intelligent-lab

25.03.2020 09:54

Детализация механизма роста трещин при водородной хрупкости низкоуглеродистых сталей на основе данных прецизионных экспериментов

Автор:  Растегаев Игорь Анатольевич
Цель проекта: разработка сталей, обладающих улучшенной стойкостью к водородной хрупкости (ВХ) и повышения надежности их эксплуатации в водородосодержащих средах.





Выходные данные проекта:
Тема: Детализация механизма роста трещин при водородной хрупкости низкоуглеродистых сталей на основе данных прецизионных экспериментов
Программа: Приоритетное направление деятельности РНФ.
Область знаний: 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Шифр проекта: 19-79-00188
Руководитель работ: Мерсон Евгений Дмитриевич
Продолжительность работ: 07.2019 - 06.2021 г.
Итоговое финансирование проекта:
Ключевые слова: Стали, водородная хрупкость, акустическая эмиссия, процессы и механизмы разрушения и деформации, фрактография, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, квазискол, сканирующая электронная микроскопия.

Аннотация и научная значимость проекта:
Несмотря на то, что проблема водородной хрупкости (ВХ) известна науке уже около 150 лет, она, по-прежнему, остается высоко актуальной. Пристальный интерес научного сообщества к проблеме ВХ сталей связан с ее опасностью, заключающейся в высокой вероятности внезапного хрупкого разрушения стальных деталей и конструкций, в металле которых, по тем или иным причинам, оказалась повышенная концентрация водорода. В частности проблема ВХ стоит остро для нефтегазовой и химической промышленности. Отдельно стоит отметить, что на сегодняшний день во всем мире ведутся активные работы по переходу к водородной энергетике, подразумевающей использование газообразного водорода в качестве топлива. Одной из ключевых задач в этой сфере является обеспечение безопасной транспортировки и хранения водорода, в том числе, посредством трубопроводов и резервуаров высокого давления, материал которых должен обладать высокой стойкостью к ВХ и в то же время быть относительно недорогим. Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются низкоуглеродистые малолегированные стали со специальной микроструктурой, обеспечивающей высокую сопротивляемость ВХ. Однако целенаправленный дизайн такой микроструктуры, как и создание физико-математических моделей, позволяющих рассчитать ресурс работы материала или допустимые нагрузки и концентрации водорода для его безопасной эксплуатации, невозможны без понимания фундаментальных механизмов ВХ, которое на сегодняшний день, к сожалению, не достигнуто.
Разрушение большинства низкоуглеродистых сталей, охрупченных водородом, сопровождается образованием изломов со специфическим рельефом квазискола (КС). Существуют две прямо противоположных точки зрения о механизме роста трещин, который приводит к формированию такого рельефа. Согласно одной из версий рост водородных трещин - чисто хрупкий процесс, который осуществляется по механизму скола и аналогичен тому, который наблюдается, например, при хладноломкости данных сталей. Другая популярная версия заключается в том, что в микро масштабе рост водородных трещин является результатом сильно локализованного вязкого разрушения, т.е. процесса образования и слияния микро или нано-пор. Каждый из указанных механизмов требует совершенно разных подходов к дизайну микроструктуры материала, чтобы повысить его стойкость к ВХ. В связи с этим основная задача, на решение которой направлен настоящий проект – это расширение представлений о механизме роста трещин и формирования поверхности разрушения квазискола в низкоуглеродистых сталях и железе, охрупченных водородом.
Научная новизна настоящего исследования в первую очередь обеспечивается оригинальностью постановки запланированных экспериментов, а также комплексом современных исследовательских методов и авторских методик, которые будут задействованы при выполнении работ по проекту. В работе планируется исследовать образцы чистого железа, сплава Fe-3%Si и низкоуглеродистой стали. Путем изменения условий испытания с растяжения при in-situ наводороживании на растяжение в жидком азоте планируется изменить механизм роста трещин в одном и том же образце, с вызванного водородом, КС на истинный скол. Анализ поведения акустической эмиссии (АЭ) в процессе испытаний, а также последующее всестороннее микроскопическое исследование поверхности разрушения, боковой поверхности и поперечных сечений каждого образца при помощи методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) и дифракции обратно-отраженных электронов (EBSD) позволит установить, как меняется путь и морфология трещин при переходе от испытания в процессе наводороживания к испытанию в жидком азоте. Если путь трещин будет меняться незначительно и при обоих условиях испытания будет совпадать с кристаллографическими плоскостями скола, то можно будет заключить, что рост водородных трещин КС осуществляется по механизму скола. Если же путь трещин при наводороживании и в жидком азоте будет существенно отличаться, то теорию скола можно будет исключить..

Ожидаемые результаты выполнения проекта:
В результате выполнения проекта будут проведены уникальные эксперименты, которые позволят получить изломы гладких и надрезанных образцов чистого железа, сплава Fe-3%Si и низкоуглеродистой стали, поверхность которых будет частично представлена фасетками квазискола, образованными вследствие водородной хрупкости, тогда как другая часть излома будет состоять из фасеток скола, образованных вследствие хладноломкости при испытании в жидком азоте. При помощи методов качественной (с применением СЭМ) и количественной (с применением 3D КЛСМ) в одном и том же изломе, каждого испытанного образца будут измерены углы разориентировки и степень кривизны фасеток квазискола и скола. Путем исследования боковой поверхности и поперечных сечений, испытанных образцов с применением СЭМ и метода EBSD будет установлено, меняется ли (и если меняется, то как) путь трещин квазискола относительно микроструктуры и кристаллографической ориентации зерен при смене условий испытания, с тех, при которых развивается водородная хрупкость, на те, которые провоцируют хладноломкость. Указанные результаты будут также подкреплены данными, полученными методом АЭ, который согласно результатам предыдущих работ, является чрезвычайно чувствительным к механизму разрушения и эффективным инструментом для его анализа. За счет применения как гладких, так и надрезанных образцов будет выяснено влияние полей напряжений на путь распространения трещин низкотемпературного скола и водородного квазискола. Комплексный анализ полученных результатов позволит ответить на вопрос: распространяются ли, вызванные водородом, трещины квазискола по тому же механизму, что и трещины низкотемпературного скола или нет. Подробный микроскопический анализ трещин на боковой поверхности позволит установить наличие или отсутствие микропор и сделать вывод об их роли в механизме роста трещин. Выяснение механизма роста трещин в низкоуглеродистой стали, охрупченной водородом обеспечит возможность создания научно обоснованного похода к дизайну микроструктуры сталей с повышенной стойкостью к ВХ. Таким образом, результаты выполнения настоящего проекта будут обладать высокой значимостью не только для фундаментальной науки, но и смогут быть использованы на практике. В частности они могут быть полезны для широкого перечня отраслей отечественной промышленности, включая нефтегазовую и химическую, авиакосмическую, атомную, автомобильную и др. По результатам проекта планирует опубликовать не менее 3-х статей в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, в том числе, входящих в Q1.

Основные результаты выполнения проекта:
1 этап (2020 год)

2 этап (2021 год)

Календарь событий

« Октября 2020 »
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
      1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31  

Вход в систему

You are here: