книги из ГПНТБ / Ажогин, Ф. Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей

КОРРОЗИОННОЕ Ф. Ф. Ажогин РАСТРЕСКИВАНИЕ

И ЗАЩИТА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

М О С К В А «МЕТАЛЛУРГИЯ»

1974

УДК 669.018.2 : 620.197

УДК 669.018.2 : 620.197

Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей.

боты изделий из этих материалов. В книге рассмотрены современ­ ные представления о механизме коррозии этого вида. Приведены данные о влиянии растягивающих напряжений, состава среды, хи­ мического и фазового составов сталей на их склонность к коррози­ онному растрескиванию. Описаны способы защиты от коррозии деталей из высокопрочных сталей. Даны рекомендации по техно­ логии нанесения электролитических, химических и комбинированных покрытий, не вызывающих водородного растрескивания и значи­ тельного наводорожи'вания стали.

Предназначается для инженерно-технических работников метал­ лургических и машиностроительных предприятий, научно-исследова­ тельских институтов, конструкторских бюро. Ил. 77. Табл. 60. Спи­ сок лит.: 217 назв.

(С) Издательство «Металлургия», 1974,

31105-049 А 040(01)-74 119-74

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Директивах XXIV съезда КПСС предусмотрены за­ дачи по созданию и освоению новых, наиболее экономич­ ных материалов и конструкций. В связи с этим важное значение имеют разработка и внедрение высокопрочных конструкционных сталей.

Высокопрочные стали склонны к коррозионному рас­ трескиванию при растягивающих напряжениях гораздо ниже их предела текучести и поэтому сопротивление кор­ розионному растрескиванию является одной из важней­ ших характеристик, определяющих надежность и долювечность работы деталей из высокопрочных сталей.

Коррозионное растрескивание различных сплавов до­ статочно освещено в отечественной и зарубежной литера­ туре.

Особенно большой вклад внесли А. В. Рябченков, Г. В. Карпенко, Н. Д. Томашов, В. В. Герасимов, С. Г. Веденкин, Г. Л. Шварц, П. А. Акользин и др.

Проблема коррозионного растрескивания черных и цветных металлов подробно изложена в монографиях [1—5], а высокопрочных сталей — в основном в периоди­ ческой печати. Литература, обобщающая результаты ис­ следований по коррозионному растрескиванию высоко­ прочных сталей,отсутствует.

В настоящей монографии сделана попытка обобщить результаты многолетних исследований автора, а также опубликованные в отечественной и зарубежной литерату­ ре работы в области коррозионного растрескивания вы­ сокопрочных сталей, систематизировать их и изложить с единой точки зрения.

В связи с этим рассматриваются существующие взгляды на механизм коррозионного растрескивания, функциональная зависимость времени до растрескивания от уровня растягивающих напряжений, роль среды при зарождении и развитии трещин, высказывается новая

Высокопрочные стали обладают высокой чувствитель­ ностью к концентраторам напряжений при однократном

и многократном нагружениях и к воздействию внешней рреды.

Концентраторами напряжений могут быть различные выточки, галтели, отверстия, неметаллические загрязне­ ния, глубокие царапины и т. п. Разрушающее напряже­ ние при испытании на изгиб образцов высокопрочных сталей с жестким концентратором (трещиной) может быть значительно меньше, чем образцов сталей средней прочности.

Большое влияние на физико-механические свойства высокопрочных сталей оказывает внешняя среда.

По механизму воздействия на сталь различают две основные группы сред: коррозионно активные и поверх­ ностно активные.

Эффект адсорбционного влияния среды на механиче­ ские свойства материалов получил название эффекта Ре­ биндера. Особенно сильно эффект Ребиндера проявляет­ ся на высокопрочных сталях в среде расплавленного оло­ ва, кадмия при воздействии растягивающих напряжений. В этих условиях высокопрочные стали разрушаются че­ рез определенное время после первоначального нагру­ жения без дополнительного увеличения нагрузки. Обыч­ но при замедленном разрушении прочность значительно меньше, чем при кратковременном, а характер разруше­ ния более хрупкий.

В производственной практике были случаи замедлен­ ного хрупкого разрушения стальных кадмированных бол­ тов, работающих при температуре, более высокой, чем

5

температура плавления кадмия, стальных напряженных труб при воздействии расплавленных припоев и т. п.

Г. В. Карпенко исследовал влияние поверхностно ак­ тивных сред на усталостную прочность сталей.

Интересен факт проявления эффекта Ребиндера при воздействии молекулярного водорода на напряженную сталь с мартенситной структурой [5J. В этой же работе [5J было показано, что этиловый спирт при комнатной температуре снижает энергию разрушения стали на 17%, дистиллированная вода — на 25%, эвтектика свинец — олово при 320°С — на 37%.

Особенно опасно для деталей из высокопрочных ста­ лей воздействие коррозионно активных сред.

Долговечность и надежность работы деталей из высо­ копрочных сталей во многом определяется характером коррозионного разрушения. При неравномерной корро­ зии на поверхности деталей образуются концентраторы напряжений, в результате чего долговечность работы резко уменьшается.

Наиболее опасный вид коррозионного разрушения — это коррозионное растрескивание, т. е. растрескивание при одновременном воздействии статических растягива­ ющих напряжений и коррозионной среды.

При коррозии под напряжением образование трещин может происходить в результате усиления анодного про­ цесса, локализованного на узких участках поверхности стали (коррозионное растрескивание), и за счет наводороживания (водородное растрескивание).

Коррозионное и водородное растрескивание явилось причиной многочисленных разрушений ответственных де­ талей из высокопрочных сталей. Однако механизм ука­ занных видов растрескивания еще не выяснен.

В данной монографии наибольшее внимание уделя­ ется коррозионному растрескиванию высокопрочных ста­ лей, рассматривается связь сопротивления коррозионно­ му растрескиванию с составам коррозионной среды, хи­ мическим и фазовым составом стали, внутренними на­ пряжениями.

Водородное растрескивание рассматривается в свя­ зи с подготовкой поверхности деталей и нанесением за­ щитных покрытий.

Рекомендованные способы защиты от коррозии дета­ лей из высокопрочных сталей успешно используются в различных отраслях промышленности.

6

Глава I

СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

Высокопрочными конструкционными сталями называ­ ют стали, термически обрабатываемые на прочность

1400 МН/м2 (140 кгс/мм2) и выше.

Максимальное значение предела прочности стали оп­ ределяется в основном содержанием углерода в а-желе- зе. После закалки и низкого отпуска сталь при различ­ ном содержании углерода имеет:

При содержании 0,45% С после закалки и низкого отпуска можно достичь прочности стали ~ 2200 МН/м2 (~ 220 кгс/мм2), но такая сталь обладает низкой пла­ стичностью и вязкостью. С дальнейшим увеличением ко­ личества углерода прочность при разрыве закаленной и низкоотпущенной стали не увеличивается, а уменьшается при одновременном снижении пластичности и вязкости.

Необходимые значения вязкости и пластичности, а также прокаливаемость высокопрочной конструкционной стали достигаются легированием хромом, никелем, крем­ нием, марганцем и некоторыми другими элементами. Со­ держание вредных примесей— серы и фосфора должно быть минимальным^

Впервые высокопрочная сталь с определенным ком­ плексом механических свойств была создана в СССР. В 1949 г. под руководством С. Т. Кишкина была разра­ ботана сталь ЗОХГСНА, содержащая 0,30% С. Отличи­ тельной особенностью стали ЗОХГСНА является сочета­ ние хрома, марганца и кремния в пределах 1 % каждого и 1,6 % Ni, что позволяет получать благоприятное соче­ тание свойств прочности, пластичности и вязкости. Мак­ симальная прочность этой стали 1600—1800 МН/м2

7

(160—180кгс/мм2) при удовлетворительной пластичности и вязкости обеспечивается закалкой и низким отпуском при 200—300°С. Сочетание легирующих элементов позво­

ры изотермической закалки до 300°С приводит к росту ударной вязкости до 1,0 МН-м/м2 (10 кгс-м/см2); даль­ нейшее повышение температуры изотермической закалки резко уменьшает ударную вязкость, вследствие чего изо­ термическая закалка при температуре >330°С не реко­ мендуется. В табл. 1 .приведен химический состав наи­

Сталь ЭИ643, в отличие от стали ЗОХГ'СНА, содержит большее количество углерода (0,36—0,43%) и никеля (2,5—3,0%); кроме того, в эту сталь вводится 0,8—4,2% W и для измельчения зерна и понижения чувствительно­ сти к хрупкому разрушению при постоянной нагрузке — титан. Оптимальное сочетание механических свойств ста­ ли ЭИ643, максимальная прочность при высокой пла­ стичности и вязкости достигаются после закалки и от­ пуска при 240—•260°С,

а

Высокая прочность всех этих сталей обеспечивается мартенситной структурой. Мартенсит представляет со­ бой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Эта структурная составляющая стали образуется при быстром охлаждении после налрева выше критической точки. В каждом зерне бывшего аустенита образуется большое количество кристаллов мартенсита, которые имеют тетрагональную структуру.

С повышением содержания углерода постоянные ре­ шетки мартенсита изменяются: величина а слегка умень­ шается, а величина с и отношение cja увеличиваются [7]. Мартенсит имеет форму вытянутых пластин. Высо­ кая твердость и сопротивление деформации стали с мар­ тенситной структурой обусловлены образованием в про­ цессе термической обработки тонкой мозаичности зерен и высоким пределом упругости кристаллов мартенсита.

Для образования мартенсита определяющим факто­ ром является скорость охлаждения. После нагрева выше критической точки необходима такая скорость охлажде­ ния, при которой подавляются структурные превращения в перлитной и промежуточной областях. Скорость охлаж­ дения зависит от содержания в стали углерода и легиру­ ющих элементов, а также температуры аустенитизации. В общем случае с увеличением содержания углерода и легирующих элементов, а также повышением температу­ ры аустенитизации критическая скорость закалки умень­ шается. Для получения мартенситной структуры и обе­ спечения комплекса механических свойств сталей ЗОХГСНА, 25Х2ГНТА и ЭИ643 их охлаждают в жидких средах — маслах. Детали сложной конфигурации из этих сталей при закалке в жидких средах деформируются (поводка). В тех случаях, когда получается мартенсит­ ная структура при охлаждении на воздухе, деформация деталей может быть значительно снижена или даже пол­ ностью устранена^

Детали из сталей ВЛ-1 и ВКС-1 закаливаются на воз­ духе в больших сечениях, при этом обеспечиваются ми­ нимальная их поводка и возможность применения фик­ сирующих приспособлений.

Втабл. 2 приведены режимы термической обработки

иосновные показатели механических свойств высоко­ прочных конструкционных сталей.

Указанные в табл. 2 стали обладают высоким преде­ лом выносливости. При знакопеременном изгибе с вра-

9