К.т.н. Баранов В.П.
Тульский государственный
педагогический
университет им. Л. Н. Толстого,
Россия
Определение характеристик трещиностойкости
высокопрочных сталей при воздействии
водорода
В
настоящее время при оценке сопротивления сталей хрупкому разрушению при
воздействии водорода используются характеристики трещиностойкости (критическое
максимальное раскрытие трещины 
и вязкость разрушения 
), полученные по
апробированным методикам в инактивной среде. Такой подход нельзя считать
обоснованным, так как водородное охрупчивание металла приводит к снижению этих
характеристик. Поэтому актуальной задачей является исследование влияния
водорода на характеристики трещиностойкости сталей.
В работе [1]
установлена зависимость скорости роста макротрещины от коэффициента
интенсивности напряжений (КИН) при воздействии водорода в виде
,
(1)
где 
.
(2)
Здесь 
, 
– скорость роста
трещины, 
– критическое
раскрытие трещины с учетом воздействия водорода, 
– эффективный коэффициент
диффузии водорода в металле, учитывающий ”захват” части диффузионного потока
несовершенствами кристаллической структуры;
, 
– условный предел текучести, 
– парциальный молярный
объем водорода в металле, 
– универсальная
газовая постоянная, 
– абсолютная
температура; 
, 
– КИН; 
, 
– критическая
концентрация водорода в зоне предразрушения, обеспечивающая при данном значении
КИН субкритический рост трещины по механизму дрейфа водородного максимума и
поглощения сепаратных субмикротрещин, 
– средняя по
макрообъему концентрация водорода; 
, 
– деформация
разрушения (для стандартного образца 
), 
– относительное сужение металла; 
, 
– феноменологическая
константа модели роста трещины.
Уравнения (1),
(2) позволяют установить аналитическую зависимость между критическими коэффициентами интенсивности
напряжений в инактивной среде и при
воздействии водорода из условия перехода процесса разрушения к глобальной
нестабильности, когда скорость роста трещины резко возрастает и становится
близкой к скорости звука. Тогда из уравнения (1) при 
следует, что 
, откуда получаем искомую зависимость:
,
(3) где 
– критический
коэффициент интенсивности напряжений с учетом воздействия водорода.
Количественная
оценка влияния водорода на вязкость разрушения по формуле (3) проводилась для
наиболее распространенных марок арматурной стали разного класса прочности
(20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, 20ГС2), применяемые для армирования предварительно
напряженных железобетонных конструкций, а также среднелегированной
конструкционная стали 30ХГСА. Для экспериментального определения 
использовалась методика
В. В. Панасюка, А. Ф. Андрейкива и С. Е. Ковчика [2]. Испытания проводились на
цилиндрических стандартных образцах с кольцевой трещиной при статическом
растяжении на испытательной машине разработки ТГПУ им. Л. Н. Толстого.
Критические максимальные раскрытия трещины 
и 
определялись по
известной формуле: 
, где 
– нормальный модуль
упругости. Результаты
вычислений характеристик трещиностойкости исследованных сталей в инактивной
среде и при воздействии водорода приведены в таблице.
Таблица
Характеристики трещиностойкости сталей
в инактивной среде и при воздействии
водорода
|
Марка стали |
МПа |
% |
|
|
|
м |
м |
|
|
20ХГ2Ц |
590 |
42 |
92,9 |
81,5 |
0,88 |
3,88 |
2,96 |
0,76 |
|
23Х2Г2Т |
800 |
33 |
79,4 |
72,2 |
0,91 |
2,39 |
1,97 |
0,82 |
|
20ГС2 |
1110 |
26 |
65,3 |
60,6 |
0,93 |
1,16 |
0,99 |
0,85 |
|
30ХГСА |
1270 |
19 |
55,0 |
52,4 |
0,95 |
0,68 |
0,61 |
0,89 |
,
Из приведенной таблицы
следует, что для исследованных сталей в зависимости от класса прочности снижение
вязкости разрушения под воздействием водорода составляет от 5 до 12%, , а
критического раскрытия трещины – от 11 до 24%. Полученные результаты
свидетельствуют о необходимости учета влияния водорода при расчете
характеристик трещиностойкости высокопрочных сталей, эксплуатируемых в условиях
растягивающих напряжений и наводороживающих сред.
Литература:
1.
Баранов В. П. Определение длительности стадии
субкритического роста трещин при
замедленном разрушении высокопрочных сталей // Известия Тульского
государственного университета. – Серия Физика. – Тула: ТулГУ. – 2005. – Вып. 5.
– С. 205 – 210.
2.
Панасюк
В. В., Андрейкив А. Ф., Ковчик С. Е.. Методы оценки трещиностойкости
конструкционных материалов. – Киев: Наук. Думка, 1977. – 277
с.