Спосіб визначення довговічності сталі у водні

Спосіб визначення довговічності сталі у водні, що включає експериментальне визначення вмісту кожного легуючуго елемента та розрахунок довго вічності за хімічним складом сталі, який відрізняється тим, що вводять два показники сталі - фазно-структурний A , яким відображають здатність Корисна модель відноситься до досліджень матеріалів за допомогою прикладання до них механічних зусиль, зокрема, до визначення механічних властивостей сталей при розтяганні і може бути використана для вибору, оцінки роботоздатності (довговічності) в середовищі водню і розробки нових конструкційних матеріалів хімічного, нафтогазового та енергетичного машинобудування. Відомі способи оцінки водневої крихкості конструкційних матеріалів включають безпосереднє визначення їх механічних властивостей у середовищі водню або розрахунок певних узагальнюючих характеристик [1]. У роботі ступінь впливу водню визначали, порівнюючи величини повної енергії граничної деформації Wc вихідних та наводнених зразків за статичного розтягання [2]. Значення Wc розраховували за формулою Wc=0,5 ( 0,2+Sk) пp (де Sk=[ в/(1- )] - істинна границя міцності; 0,2 границя текучості; - відносне поперечне звуження; пр=ln[1/(1- )]). Недоліком відомих способів є те, що вони потребують проведення вартісних, складних і вибухонебезпечних випробувань у водні для оцінки ступеня водневої деградації, а також те, що вони не дозволяють прогнозувати значення механічних властивостей нових матеріалів. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого є спосіб прогнозування статичної довговічності сталі при високих тисках водню і температурах за її хімічним складом [3]. Даний спо сіб передбачає: а) експериментальне визначення вкладу кожного легуючого елемента у довговічність сталі на повітрі та розрахунок індексу легованості сталі U=a0Fe+a1Si+а2Мn+a3Сr+а4Мо+...аiМi; б) розрахунок коефіцієнту впливу вуглецю К, який залежить від його концентрації С, індексу легованості сталі U та парціального тиску водню р (МПа): сталі до стабілізації аустеніту, та механічний показник К-здатності сталі до рівномірної пластичної деформації за статичного розтягання, розраховуючи довговічність сталі у водні за формулою: (13) 17684 (11) 1 lg U p / 19 , K (1 C) ; в) розрахунок показника роботоздатності (довговічності) за формулою Р=KMU (де коефіцієнт впливу структури М 1 для оптимально оброблених сталей). Таким чином, для визначення та прогнозування довговічності (роботоздатності) сталі потрібно знати лише її хімічний склад. Цей спосіб має недоліки, а саме: а) дозволяє отримати тільки якісну, а не кількісну визначеність довговічності, поскільки не враховується фазно-структурний стан сталі, від якого суттєво залежить дія водню на метал; б) є обмежений - тільки для сталей ферито-перлітних після оптимальної термічної обробки М=1; в) концентрації легуючих елементів не повинні перевищувати С 0,25%; Si - 2%; Mn - 2%; Mo - 1%; Cr - 5%; г) не встановлений внесок у довговічність таких важливих компонентів, як W, V, Ті, Ni. Таким чином, даний спосіб не дозволяє аналітично визначати довговічність сталей у водні, крім ферито-перлітних сталей. В основу корисної моделі поставлено завдання розробити спосіб визначення довговічності сталі у водні, в якому введенням двох показників ста U 0,0792 /( A ]2. UA 0,6177( A K0,5 ) / (19) NH [ 0,0384( A3K ) / 3 17684 4 них Fe-Cr-Ni сплавів та Шефлера, він є кількісною лі - фазно-структурного А , яким відображають за хімічним складом сталі її здатність до стабілізації мірою надлишку чи нестачі -активності елементів аустеніту, та механічного показника К - здатності хімічного складу, і розраховують за формулою: сталі до рівномірної пластичної деформації за ста(1) A =NiE/NiEв, тичного розтягання, одержують аналітичну залежде NiE=[Ni]+[Co]+0,5[Mn]+0,3[Cu]+25[N]+30[C], 2 ність між довговічністю сталі у водні та її механічNiEв=0,0512СrЕ -1,843CrЕ+28,6, ними властивостями при розтягу на повітрі, за CrE=[Cr]+2[Si]+1,5[Mo]+5[V]+5,5[Al]+1,75[Nb]+1, якою визначають кількість циклів до руйнування у 5[Ti]+0,75[W] - хром та нікель еквіваленти. газоподібному водні - довговічність сталі у водні, Тут [Ni], [Cr], [N] і т.д. - вміст хімічних елементів не проводячи випробувань, і за рахунок цього піду масових процентах. вищується продуктивність праці, зменшується ваВміст С 0,15%; S, P, As, O0,95. ного видовження р, які і визначають механічний 4. Результат апроксимації приймають задовіпоказник К при розтяганні сталі на повітрі та через льним, якщо розбіжність між експериментальними фазно-структурний показник А , яким відображаі розрахованими даними не перевищує розсіюванють здатність сталі за її хімічним складом до станя експериментальнихрезультатів. білізації аустеніту, побудувати графічну залежНа основі вищенаведеного в координатах ність: довговічність сталі у водні NH - механічні A NH0,5 - А2 K0,5 одержують залежність із коефіцієвластивості і, апроксимуючи її, одержати рівняння нтом кореляції R=0,9644. для визначення кількості циклів до руйнування у (3) A NH0,5=-0,0384 А4 K+0,6177 А2 K0,5-0,0792 середовищі водню - довговічність сталі у водні NH. Звідси визначають довговічність сталі у водні Суттєвою відмінністю даного способу є те, що введенням фазно-структурного показника А можNH=[-0,0384 (А 3K)/ +0,6177 (A K0,5)/ на кількісно, а неякісно та не тільки для феритопе(4) -0,0792/(А / )]2, рлітних сталей, як це роблять в прототипі, аналіде є - амплітуда циклічної деформації. тично визначити довговічність у водні, Приклад використовуючи механічний показник К, для всіх Визначали за формулою (4) довговічність у корозостійких сталей. Запропонований спосіб, поводні тиском 35МПа корозійностійких аустенітних рівняно з відомими [1], не потребує проведення сталей, які найбільше використовуються для вискладних вибухонебезпечних та вартісних випропробувань у газових середовищах водню (див. бувань сталі в середовищі водню. таблицю). Для цих сталей визначали фазноКорисну модель пояснюють наступним чином. структурний показник А за формулою (1). Він зміПоказник А визначають за діаграмами потрійнюється від 1 до 2,52 (див. табл.). Для визначення 5 17684 6 механічного показника К експериментально визнаИП-2ВТД за методикою [1]. Плоскі зразки товщиною 2...3мм піддавали малоцикловому навантачали механічні властивості: в, 0,2, , р та при женню віднульовим чистим згином у водні тиском розтягу на повітрі. Випробовування проводили на 35МПа при кімнатній температурі. Тиск водню був установці УМЕ-10ТМ. П'ятикратні гладкі зразки взятий 35МПа тому, що більшість випробувань діаметром 5мм розтягували з постійною швидкістю проводять за такого тиску. Амплітуда циклічної руху активного захвату 0,1мм/хв. Результати досдеформації ( ) становила: 0,8; 1,2; 1,6%, а база ліджень подано в таблиці. Крім того, для порівняння значень довговічновипробувань – 5 102...5 104 циклів. Кожне експеристі розрахованих за формулою (4) проводили ексментальне значення довговічності NH у таблиці є периментальне дослідження малоциклової довгосереднє арифметичне значення за випробуваннявічності, як найбільш чутливої до дії водню. ми 5-7 зразків. Малоциклову довговічність вивчали на установці Таблиця № п/п Матеріал Експериментальні дані у повітря в Експериментальні та розраховані значення довговічності NH (цикли) у водні тиском 35Мпа за амплітуди деформації , % Структура A р 0,2 МПа 0,8 % 1 08Х18Н10Т 610 310 61 61 48 2 3 4 5 6 7 8 9 03Х11Н8К4М2ФВД 06Х12Г20АН5 06Х27Н16АГ6 03Х19Н23В2Т 04Х12Н36Т3ЮГ Х11Н21Т2РЮ 06Х14Г20АН10М 03Х11Н43М2Т 1100 800 810 550 1100 1180 810 1250 1070 420 470 220 810 890 570 820 18 54 52 48 31 30 62 29 65 62 66 50 51 46 73 49 9 43 40 40 20 20 48 18 1 А-Мд 2500*/2100** 1,07 1,64 1,74 1,74 1,86 2,04 2,44 2,52 А+М+I А А А А+І А+І А А+І 7000/12000 7000/6050 9200/12100 1,2 1100*/1200* * 3000/4100 3000/2350 4100/3800 1,6 620*/600** 360/380 1690/1350 1730/2600 2070/1850 1720/1370 2070/2300 2470/2300 2300/1700 А - аустеніт; І - інтерметаліди; М - мартенсит; Мд - мартенсит деформації. *) - дані, отримані за формулою (4). **) - експериментальні дані: NH - усереднене арифметичне значення довговічності по випробуваннях 5-7 зразків. Мінімальна експериментальна довговічність рівна 0,4 NH; максимальна експериментальна довговічність - 1,7 NH. Застосування запропонованого способу виключає проведення вартісних та технологічно складних випробувань у водні. Це дає економію у затратах енергоресурсу, зменшення матеріалоємності, підвищення продуктивності праці. Даний спосіб дозволяє визначати кількісно не тільки довговічність уже існуючих сталей, але й прогнозувати та розробляти нові матеріали, стійкі до дії водню. Джерела інформації: 1. Ткачев В.И., Холодный В.И., Левина И.Н. Работоспособность сталей и сплавов в среде во Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко дорода. -Львов: Вертикаль, 1999. -255с. 2. Чертов В.М., Родников С.И. О деградации прочности при водородной обработке //Альтернативная энергетика и экология. АЭЭ. 2005. -№4(24). -С.30-33. 3. Асвиян М.Б. К вопросу о прогнозировании длительной прочности стали по ее химическому составу при высоких температурах и давлениях водорода //Фіз.-хім. механіка матеріалів. -1982. №1. -С.82-85. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601