" (Москва); в 1973 г. на П Всесоюзном совещании по механизму и кинетике мартенсигных превращений (Киев'»; в 1974 г. на семинаре "Надекность и долговечность изделий из конструкционных сталей для машиностроения и приборостроения" (Ленинград), в 1974, I97S и 1987 гг. на постоянном семинаре ИДШ "Проблемы разрушения металлов" (Москва), в 1975 г. не Всесоюзном симпозиуме "Новое в металловедении и тер-
мической обработке металлов и сплавов" (Минск); в 1976 г. на семинаре-конференции "Применение в металловедении просвечивающей и растровой электронной микроскопии (Москва); на Всесоюзной конференции "Структура и прочность стала и сплавов" ^Киев); на Всесоюзном совещании "Элементарные процессы пластической деформации кристаллов (Харьков), в 1976, 1979, 1983 и 1985 гг. на Ш, ІУ, У и УІ Всесоюзных совещаниях по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствьм сплавов (Тула); в 1977 г. на Международной конференции "ІЛартенситнме превращения" (Киев), в 1977 и 1982 гг. на Всесоюзных семинарах "Излом и хруп-кс гь стали и сплавов" (Киев); в 1978 г. на семинаре-конференции "Термическое й термочеханическоь упрочение металлов (Чосква;; в 1978 и 1980 гг. на I и П Всесоюзных семинарах "Влияние водорода на механические свойства конструкцис .них сталей'' (Львов, Харьков); в 1979 г. на семинаре "Наворохивание металлов и борьба с водородной хрупкость»" (Москва), на семинаре "Структура и свойства металлов я сплавов" (Киев), в 1979 и 1983 гг. на IX и X Всесоюзных конференциях по физике прочности и пластичности (Куйбышев); в 1980, 1984 гг. на семинарах "Легирование и с ой-ства сталей и сплавов" Киев), в 1980, 1985 гг. на Всесоюзных конференциях "Физика разрушения" (Киев, Черновцы); в 1981 г. на конференции "Механико-термическая обработка и субструктурное упрочнение металлов" (Киев), Ш координационном семинаре по деформационному упрочнению сталей и сплавов (Барнаул); Ш Всесоюзном семинаре "Структура и свойства границ зерен" (Черноголовка), в 1981 и 1986 гг. не семинарах "Новые досгикеная в области металловедения и термической обработки металлов" (Киев); в 1982г. на семинаре "Новые методы структурных исследований металлов и сплавов" (Москва), в 1Э82 и 1984 гг. на И и ГУ Всесоюзных семинарах "Водород в материалах {Донецк, Москва); в 1983 г. на семинаре "Термическая обработка стали и сплавов" (Киев), на I Всесоюзной научлой конференции "Структура и свойства границ зерен" (Уфа), на Всесоюзной конференции "Проблемы седания и :риме-нения высокопрочных конструкционных сталей" (Москва); в 1984- г. на конференция "Субструктурное упрочнение металлов" (Киев), не Всесоюзной научно-технической конференции "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов (Ижевск); в 1986 г. на П Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при низких тем-
пературах" (Житомир); в 1987 г. на семинаре "Металловедческие вопросы прочности и хрупкости стали" (.Киев), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение эффективности использования в народном хозяйстве высококачественной металлопро кции" (Старый Оскол), на Всесоюзной нвэчно-яехническоИ конференции "Металл а технический прогресс" (Москва); в 1988 г. на научно-техническом семинаре "Методы повышения конструктивной прочности материалов (Москва).
По теме диссертации опубликовано 63 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, списка литература (203 наименования) и приложения. Диссертация излокена на 340 страницах, содержит 12 таблиц и 128 рисунков на 52 страницах и 19 страниц приложения.
