V. I. Mironov , I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, L. M. Zamaraev, D. A. Ogorelkov, V. V. Yakovlev
EFFECT OF HYDROGENATION TEMPERATURE AND TENSILE STRESS ON THE PARAMETERS OF THE COMPLETE DEFORMATION DIAGRAM FOR STEEL 09G2S
DOI: 10.17804/2410-9908.2020.1.024-033 Hydrogen concentration in the sample material depends on its environmental content, external pressure, temperature, surface condition, and testing time. All other things being equal, increasing temperature increases the diffusion coefficient and, consequently, hydrogen concentration in the metal. This, in turn, changes the mechanical properties of the material. The paper considers the principal possibility of determining the parameters of this process within the method of complete deformation diagrams. By changing the parameters of the diagram of the hydrogenated metal, a conclusion is made about the changes in its strength, plasticity, and crack resistance. The approach is illustrated by the results of testing samples of the structural 09Г2С steel, widely used in mechanical engineering. It has been found that the increasing temperature of hydrogenation reduces the strength and ductility of the steel and increases crack resistance. Thus, it is experimentally proved that the parameters of the falling branch of the complete diagram are sensitive to hydrogen concentration in the steel. The changes in the mechanical properties of the structural steel caused by the action of hydrogen are qualitatively similar to those caused by cyclic loading. In this regard, it is concluded that degradation processes of different natures can be studied on a common methodological basis. The parameters of the falling branch of the complete deformation diagram can serve as the representative parameters of these processes.
Keywords: hydrogen, diffusion, experiment, complete deformation diagrams References:
1. Bolotin V.V. Resurs mashin i konstruktsiy [Resource of Machines and Structures]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990, 448 p. (In Russian).
2. Plyutov Yu.A., Homich L.V. New approaches to analyzing the reliability of vehicles. Fundamentalnye Issledovaniya, 2004, no. 6, pp. 70–72. (In Russian).
3. Emel'yanov I.G, Mironov V.I. Dolgovechnost obolochechnykh konstruktsiy [Durability of Shell Structures]. Ekaterinburg, RIO UrO RAN Publ., 2012, 217p. ISBN 978-5-7691-2322-1. (In Russian).
4. Yakovleva T.Yu. Lokalnaya plasticheskaya deformatsiya i ustalost metalla [Local Plastic Deformation and Fatigue of Metals]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 2003, 238 p. (In Russian).
5. Moroz L.S., Chechulin B.B. Vodorodnaya khrupkost metallov [Hydrogen Brittleness of Metals]. Moscow, Metallurgy Publ., 1967, 256 p. (In Russian).
6. Suzuki H., Fukushima H., Takai K. Role of Hydrides and Solute Hydrogen in Embrittlement of Pure Titanium. Journal of the Japan Institute of Metals, 2015, vol. 79, pp. 82–88. DOI: 10.2320/jinstmet.JC201402.
7. Tal-Gutelmacher E., Eliezer D. Hydrogen-Assisted Degradation of Titanium Based Alloys. Materials Transactions, 2004, vol. 45, iss. 5, pp. 1594–1600. DOI: 10.2320/matertrans.45.1594.
8. Venezuela J., Blanch J., Zulkiply A., Liu Q., Zhou Q., Zhang M., Atrens A. Further study of the hydrogen embrittlement of martensitic advanced high-strength steel in simulated auto service conditions. Corrosion Science, 2018, vol. 135, pp. 120–135. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.02.037.
9. Garetta G., Cioffi P., Bruschi R. Engineering thoughts on Hydrogen Embrittlement. Procedia Structural Integrity, 2018, vol. 9, pp. 250–256. DOI: 10.1016/j.prostr.2018.06.038.
10. Lynch S. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms. Corrosion Reviews, 2012, vol. 30 (3–4), pp. 105– 123. DOI: 10.1515/corrrev-2012-0502.
11. Van den Eeckhout E., Laureys A., Van Ingelgem Y., Verbeken K. Hydrogen permeation through deformed and heat-treated Armco pure iron. Materials Science and Technology, 2017, vol. 33, iss. 13, pp. 1515–1523. DOI: 10.1080/02670836.2017.1342015.
12. Andronov D.Yu., Arseniev D.G., Polyanskiy A.M., Polyanskiy V.A., Yakovlev Yu.A. Application of multichannel diffusion model to analysis of hydrogen measurements in solid. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, iss 1, pp. 699–710. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.10.126.
13. Terent'ev V.F. Ustalostnaya prochnost' metallov i splavov [Fatigue Strength of Metals and Alloys]. Moscow, Intermet Inzhiniring Publ., 2002, 288 p. (In Russian).
14. Lahdari A.A., Seddak A., Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G. Modeling of hydrogen embrittlement of a pipeline as a thin-walled cylindrical shell of a nonlinearly elastic material. Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE», 2017, vol. 9, no. 4. Available at: http://naukovedenie.ru/PDF/58TVN417.pdf
15. Ustalost i vynoslivost metallov [Fatigue and Endurance of Metals, ed. by G.V. Uzhik]. Moscow, Izd-vo inostrannoy literatury Publ., 1963, 497 p. (In Russian).
16. Christmann К. Interaction of hydrogen with solid surfaces. Surface Science Reports, 1988, vol. 9, iss. 1–3, pp. 1–163. DOI: 10.1016/0167-5729(88)90009-X.
17. Mironov V.I., Emel'yanov I.G., Yakushev A.V., Lukashuk O.A. Development of rapid method for car steel quality control. Transport of the Ural, 2012, no. 2 (33), pp. 13–17. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=17725311
18. Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G. Effect of hydrogen-containing environment at high temperature and pressure on the behavior of metals and structures. Internet-zhurnal «NAUKOVEDENIE», 2012, no. 4. Available at: https://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf (accessed 20.09.2017).
19. Rebyakov Yu.N., Chemiavsky A.O., Chemiavsky O.F. Deformation and destruction of materials and structures in the diffusion. Vestnik YuUrGU, 2010, no. 10, pp. 4–16.
20. Lebedev A.A., Chausov N.G. Phenomenological fundamentals of the evaluation of crack resistance of materials on the basis of parameters of falling portions of strain diagrams. Problems of Strength, 1983, vol. 15, iss. 2, pp 155–160. DOI: 10.1007/BF01523460.
21. Smirnov S.V., Zamaraev L.M., Zamyatin A.N., Matafonov P.P. Short-term thermal cyclic creep and fracture of a VT1-0 titanium alloy in a hydrogen atmosphere. Russian Metallurgy (Metally), 2012, iss. 3, pp. 255–257. DOI: 10.1134/S0036029512030123.
22. Smirnov S.V., Zamaraev L.M. Energy of activation of the VT5 and VT1-0 titanium alloys under short-term creep in air and argon. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2016, iss. 6, pp. 100–110. DOI: 10.17804/2410-9908.2016.6.100-110. Available at: http://dream-journal.org/DREAM_Issue_6_2016_Smirnov_S.V._et_al._100_110.pdf
23. Velichko V.V., Mikheev G.M., Zabil'skij V.V., Maleev D.I. The influence of superlow concentration hydrogen on the mechanical properties of quenched 30KhG3A steel. Fiziko-Khimicheskaya Mekhanika Materialov, 1991, no. 1, pp. 112–114.
24. Kartashov A.M. Vliyanie vodorodnogo vozdeystviya pri vysokoy temperature i davlenii na uprugie svoystva uglerodistoy stali [Effect of Hydrogen on the Elastic Properties of Carbon Steel at High Temperature and Pressure: Collection of Scientific Works of Graduate Students]. Leningrad, LITMO Publ., 1974, pp. 142–145. (In Russian).
25. Mironov V.I., Lukashuk O.A. Influence of Material Structural Inhomogeneity on Fracture Strength of Constructional Elements. Key Engineering Materials, 2017, vol. 735, pp. 89–112. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.735.89. В. И. Миронов, И. Г. Емельянов, Л. М. Замараев, Д. И. Вичужанин, Д. А. Огорелков, В. В. Яковлев
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАВОДОРОЖИВАНИЯ И РАСТЯГИВАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПОЛНОЙ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТАЛИ 09Г2С
Концентрация водорода в материале образца зависит от его содержания в окружающей среде, внешнего давления, температуры, состояния поверхности и времени испытаний. Повышение температуры испытаний приводит к изменению фазового состава стали, активизации диффузионных процессов и к повышению содержания водорода. В результате снижаются предел прочности и предельная деформация, меняется угол наклона падающей ветви полной диаграммы деформирования (ПДД). По изменению параметров диаграммы наводороженного металла дается заключение об изменении его прочности, пластичности и трещиностойкости. Подход иллюстрируется результатами испытаний образцов из конструкционной стали 09Г2С, широко используемой в машиностроении. Установлено, что повышение температуры наводороживания снижает прочность и располагаемую пластичность стали, повышая трещиностойкость. Таким образом, экспериментально доказано, что параметры падающей ветви полной диаграммы чувствительны к концентрации водорода в стали. Отмечается качественная аналогия изменения механических свойств конструкционной стали от действия водорода и циклического нагружения. В этой связи делается заключение о принципиальной возможности исследования деградационных процессов разной природы на единой методологической основе. Представительными параметрами данных процессов могут служить параметры падающей ветви полной диаграммы деформирования.
Ключевые слова: водород, диффузия, эксперимент, полная диаграмма деформирования, температура Библиография:
1. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. – М. : Машиностроение, 1990. – 448 с.
2. Плютов Ю. А., Хомич Л. В. Новые подходы к анализу надежности транспортных машин // Фундаментальные исследования. – 2004. – № 6. – С. 70–72.
3. Емельянов И. Г., Миронов В. И. Долговечность оболочечных конструкций. – Екатеринбург : РИО УрО РАН, 2012. – 217 с.
4. Яковлева Т. Ю. Локальная пластическая деформация и усталость металлов. – Киев : Наукова Думка, 2003. – 238 с.
5. Мороз Л. С., Чечулин Б. Б. Водородная хрупкость металлов. – М. : Металлургия, 1967. – 256 с.
6. Suzuki H., Fukushima H., Takai K. Role of Hydrides and Solute Hydrogen in Embrittlement of Pure Titanium // Journal of the Japan Institute of Metals. – 2015. – Vol. 79. – P. 82–88. – DOI: 10.2320/jinstmet.JC201402.
7. Tal-Gutelmacher E., Eliezer D. Hydrogen-Assisted Degradation of Titanium Based Alloys // Materials Transactions. – 2004. – Vol. 45, iss. 5. – P. 1594–1600. – DOI: 10.2320/matertrans.45.1594.
8. Further study of the hydrogen embrittlement of martensitic advanced high-strength steel in simulated auto service conditions / J. Venezuela, J. Blanch, A. Zulkiply, Q. Liu, Q. Zhou, M. Zhang, and A. Atrens // Corrosion Science. – 2018. – Vol. 135. – P. 120–135. – DOI: 10.1016/j.corsci.2018.02.037.
9. Garetta G., Cioffi P., Bruschi R. Engineering thoughts on Hydrogen Embrittlement // Procedia Structural Integrity. – 2018. – Vol. 9. – P. 250–256. – DOI: 10.1016/j.prostr.2018.06.038.
10. Lynch S. Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms // Corrosion Reviews. – 2012. – Vol. 30 (3–4). – P. 105– 123. – DOI: 10.1515/corrrev-2012-0502.
11. Hydrogen permeation through deformed and heat-treated Armco pure iron / E. Van den Eeckhout, A. Laureys, Y. Van Ingelgem, K. Verbeken // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 33, iss. 13. – P. 1515–1523. – DOI: 10.1080/02670836.2017.1342015.
12. Application of multichannel diffusion model to analysis of hydrogen measurements in solid / D. Yu. Andronov, D. G. Arseniev, A. M. Polyanskiy, V. A. Polyanskiy, Yu. A. Yakovlev // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42, iss 1. – P. 699–710. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.10.126.
13. Терентьев В. Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. – М. : Интермет Инжиниринг, 2002. – 288 с.
14. Моделирование водородного охрупчивания трубопровода как тонкостенной цилиндрической оболочки из нелинейно упругого материала / А. А. Лахдари, Айсса Седдак, И. И. Овчинников, И. Г. Овчинников // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». – 2017. – Том 9, № 4. – URL: http://naukovedenie.ru/PDF/58TVN417.pdf
15. Усталость и выносливость металлов / под ред. Г. В. Ужика : cб. статей. – М. : Изд-во иностр. лит., 1963. – 497с.
16. Christmann К. Interaction of hydrogen with solid surfaces // Surface science reports. – 1988. – Vol. 9, iss. 1–3. – P. 1–163. – DOI: 10.1016/0167-5729(88)90009-X.
17. Разработка экспресс-метода для контроля свойств вагонных сталей / В. И. Миронов, И. Г. Емельянов, А. В. Якушев, О. А. Лукашук. // Транспорт Урала. – 2012. – № 2. – С. 13–17.
18. Овчинников И. И., Овчинников И. Г. Влияние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». – 2012. – № 4. – URL: https://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf (дата обращения: 20.09.2017).
19. Ребяков Ю. Н., Чернявский А. О., Чернявский О. Ф. Деформирование и разрушение материалов и конструкций в условиях диффузии // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – № 10. – С. 4–16.
20. Lebedev A. A., Chausov N. G. Phenomenological fundamentals of the evaluation of crack resistance of materials on the basis of parameters of falling portions of strain diagrams // Problems of Strength. – 1983. – Vol. 15, iss. 2. – P 155–160. – DOI: 10.1007/BF01523460.
21. Short-term thermal cyclic creep and fracture of a VT1-0 titanium alloy in a hydrogen atmosphere / S. V. Smirnov, L. M. Zamaraev, A. N. Zamyatin, P. P. Matafonov // Russian Metallurgy (Metally). – 2012. – Iss. 3. – P. 255–257. – DOI: 10.1134/S0036029512030123.
22. Smirnov S. V., Zamaraev L. M. Energy of activation of the VT5 and VT1-0 titanium alloys under short-term creep in air and argon // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2016. – Iss. 6. – P. 100–110. – DOI: 10.17804/2410-9908.2016.6.100-110. – URL: http://dream-journal.org/DREAM_Issue_6_2016_Smirnov_S.V._et_al._100_110.pdf
23. Вляние сверхмалых концентраций воды на механические свойства закаленной стали 30ХГСА / В. В. Величко, Г. М. Михеев, В. В. Забельский, Д. И. Малеев // Физико-химическая механика материалов. – 1991. – № 1. – С. 112–114.
24. Карташов A. M. Влияние водородного воздействия при высокой температуре и давлении на упругие свойства углеродистой стали : сб. науч. трудов аспирантов. – Л. : ЛИТМО, 1974. – С. 142–145.
25. Mironov V. I., Lukashuk O. A. Influence of Material Structural Inhomogeneity on Fracture Strength of Constructional Elements // Key Engineering Materials. – 2017. – Vol. 735. – P. 89–112. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.735.89. 
Библиографическая ссылка на статью
Effect of Hydrogenation Temperature and Tensile Stress on the Parameters of the Complete Deformation Diagram for Steel 09g2s / V. I. Mironov, I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, L. M. Zamaraev, D. A. Ogorelkov, V. V. Yakovlev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2020. - Iss. 1. - P. 24-33. - DOI: 10.17804/2410-9908.2020.1.024-033. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2020-1/2020-1_279.html (accessed: 21.12.2024).
|
