Влияние масштабного фактора и состояния поверхности на чувствительность стали 20ГС2 к водородному растрескиванию

Цель   исследования.   В   настоящее   время   установлено,   что   процесс   коррозионно-механического разрушения протекает в несколько стадий. Однако, как показывает практика и анализ многочисленных разрушений  конструкционных  элементов  из  высокопрочных  материалов  в  строительной  и  машиностроительной отраслях, очень часто в реальных конструкциях уже имеются технологические дефекты типа  трещин.  В таких  случаях  процесс коррозионно-механического  разрушения  начинается  непосредственно с роста  трещины,  минуя подготовительные  стадии  – инкубационный  период  и образование концентратора  напряжения.  Целью  настоящей  работы  являлось  исследование  влияния  масштабного фактора и состояния поверхности на чувствительность стали 20ГС2 к водородному растрескиванию.

Методы.  Для  определения  влияния  состояния  поверхности  и  масштабного  фактора  на длительную коррозионную  прочность в среде, вызывающей водородное растрескивание,  была выбрана арматурная сталь   марки   20ГС2  (четыре   плавки).   Испытаниям   подвергли   натурные   образцы   (l = 300…400 мм) различного диаметра (10, 12 и 14 мм) с гладкокатаным и с периодическим профилем. Также из натурных стержней  (гладкокатаных  и  с  периодическим  профилем)  диаметром  10,  12  и  14 мм  были  выточены образцы с диаметром рабочей части от 6 до 10 мм через 1 мм с чистотой поверхности Ra2,5. Длительную коррозионную прочность оценивали временем до разрушения по результатам испытаний четырех образцов на каждую точку графика. Для создания условий эксперимента, максимально приближенных к эксплуатационным, испытания проводили в водном растворе серной кислоты с добавлением роданистого аммония  при  комнатной  температуре  с  катодной  поляризацией  и  различном  уровне  растягивающих напряжений.

Результаты.  Экспериментально  установлено,  что  натурные  образцы  арматурной  стали  20ГС2  по сравнению с точеными обладают меньшей чувствительностью к водородному растрескиванию. Данное обстоятельство  обусловлено  тем  фактом,  что  после  механической  обработки  резанием  в  точеных образцах значение уровня остаточных растягивающих напряжений значительно выше, чем в натурных образцах. Показано, что натурные образцы арматурной стали 20ГС2 с периодическим профилем обладают меньшей стойкостью к водородному растрескиванию,  по сравнению с натурными гладкокатаными образцами. Меньшая стойкость к водородному растрескиванию арматуры периодического профиля обусловлена наличием на ее поверхности ребер, которые играют роль естественных концентраторов напряжений. Полученные  экспериментальные  результаты  позволяют  рекомендовать  для  испытаний  на  коррозионно-механическое разрушение в средах, вызывающих наводороживание,  натурные образцы, так как их использование позволяет приблизить условия эксперимента к реальным условиям эксплуатации изделий.

Заключение.  Полученные  результаты  могут  быть  использованы  при  создании  ресурсосберегающих процессов обработки металлических сплавов и композиционных материалов.

1. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н. Водородное охрупчивание и растрескивание высокопрочной арматурной стали: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. 180 с.

2. Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н. Механические свойства и внутреннее трение высокопрочных сталей в коррозионных средах: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 430 с.

3. Основы повышения долговечности высокопрочных сталей, эксплуатируемых в водородсодержащих средах: монография / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. 348 с.

4. Извольский В.В., Сергеев Н.Н. Коррозионное растрескивание и водородное охрупчивание арматурных сталей железобетона повышенной и высокой прочности. Тула: Изд-во ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2001. 163 с.

5. Влияние условий отпуска на механические и коррозионные свойства стали 23Х2Г2Т / Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2018. № 2(45). С. 128-135.

6. Влияние химического состава стали 23Х2Г2Т на стойкость против коррозионного растрескивания / Н.Н. Сергеев, В.В. Извольский, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, А.Н. Чуканов, О.В. Пантюхин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 9. С. 409-442.

7. Влияние уровня растягивающих напряжений на длительную прочность арматурных сталей в водородсодержащих средах / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова, С.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 2 (27). С. 6-19.

8. Применение технологии изготовления «корковым» способом формообразующих вставок для литья под давлением медных сплавов / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев, Д.С. Клементьев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. Т. 22, № 3(78). С. 67-83. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-3-67-83.

9. Влияние микроструктурных факторов и термической обработки на коррозионную стойкость арматурной стали класса А600 / Н. Н. Сергеев, В. В. Извольский, А. Н. Сергеев, С. Н. Кутепов, А. Е. Гвоздев, Е. В. Агеев, Д. С. Клементьев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. Т. 22. № 2(77). С. 52-63. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2018-22-2-52-63.

10. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.Д. Бреки, Н.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, Д.В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 235 с.

11. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.

12. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода / В.П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11-22.

13. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч.I (обзор) / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2018. № 3. С. 27-33.

14. Механизмы водородного растрескивания металлов и сплавов. Ч.II (обзор) / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2018. № 4. С. 20-29.

15. Формирование пластических зон около сферической полости в упрочненных низкоуглеродистых сталях в условиях водородной стресс-коррозии / Н.Н. Сергеев, В.А. Терешин, А.Н. Чуканов, А.Г. Колмаков, А.А. Яковенко, А.Н. Сергеев, И.М. Леонтьев, Д.М. Хонелидзе, А.Е. Гвоздев // Материаловедение. 2017. № 12. С. 18-25.

16. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Колмаков А.Г. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением // Технология металлов. 2015. № 11. С. 17-29.

17. Влияние разнозернистости аустенита на кинетику перлитного превращения в мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталях / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Материаловедение. 2014. № 7. С. 23-26.

18. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов второго рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков// Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.

19. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Vol. 8. No. 1. С. 126-129.

20. Перспективные стали для кожухов доменных агрегатов / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, С.Н. Кутепов, О.В. Кузовлева, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 7, № 2(23). С. 6-15.

21. Принятие решений по статистическим моделям в управлении качеством продукции / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, С.В. Сапожников, С.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 5(74). С. 78-92. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2017-21-5-78-92.

22. Диффузия водорода в сварных соединениях конструкционных сталей / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 6(75). С. 85-95. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2017-21-6-85-95.

23. Temperature distribution and structure in the heat-affected zone for steel sheets after laser cutting / A.E. Gvozdev, N.N. Sergeyev, I.V. Minayev, I.V. Tikhonova, A.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze, D.V. Maliy, I.V. Golyshev, A.G. Kolmakov, D.A. Provotorov // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Vol. 8. № 1. С. 148-152.

24. Вариант определения максимального пластического упрочнения в инструментальных сталях / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, А.Е. Чеглов, Н.Н. Сергеев, О.М. Губанов // Сталь. 2017. № 6. С. 26-39.