|
|
Одним из основных факторов, определяющих
склонность стальных материалов к коррозии под напряжением (КПП), является их
состав и структурное состояние. Поскольку легирующие элементы и примеси в
железе и стали активно влияют на процессы структурообразовання при различных
видах горячей обработки давлением и термообработки: фазовый состав, макро- и
микроликвацию, а также воздействуют на развитие явлений внутрикристаллической
адсорбции, то это не может не сказаться на склонности этих материалов к
коррозионному растрескиванию (КР) под напряжением. Конечно, степень влияния
легирующих элементов и примесей на КПП может существенно изменяться в
зависимости
от их индивидуальных особенностей, характера коррозионной
среды, вида термической обработки, уровня прочности стали и др.
Из всех легирующих элементов и примесей в стали наиболее
сильное воздействие на ее структуру и механические свойства оказывает углерод
(Э. Бейн). Этим объясняется довольно большое число работ, посвященных
изучению влияния углерода на КР железа и стали в нитратных растворах и
щелочах, в основном в неупрочненном (горячекатаном, нормализованном,
отожженном) состоянии металла. На основании изучения высокочистых материалов
в таких состояниях установлено, что зависимость стойкости против КР от
содержания в стали углерода описывается кривой с минимумом, наблюдаемым при
содержании углерода 0,009—0,1%. При содержаниях углерода ниже этого диапазона
(С. Флис) и выше него коррозионная стойкость значительно увеличивается.
Такое направление влияния углерода имеет место и в горячекатаных арматурных
сталях промышленного производства .
Повышенную чувствительность стали к КР при 0,009—0,1% С
объясняют различными причинами: возникновением выделений третичного цементита
по границам ферритных зерен; сегрегацией атомов углерода по границам
Возрастание коррозионной стойкости в неупрочненных сталях
с содержанием углерода свыше 0,1% связывают с увеличением количества
перлитной составляющей, препятствующей развитию коррозионной трещины по
границам ферритных зерен (А. Боймель, Г. Енгель), со снижением сегрегации
атомов углерода по границам (Г. Улиг). Примеси азота, однако, существенно
уменьшают стойкость таких сталей против КР. В таком же направлении влияет
перегрев стали под отжиг или нормализацию.
В отличие от неупрочненного состояния, повышение содержания
углерода в закаленной стали свыше 0,1% вызывает, наоборот, усиление ее
чувствительности к КГ1Н [203]. Тем не менее данные о рациональном содержании
углерода, например, в арматурной стали, обеспечивающим после термического
упрочнения с прокатного нагрева как можно более приемлемое сочетание высокой
прочности, равномерности механических свойств и стойкости против КР в
литературе до недавнего времени отсутствовали.
В. В. Калмыковым совместно с К. Ф. Стародубовым и Н. Г.
Воловиком проведена оценка влияния углерода в диапазоне 0,18— 0,50% на
стойкость против коррозионного растрескивания арматуры, упрочненной в потоке
стана на уровне прочности 1150— 1300 МПа. Исследования проводили на арматуре
диаметром 10 мм из сталей марок СтЗ, Ст5 и Ст50. Коррозионные испытания под
напряжением вели по разработанной совместно с Н. Г. Воловиком * методике,
позволяющей определять время до появления первых коррозионных трещин, время
до разрушения образцов с трещинами и суммарное время до разрушения при почти
постоянном номинальном растягивающем напряжении. Агрессивной средой служил
кипящий нитратный раствор состава 600 г Са(N03)2, 50 г NH4N03 и 350 г воды .
Из приведенных на 101 данных можно видеть следующее.
При напряжениях 800—1000 МПа (0,7—0,9 оа) время до появления первых коррозионных
трещин мало и составляет 0,1—0,2 ч. Однако по характеру зависимостей
«а0—время появления коррозионных трещин» арматурные стали не одинаковы. У
стали СтЗ кривые этой зависимости имеют «пологий характер», у сталей же СтБ и
Ст50—«крутой», поэтому в сталях Ст5 и СiПО при млнря жениях 1000—400 МПа
минимальное время до возникноигнии первых коррозионных трещин мало зависит от
уровня напряжения. Вместе с тем во всех случаях с понижением напряжений
наблюдается расширение полосы разброса экспериментальных данных в сторону
больших значений времени. Это обусловлено тем, что с падением растягивающих
напряжений уменьшается вероятность образования «слабых мест», где развивается
процесс коррозионного растрескивания, а при некоторых величинах напряжений он
может и вовсе не получить развития.
Из зависимостей суммарного времени до разрушения от
напряжения видно, что с повышением содержания углерода в пределах 0,18—0,50%
склонность термически упрочненной арматуры к коррозионному растрескиванию
возрастает ( 101, графики III). На самом деле, если напряжение, при котором
не наблюдается коррозионного растрескивания в течение более 200 ч испытаний,
для термоупрочнеиной арматуры из СтЗ составляет 300 МПа (0,26 (7В), то для
арматуры из Ст5 оно снижается до 200 МПа (0,15 ав),ау стали 50 даже при
напряжении всего лишь 100 МПа, что в 13 раз ниже ее исходной прочности, не
удается избежать коррозионного растрескивания уже через 20—50 ч испытаний.
Из представленных данных можно также заметить; что в
большинстве случаев основной вклад в суммарное время до разрушения вносит
составляющая «времени жизни» металла с трещиной.
Различная склонность рассмотренных сталей к КПН
убедительно подтверждается картиной их коррозионной пораженности в ходе
испытаний при разных уровнях напряжений
По мерс уменьшения растягивающих напряжений пораженность
образцов коррозионными дефектами снижается, однако термоупрочненная арматура
из Ст50 по сравнению с таковой из СтЗ оказывается несравненно более
пораженной коррозионными трещинами как при высоких, так и при низких уровнях
напряжений.
Особенно наглядно различную склонность сталей к коррозии
иллюстрирует зависимость «плотность дефектов (т)—а0» в логарифмических
координатах.
Максимальной чувствительностью к КР обладает Ст50, у
которой наиболее высокая плотность поражений, т. е. количество дефектов на I
мм2 поверхности, и медленный спад этой плотности с уменьшением уровня
растягивающих напряжений.
Итак, арматурная сталь с повышенным до 0,50% содержанием
углерода, термомеханически упрочненная в потоке стана на высокую прочность
(например 1300 МПа) обладает значительно большей склонностью к КР, чем
аналогично обработанные и близкие ей по прочности стали с меньшей
концентрацией углерода. Отметим, что арматурная сталь марки Ст50 при такой
прочности имеет промежуточную структуру распада аустенита с микротвердостыо
#и5о=5200 МПа, а сталь с пониженным содержанием углерода — структуру частично
отпущенного низкоуглеродистого мартенсита. Возникновение промежуточной
структуры распада аустенита, отличающейся, очевидно, высокой
электрохимической активностью, служит, видимо одной из главных причин большей
чувствительности к КР сталей с повышенным содержанием углерода. Отсюда
следует, что при выборе или разработке высокопрочных арматурных сталей,
устойчивых против КПН, необходимо по возможности ограничивать содержание
углерода в стали (не более 0,25%).
Сведения о влиянии легирующих элементов па склонность
сталей к КПН в термоуирочненном состоянии немногочисленны и нередко
противоречивы. По одним данным, например, Мп, Сг, AI, Моповышают, а по другим
данным Мп, Сг, V —понижают сопротивляемость коррозионному растрескиванию
высокопрочных сталей. В таком же направлении влияют Ni , Р,.N. Ограниченность
и противоречивость литературных данных не позволяют без специальных
исследований выбрать оптимальные составы, например, арматурных сталей для
получения после термического упрочнения необходимого сочетания прочности,
пластичности и сопротивляемости К Р.
Как было установлено исследованиями, проведенными Тульским
политехническим институтом совместно с Научно-исследовательским институтом
бетона и железобетона Госстроя СССР (НИИЖБ), ЦНИИЧМ, сопротивляемость КР
высокопрочной термоупрочнеиной арматуры из низколегированной стали может быть
существенно повышена титаном. Эффект обнаруживается при содержании титана не
менее 0,45%. Это дало основание авторам указанной работы предложить
изготавливать коррозионностойкую термоупрочненную арматуру классов Ат—V—Ат—VI
из стали марки ЗОГСТ состава (в % по массе): 0,28—0,34 С; 0,8—1,2 Мп; 0,6—0,9
Si; 0,45—0,70 Ti. К сожалению, из-за повышенных содержаний углерода и титана
такая сталь оказывается недостаточно технологичной в процессе термического
упрочнения с прокатного нагрева и требует пониженных (870—920 °С) температур
конца прокатки.
Проведенные в последние годы исследования в Институте
черной металлургии, НИИЖБ Госстроя СССР, Физико-механическом институте АН
УССР показали, что из наиболее доступных и сравнительно недорогих легирующих
элементов наиболее эффективно повышает сопротивление высокопрочных арматурных
сталей КР кремний.
На 104 приведены данные по коррозионной стойкости
тер- моупрочненных сталей 20ГС и 20ГС2 в кипящих нитратах при различных
уровнях растягивающих напряжений. Испытания проводили при постоянной нагрузке
на образец, отвечающей выбранному напряжению, в коррозионных камерах
специальной конструкции. Видно, что термоупрочиепная с прокатного нагрева
арматура класса Ат—VI из стали 20ГС диаметром 10 мм проявляет существенную склонность к КР. Нельзя, однако, не отметить, что по сравнению с ранее
рассмотренными углеродистыми сталями термоупрочненная арматура из стали 20ГС
обнаруживает при всех уровнях напряжения более низкую пораженность
коррозионными трещинами. Это является признаком того, что уже легирование
низкоуглеродистой марганцовистой стали 1% Si (сталь 20ГС) приводит к
определенному снижению вероятности коррозионного разрушения изготовленной из
нее термоупрочнеиной арматуры. Действительно, на практике не наблюдали
случаев коррозионных повреждений конструкций, выполненных с использованием такой
стали
Повышение же содержания кремния до 2% (сталь 20ГС2)
приводит к значительному (на порядок) улучшению коррозионной стойкости
термоупрочнеиной арматуры, особенно при напряжениях 600 МПа и ниже. На самом
деле, если термоупрочненная сталь марки 20ГС с ав=1300 МПа при напряжении 400
МПа разрушается в кипящих нитратах в среднем через 10 ч, то равнопрочная ей
арматурная сталь 20ГС2 выдерживает 200 ч испытаний при той же нагрузке без
разрушения. Однако, при напряжении, равном нормативному сопротивлению для арматуры
класса Ат—VI {R" = = 1000 МПа), численно совпадающему с нижней границей
предела текучести, различие в коррозионной стойкости оказывается не столь
значительным ( 4,5 и 1,3 час), хотя и в этом случае преимущество сохраняется
на стороне термоупрочнеиной арматуры с повышенным (до 2%) содержанием
кремния. Необходимо также отметить, что термоупрочненная с прокатного нагрева
арматурная сталь марки 20ГС2 в состоянии поставки характеризуется низкой
лора- жаемостью коррозионными дефектами даже при высоких (800 МПа и более)
уровнях напряжений. На положительную роль кремния при коррозии под
напряжением указывают и зарубежные исследователи
Коррозионная стойкость термоупрочнеиной арматуры из стали
20ГС2 дополнительно повышается при микролегировании ее ванадием в количестве
до 0,1%. Об этом свидетельствуют ниже приведенные данные, относящиеся к
равнопрочной термоупрочнеиной арматуре диаметром 10 мм класса Ат—VI:
Сталь марки 20ГС2 20ГС2Ф. Видно, что в стали 20ГС2Ф
среднее время до растрескивания при исследованных уровнях напряжений
увеличивается в 2—3 раза по сравнению со сталью 20ГС2, не содержащей ванадия.
В условиях более мягких изгибиьтх испытаний при напряжении
640 МПа, близком к расчетому сопротивлению арматуры? класса Ат—V высшей
категории качества (680 МПа), свыше 89% испытанных образцов из стали 20ГС2Ф
разрушилось за время более 100 ч, из них свыше 73% имели стойкость более 200
ч. Некоторые образцы выдержали 700 ч без разрушения
О замедлении (в присутствии микродобавок ванадия) процесса
коррозионного растрескивания высокопрочной стали говорит и тот факт, что при
выращивании коррозионной трещины на натурных образцах, снабженных надрезом,
время до появления трещины одинаковой глубины (около 6 мм) при испытании в кипящих нитратах под напряжением ао = 0,8 ав для стали 20ГС2Ф оказалось на 73%
более длительным, чем для стали 20ГС2.
Значительное улучшение сопротивляемости коррозии под
напряжением термоупрочненной арматурной стали с повышенным (до 2%)
содержанием кремния, а также дополнительно микролегированной ванадием в
определенной степени связано с особенностями структуры таких сталей.
Как показали электронномикроскопическис исследования-
угольных реплик и фольги на просвет, основной структурной составляющей
термически упрочненной с прокатного нагрева стали 20ГС является реечный
низкоуглеродистый самоотпущенный мартенсит. Пластинки мартенсита тонкие и
длинные, внутри них видны мелкие и плотные выделения карбидов. На стыках
мартенситных пластин наблюдаются выделения, по всей видимости, цементита в
виде сплошных фильмов. Нередко встречаются участки верхнего бейнита в форме
«резаной соломы» или «пера» (по терминологии А. П. Гуляева)
Характер структуры в термоупрочненной арматуре с 2% Si
иной. Мартенситные пластины здесь короче и шире, а плотность выделения частиц
карбидов в пластинках мартенсита ниже. Наблюдается также бейнит, который в
отличие от стали 20ГС состоит из коротких пластинок цементита, разделенных
ферритной матрицей. При микролегировании такой стали ванадием мартенситные
пластинки оказываются еще «более» чистыми от выделений карбидных частиц.
Такие особенности структуры в термоупрочненной стали с 2%
Si приводят к меньшей концентрации микронаиряжений при приложении к изделию
растягивающей нагрузки, обусловливают меньшую электрохимическую неоднородность
стали, лучшую сопротивляемость хрупкому разрушению, что в совокупности
способствует повышению коррозионной стойкости под напряжением сталей такого
типа. Благоприятным при этом оказывается и то обстоятельство, что кремний
снижает уровень закалочных напряжений в стали и ее чувствительность к
образованию микротрещин
Кремний повышает активность углерода в a-Fe, т. е. он<
вытесняет углерод из мест, где находится сам. По этой причине по данным В. В.
Левитина и В. И. Сырейщикова увеличение содержания кремния до 2% способствует
снижению концентрации углерода, например, по границам зерен, что делает их
менее анодными, а, следовательно, и менее подверженными разрушению при
развитии процесса коррозионного растрескивания. Кроме того, возможно, что
кремний, будучи по всей видимости горофильным элементом, затрудняет
коррозионное разъедание границ зерен в кипящих нитратах под напряжением за
счет повышения в его присутствии энергии связи атомов железа с матрицей.
Таковы возможные причины возрастания коррозионной стойкости под напряжением
высокопрочной арматурной стали с повышенным (до 2%) содержанием кремния.
Отметим, что коррозионная стойкость такой стали может
быть- заметно улучшена путем снижения в ней содержания углерода. На 107
приведены данные по коррозионному поведению иод напряжением термоупрочнеиной
с прокатного нагрева арматуры из стали 10ГС2 следующего химического состава
(в % по массе);. 0,11 С; 1,28 Мп; 1,95 Si; 0,038 S; 0,030 Р; 0,06 Сг; 0,02
Ni; 0,04 Си; 0,01 А1; 0,006 N. Видно, что в сравнении со сталью 20ГС2 (0,21
С; 1,27 Мп; 2 Si; 0,022 S; 0,015 Р) в стали 10ГС2 пороговое напряжение, при
котором не наблюдается коррозионного растрескивания оказывается на 100 МПа
более высоким (см. 104 и 107). В условиях наиболее активного проявления
концентраторов напряжений в виде ребер жесткости (арматура диаметром 10 мм) и действия растягивающих напряжений, равных расчетному сопротивлению арматуры класса А—IV
(Ат—IV)—510 МПа,. термомеханически упрочненная арматурная сталь 10ГС2
состоянии поставки не растрескивается в кипящих нитратах в течение более 200
ч непрерывных испытаний. Это дает основания отнести такую сталь к категории
стойкой против коррозионного растрескивания термически упрочненной арматуры
класса Ат—IVK, которая может применяться в слабо-, средне- и
сильноагрессивной средах в конструкциях третьей и второй категорий
трещиностой- кости соответственно.
Вместе с тем, при напряжениях, отвечающих расчетным
сопротивлениям арматуры первой категории качества по ГОСТ 10884—81 класса
Ат—V (630 МПа) и тем более класса Ат—VI (785 МПа), ни сталь 10ГС2, ни сталь
20ГС2 в состоянии поставки необходимой (не менее 100 ч) коррозионной
стойкостью в кипящих нитратах еще не обладают. Однако серьезную поправку в
такую оценку вносит электронагрев, применяемый при натяжении арматуры. С. Н.
Алексеев, Г. М. Красовская, В. В. Калмыков, Н. Г. Воловик и др. показали, что
элсктронагрев термоупрочнеиной в потоке стана арматуры из стали 20ГС2 до
500°С существенно улучшает ее коррозионную стойкость, причем, пороговое
напряжение повышается до величины, соответствующей расчетному сопротивлению
арматуры класса Ат—V. Следовательно, такая технологическая операция делает
термоупрочненную
арматуру из стали 20ГС2 стойкой против коррозионного
растрескивания по этому классу. К сожалению, электронагрев хотя и широко, но
не всегда применяется при изготовлении преднапряжен- ных конструкций. По этой
причине указанный способ повышения коррозионной стойкости не может быть
общепринятым.
Поэтому в целях снижения ограничений и расширения областей
применения высокопрочной арматуры потребовалась разработка технических
решений, позволяющих достигнуть необходимой стойкости против коррозионного
растрескивания арматуры классов Ат—V и Ат—VI уже в состоянии поставки без
проведения дополнительной термообработки: специального отпуска или
электронагрева.
|