Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей
Исследовано влияние водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей по методу имплант. На основе теории ползучести материалов предложена расчетная модель для оценки вклада водорода на процесс замедленного разрушения....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101218 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей / Н.Н. Харбин, О.И. Слепцов, М.Н. Сивцев, Г.Г. Винокуров // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 15-17. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-101218 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1012182016-06-02T03:02:28Z Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей Харбин, Н.Н. Слепцов, О.И. Сивцев, М.Н. Винокуров, Г.Г. Научно-технический раздел Исследовано влияние водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей по методу имплант. На основе теории ползучести материалов предложена расчетная модель для оценки вклада водорода на процесс замедленного разрушения. Hydrogen influence on delayed fracture of welded joints of high-strength low-alloyed steels was studied by the implant method. A calculation model based on material creep theory was proposed for assessment of hydrogen contribution to delayed fracture process. 2012 Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей / Н.Н. Харбин, О.И. Слепцов, М.Н. Сивцев, Г.Г. Винокуров // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 15-17. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101218 621.791.052:539.4 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Харбин, Н.Н. Слепцов, О.И. Сивцев, М.Н. Винокуров, Г.Г. Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей Автоматическая сварка |
| description |
Исследовано влияние водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей по методу имплант. На основе теории ползучести материалов предложена расчетная модель для оценки вклада водорода на процесс замедленного разрушения. |
| author |
Харбин, Н.Н. Слепцов, О.И. Сивцев, М.Н. Винокуров, Г.Г. |
| author_facet |
Харбин, Н.Н. Слепцов, О.И. Сивцев, М.Н. Винокуров, Г.Г. |
| author_sort |
Харбин, Н.Н. |
| title |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| title_short |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| title_full |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| title_fullStr |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| title_full_unstemmed |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| title_sort |
оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101218 |
| citation_txt |
Оценка влияния водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей / Н.Н. Харбин, О.И. Слепцов, М.Н. Сивцев, Г.Г. Винокуров // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 15-17. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT harbinnn ocenkavliâniâvodorodanazamedlennoerazrušeniesvarnyhsoedinenijvysokopročnyhnizkolegirovannyhstalej AT slepcovoi ocenkavliâniâvodorodanazamedlennoerazrušeniesvarnyhsoedinenijvysokopročnyhnizkolegirovannyhstalej AT sivcevmn ocenkavliâniâvodorodanazamedlennoerazrušeniesvarnyhsoedinenijvysokopročnyhnizkolegirovannyhstalej AT vinokurovgg ocenkavliâniâvodorodanazamedlennoerazrušeniesvarnyhsoedinenijvysokopročnyhnizkolegirovannyhstalej |
| first_indexed |
2025-07-07T10:36:33Z |
| last_indexed |
2025-07-07T10:36:33Z |
| _version_ |
1836984139867226112 |
| fulltext |
УДК 621.791.052:539.4
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДА НА ЗАМЕДЛЕННОЕ
РАЗРУШЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
ВЫСОКОПРОЧНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Н. Н. ХАРБИН, инж., О. И. СЛЕПЦОВ, д-р техн. наук,
М. Н. СИВЦЕВ, Г. Г. ВИНОКУРОВ, кандидаты техн. наук
(Ин-т физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН, г. Якутск)
Исследовано влияние водорода на замедленное разрушение сварных соединений высокопрочных низколегированных
сталей по методу имплант. На основе теории ползучести материалов предложена расчетная модель для оценки
вклада водорода на процесс замедленного разрушения.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, сварные соединения,
высокопрочные низколегированные стали, замедленное раз-
рушение, расчетная модель
При сварке высокопрочных низколегированных
сталей происходит образование холодных тре-
щин, которые появляются при неблагоприятном
сочетании структурных факторов (интенсивный
рост зерна, высокий уровень напряжений и де-
формаций) и повышенном содержании водорода
[1]. Причиной образования холодных трещин
является инициирование водородом холодного
растрескивания [2, 3]. Влияние водорода прояв-
ляется в замедленном характере процесса разру-
шения [4, 5]. В связи с этим актуальна разработка
методов адекватной оценки влияния водорода на
процесс разрушения сварных соединений.
Одним из путей определения склонности свар-
ных соединений к замедленному разрушению яв-
ляется использование метода имплант, который
сочетает определенные признаки прямых и кос-
венных методов испытания сварных соединений
на чувствительность к образованию холодных
трещин.
Целью настоящей работы является разработка
на основе теории ползучести расчетной модели
для оценки вклада водорода в процесс замедлен-
ного разрушения сварных соединений высокоп-
рочных низколегированных сталей.
Испытывали образцы-вставки из сталей
14Х2ГМР и Т-1 (таблица) по форме и размерам
соответствующих ГОСТ 26386–84.
Наплавку валика с образцом-встав-
кой выполняли электродами АНП-2
диаметром 4 мм на режиме: Iсв =
= 170 А; Uд = 25 В; vсв = 10 см/мин.
Содержание диффузионного водоро-
да в валике определяли глицерино-
вым методом. Фиксировали разруша-
ющее напряжение в ослабленном се-
чении σр и время до разрушения τр. Результаты
испытаний (рис. 1) подтвердили ведущую роль
диффузионного водорода в процессе замедленно-
го разрушения сварных соединений из низколе-
гированных сталей, что согласуется с данными
работы [6]. Склонность образцов-вставок, изго-
товленных из указанных сталей, к замедленному
разрушению оказалась приблизительно одинако-
вой (рис. 1).
Механизм замедленного разрушения сварных
соединений сталей характеризуется общими приз-
наками разрушения материала при ползучести [2].
Так, в работе [7] при рассмотрении развития тре-
щин при релаксации напряжений в качестве част-
ного случая разрушения в условиях ползучести
для оценки трещиностойкости материалов была
предложена расчетная модель, в основе которой
использовали принцип Ю. Н. Работнова.
В настоящей работе методика проводимых
испытаний позволяет контролировать силовые
параметры, поэтому значение коэффициента
интенсивности напряжений (КИН) в расчетной
модели работы [7] целесообразно заменить на
силовые параметры. При этом получена сле-
дующая модель:
σр
σв
= 1
1 + mqΓ~(τ)
, (1)
где
© Н. Н. Харбин, О. И. Слепцов, М. Н. Сивцев, Г. Г. Винокуров, 2012
Химический состав (мас. %) сталей 14Х2ГМР и Т-1
Марка
стали C Mn Si Cr Ni Mo V Ti B S P
14Х2ГМР 0,12 1,12 0,32 1,35 0,08 0,38 0,01 0,045 0,0050 0,045 0,023
Т-1 0,21 0,95 0,31 0,54 Не
опр.
0,18 0,08 0,028 0,0035 0,017 0,010
6/2012 15
Γ~(τ) = ∫
0
τ
Γ(τ – S)dS; m = 1
1 + p
;
σв — временное сопротивление; σр — напряже-
ние, при котором образец разрушился; q — струк-
турный параметр, связанный с КИН; Γ(τ – S) —
ядро последействия; p = p([H]) — энергетический
параметр системы (образца) [7], в данном случае
функция, зависящая от содержания водорода.
Рассмотрим предельные случаи модели (1).
Когда система незамкнута, p = p([H]) → ∞ (m =
= 0), т. е. содержание водорода достаточно мало
и сопротивление системы разрушению не зависит
от концентрации водорода. При пресыщении во-
дородом, когда p = p([H]) → 0 (m = 1), влияние
водорода максимальное, также трещиностойкость
системы зависит от структурного параметра q(0 <
< q < 1 [7]). Следовательно, параметр m предла-
гаемой модели (1) изменяется в интервале [0…1].
Результаты расчетов по формуле (1) в сопос-
тавлении с экспериментальными данными пред-
ставлены на рис. 2. Расчеты проводили при раз-
личных значениях параметра p (q = const) и со
следующими видами ядра интегрального опера-
тора, описывающего последействие [7]:
1) постоянное ядро (тело Максвелла)
Г(τ – S) = λ, (2)
где λ — постоянная материала;
2) экспоненциальное ядро (стандартное линей-
ное тело Кельвина)
Г(τ – S) = λ1e
–β(τ – S), (3)
где λ1, β — реологические постоянные;
3) степенное ядро
Г(τ – S) = λ
(τ – S)1 – β, (4)
где 0 < β < 1.
Как видно из этих формул, первый член ряда
в разложении экспоненциального ядра (3) и сте-
пенное ядро (4) при β → 1 дают ядро тела Мак-
свелла (2).
Расчеты по модели (1) с использованием ука-
занных ядер последействия показали, что лучше
всего экспериментальные данные описываются
экспоненциальным ядром (3) тела Кельвина
(рис. 2). Ядро максвелловского типа (2) при мак-
симальном содержании водорода приводит к нес-
колько заниженным результатам, но при его уме-
ренном содержании удовлетворительно описыва-
ет экспериментальные данные. Степенное ядро (4)
неудовлетворительно описывает начальные учас-
тки, но его можно использовать при более про-
должительных испытаниях (рис. 2).
Анализ расчетных кривых показал, что сущес-
твует возможность оценивать влияние соответс-
твенно водородного и структурного факторов на
разрушение параметрами m и q. Причем пределом
функции lim
τ → ∞
σp
σв
(τ) при использовании экспонен-
циального и степенного ядер последействия мож-
но оценить минимальное значение разрушающего
напряжения σp
min
при различном содержании во-
дорода. Так, при максимальном содержании во-
дорода (p = 0) данная величина при использовании
тела Кельвина (3) оценивается на уровне σp
min
≈
≈ 231 МПа (σp/σв ≈ 0,33 при τ → ∞), а в случае
использования степенного ядра последействия (4)
Рис. 1. Экспериментальные данные о влиянии диффузионно-
го водорода [Н]диф на склонность образцов-вставок к замед-
ленному разрушению сталей 14Х2ГМР (1, 3, 4, 6, 7, 9, 11, 12,
14) и T-1 (2, 5, 8, 10, 13): 1 — [Н]диф = 14,8 см3/100 г (Tср =
= –40 °С); 2 — [Н]диф = 15,0 см3/100 г (Tср = –25 °С); 3, 4 —
[Н]диф = 5,0 см3/100 г (Tср = –40 °С); 5 — [Н]диф = 7,9 см3/100 г
(Tср = 20 °С); 6, 9 — [Н]диф = 5,0 см3/100 г (Tср = 20 °С); 7 —
[Н]диф = 7,9 см3/100 г (Tср = 20 °С); 8, 10 — [Н]диф =
= 5,0 см3/100 г (Tср = 20 °С); 11, 12, 14 — [Н]диф = 0,6 см3/100 г
(Tср = –40 °С); 13 — [Н]диф = 0,6 см3/100 г (Tср = 20 °С)
Рис. 2. Расчетные (кривые 1–4) и экспериментальные данные
(значки) с разными ядрами последействия: 1, 2 — ядро пос-
ледействия тела Кельвина при соответственно содержании в
образце [Н]0 = 5,0 и 15 мл/100 г; 3 — ядро Максвелла при
[Н]0 = 5,0 мл/100 г; 4 — степенное ядро при [Н]0 =
= 15 мл/100 г
16 6/2012
имеем σp
min
= 210 МПа (σp/σв = 0,3 при τ → ∞).
Поскольку оценки были получены для случая с
максимально возможным содержанием водорода
в образце, то следует ожидать, что при реальном
содержании водорода минимальное значение раз-
рушающего напряжения близко к эксперимен-
тальному результату (для стали 14Х2ГМР) σp
min
=
= 240 МПа [2].
Удовлетворительное описание расчетными
кривыми экспериментальных результатов позво-
ляет проводить оценку времени до разрушения
в зависимости от содержания водорода. В первом
приближении для качественной оценки влияния
водорода на время разрушения использовали
простейшее ядро Максвелла (2). Подставив (2) в
(1), получим оценку времени до разрушения
τ = (p + 1) 1 – k
kλq
,
(5)
где k = σp/σв.
На основе анализа эмпирических данных, а
также с учетом экспоненциального характера тер-
моактивационной зависимости, описывающей
энергетические взаимодействия, параметр p опре-
деляли с помощью соотношения:
p([H]) = ln
⎛
⎜
⎝
1 +
[H]max – [H]0
[H]0
⎞
⎟
⎠
, (6)
где [H]max — максимальное содержание водорода
(зависит от марки стали и определяется эмпири-
чески); [Н]0 — содержание водорода в образце,
определенное глицериновым методом.
Влияние содержания водорода на замедленное
разрушение образца, полученное по формулам (5),
(6), показано на рис. 3. Как видно из рисунка,
характер кривых при различных нагрузках не ме-
няется. Однако при понижении содержания во-
дорода кривая смещается в сторону увеличения
времени до разрушения, что соответствует росту
сопротивления образцов замедленному разруше-
нию. Результаты расчетов времени до разрушения
образца в зависимости от содержания водорода
на основе простейшего ядра тела Максвелла дают
основания полагать, что при использовании более
сложных ядер можно более точно описать этот
процесс, но качественная картина при этом не
изменится. Таким образом, расчеты, проведенные
по предложенной модели, показали, что при сни-
жении содержания водорода увеличивается соп-
ротивление сварных соединений замедленному
разрушению. Расчетные данные хорошо согласу-
ются с экспериментальными.
Предлагаемая расчетная модель может исполь-
зоваться для оценки влияния водорода на техно-
логическую прочность сварных соединений
высокопрочных низколегированных сталей. Срав-
нительная простота расчетов по этой модели поз-
воляет значительно облегчить исследование меха-
низмов замедленного разрушения сварных соеди-
нений под воздействием водорода.
1. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легиро-
ванных сталей. — М.: Машиностроение, 1981. — 248 с.
2. Походня И. К., Швачко В. И. Физическая природа обус-
ловленных водородом холодных трещин в сварных сое-
динениях конструкционных сталей // Автомат. сварка.
— 1997. — № 5. — С. 3–12.
3. Graville В. A short review of weld metal hydrogen cracking
// Weld. World. — 1986. — 24, № 9/10. — P. 190–198.
4. Повышение прочности сварных конструкций для Севера
/ О. И. Слепцов, В. Е. Михайлов, В. Г. Петушков и др. —
Новосибирск: Наука, 1989. — 223 с.
5. Замедленное разрушение металлоконструкций / В. Е.
Михайлов, В. В. Лепов, В. Т. Алымов, В. П. Ларионов.
— Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. — 224 с.
6. Касаткин Б. С., Бреднев В. И. Особенности механизма
образования холодных трещин в сварных соединениях
низколегированных высокопрочных сталей // Автомат.
сварка. — 1985. — № 8. — С. 1–6, 18.
7. Чижик А. А., Ланин А. А. Трещиностойкость материалов
в условиях релаксации напряжений // Оценка трещинос-
тойкости материалов и сварных соединений: Тр. ЦКТИ.
— 1985. — 218. — С. 39–50.
Hydrogen influence on delayed fracture of welded joints of high-strength low-alloyed steels was studied by the implant
method. A calculation model based on material creep theory was proposed for assessment of hydrogen contribution to
delayed fracture process.
Поcтупила в редакцию 13.03.2012
Рис. 3. Влияние содержания водорода в образцах на замед-
ленное разрушение при нагрузках σр = 300 (×) и 650 МПа (•)
(×, • — экспериментальные точки)
6/2012 17
|