KOROZJA NAPRENIOWA W BLACHACH GRUBYCH W KIERUNKU Z W RODOWISKU WODY MORSKIEJ

Transkrypt

1 47/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN KOROZJA NAPRENIOWA W BLACHACH GRUBYCH W KIERUNKU Z W RODOWISKU WODY MORSKIEJ M. MAZUR 1, A. KADŁUCZKA 2 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Inynierii Materiałowej, Al. Jana Pawła II 37, Kraków STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki obserwacji przebiegu pkania korozyjnego blachy grubej ze stali S 355J2G3 wg. normy PN-EN Stwierdzono równoczesny wpływ napre i wodoru na ten proces. Key words: stress corrosion, low carbon steels, hydrogen degradation 1. WSTP Jednym z najbardziej niebezpiecznych rodzajów korozji stali i stopów jest korozja wspomagana napreniami (szczególnie rozcigajcymi). Pkaniu korozyjnemu przypisuje si 20 40% wszystkich strat spowodowanych korozj w przemyle chemicznym, petrochemicznym i celulozowo gumowym. Na proces korozyjnego pkania stali wywiera wpływ szereg wewntrznych i zewntrznych czynników, do których nale midzy innymi: stenie czynnika korozyjnego, ph roztworu, temperatura, czas, rodzaj i wielko naprenia, skład chemiczny i struktura stali. W obliczeniach elementów konstrukcji brane s pod uwag własnoci mechaniczne stali w tym m.in. odporno na pkanie, wyraon jako warto krytycznego współczynnika intensywnoci napre K IC. Najczciej zakłada si równie, e rodowisko pracy konstrukcji nie wywiera istotnego wpływu na jej ywotno. Takie warunki przyjto nazywa warunkami standardowymi. W przypadku wystpienia korozji napreniowej rodowisko moe znacznie 1 dr in., markmaz@neostrada.pl 2 dr in., anna@mech.pk.edu.pl

2 ogranicza okres pracy konstrukcji lub nawet doprowadzi do jej nagłego zniszczenia. Jednake samo działanie napre lub wpływ samego rodowiska przy małych napreniach nie wywołuje awarii konstrukcji. Aby zaistniało zjawisko pkania korozyjnego konieczne jest wspólne, jednoczesne działanie obu tych czynników. Pkanie korozyjne ma najczciej charakter nagły, mimo, e w pocztkowym okresie pracy konstrukcji, warto współczynnika intensywnoci napre jest mniejsza od jego wielkoci krytycznej K IC. Spowodowane jest to tym, e w miar upływu czasu nastpowa moe tzw. podkrytyczny rozwój obecnych lub nowopowstałych w materiale mikropkni. Po przekroczeniu pewnej krytycznej wielkoci pknicia a C nastpuje przekroczenie dopuszczalnej wartoci intensywnoci współczynnika K IC i zniszczenie danego elementu konstrukcji. Sam mechanizm pkania zwizany jest w głównej mierze z wnikaniem atomów wodoru do sieci krystalicznej elaza. 2. MATERIAŁ DO BADA Materiałem do bada była niskostopowa stal konstrukcyjna spawalna w gatunku S 355J2G3 wg. normy PN-EN o strukturze ferrytyczno perlitycznej. Próbki do bada wycito z blachy o gruboci 45 mm z kierunku z (z gruboci blachy). Skład chemiczny i własnoci mechaniczne badanej stali przedstawiono w tabeli1 i 2. Tabela 1. Skład chemiczny Table 1. Chemical composition stal C Mn Si P S Cu Cr Mo Ni S 355J2G3 0,15 1,43 0,37 0,013 0,006 0,23 0,04 0,01 0,07 Tabela.2 Wyniki bada własnoci mechanicznych Table 2. Mechanical properties KV [J/cm 2 ] R m [MPa] R 02 [MPa] A 5 [%] HRB wzdłuna poprzeczna , Do bada korozji napreniowej postanowiono wykorzysta metod zwan wspornikow prób Browna [1]. Jest to metoda przyspieszonej oceny odpornoci tworzywa na korozj napreniow podczas której, dodatkowo, mona stworzy korzystne warunki intensyfikujce wnikanie wodoru do stali ( w postaci koncentratorów napre, którymi były jednostronne karby o znikomo małych promieniach zaokrglenia wierzchołków). Generalnie próba polega na pomiarze ugicia próbki w funkcji czasu trwania próby a do momentu jej zerwania lub braku przyrostów ugicia. Do bada uyto piciu próbek o wymiarach 6 x 12 x 120 mm z nacitymi karbami na głboko 3 mm i wprowadzonymi szczelinami zmczeniowymi o długoci 1 mm. Próbki obciano tak, aby naprenie zginajce w miejscu karbu wynosiło 0,8 granicy plastycznoci. Na rysunku 1 i 2 pokazano schemat i fotografi stanowiska badawczego. 410

3 Rys. 1. Schemat stanowiska do bada korozji napreniowej Fig. 1. Scheme of test machine for SCC investigation Rys. 2. Pojedyncze stanowisko do bada korozji napreniowej Fig. 2. Single test machine for SCC investigation 411

4 Podczas bada próbki zanurzone były w silnie napowietrzanym 3,5 % roztworze wodnym NaCl. Tak przygotowany orodek korozyjny odpowiada rzeczywistej sytuacji, w której konstrukcja stalowa ulega najszybszej korozji w wodzie morskiej gdy znajduje si w strefie najczstszego opłukiwania jej powierzchni podczas np. napierania fal [2]. Na rysunku 3 pokazano sposób zamocowania w urzdzeniu próbki, której karb jest zanurzony w pojemniku z orodkiem korozyjnym. Rys. 3. Sposób zamocowania próbki wraz z pojemnikiem z orodkiem korozyjnym podczas prób korozyjnych Fig. 3. Specimen in corrosion vessel 3. WYNIKI BADA Na rysunku 4 pokazano przykładowy wykres zmian ugicia próbki ze stali S 355J2G3 podczas bada korozyjnych, natomiast na rysunku 5 powikszony pocztkowy odcinek tego wykresu. 412

5 6 5 zmiana połoenia czujnika [mm] czas [h] Rys. 4. Przykładowy wykres dla próbek ze stali S 355J2G3 Fig. 4. Example diagram for S 355J2G3 steel samples 1 zmiana połoenia czujnika [mm] czas [h] Rys. 5. Powikszony pocztkowy fragment wykresu z rys. 4 Fig. 5. Magnify of first stage of diagram from fig

6 Wynika z nich, e w pocztkowym okresie próby decydujcy wpływ na wskazania czujnika ugicia belki miało spryste odkształcanie si próbek. Na tym etapie nie zaobserwowano działania karbu zmczeniowego (rys. 5). Dopiero po relaksacji napre, co zwykle nastpowało po około 12 godzinach zauwaano rozchylanie si dna karbu i pocztek trwałego odkształcania si próbek (rys. 4 odcinek pomidzy 12 a 950 godzin) wiadczce o stabilnym i stosunkowo wolnym wzrocie pknicia korozyjnego. Znalazło to potwierdzenie w wynikach obserwacji przełomów próbek pod mikroskopem skaningowym (rys. 6 8). Rys. 6. Przełom cigliwy pod karbem zmczeniowym Fig. 6. Ductil fracture under fatigue notch Rys. 7. Przełom próbki po badaniach korozyjnych spkania pod karbem zmczeniowym Fig. 7. Specimen after SCC investigation microcracks under fatigue notch Rys. 8. Produkty korozyjne w strefie przejciowej na przełomie próbki po badaniach korozyjnych Fig. 8. Specimen after SCC investigation - corrosion products Rys. 9. Przełom próbki po badaniach korozyjnych strefa niestabilnego wzrostu pknicia korozyjnego Fig. 9. Specimen after SCC investigation non-stability stage of corrosion fracture with dimples surface 414

7 Dalszy przebieg pkania próbek, w czasie powyej 950 godzin, miał charakter niestabilny skokowy (rys. 4). Obserwowano zarówno gwałtowne przyspieszania tego procesu jak i jego stabilny, wolny wzrost. Na przełomach próbek odpowiadajcych temu zakresowi wykresu, stwierdzono obecno przełomów o charakterze mieszanym plastyczno kruchym (rys. 9). Przełom kruchy (rys ) rozpoczynał si zwykle w pobliu tzw. przełomu dołeczkowego [3]. Rys. 10. Przełom dołeczkowy Fig. 10. SEM dimples surface Rys.11. Przełom próbki po badaniach korozyjnych w pobliu przełomu dołeczkowego Fig. 11. Fracture surface near dimples zone Przedstawione zmiany charakteru przełomów: przełom cigliwy dołeczkowy kruchy opisywane s w literaturze naukowej jako wiadectwo obecnoci wodoru w mikrostrukturze stali. W zwizku z tym mona postawi tez, e obserwowane na wykresie (rys. 4) gwałtowne przypieszanie procesu pkania jest wynikiem równoczesnego działania przyłoonego do próbki naprenia jak i wodoru. Wnikaniu wodoru do struktury stali sprzyjały: obecno w próbce pknicia zmczeniowego (tworzenie si tzw. klasterów wodorowych przed frontem pknicia), cechy mikrostruktury stali (obecno struktur pasmowych) silne napowietrzenie roztworu oraz długi czas stabilnego wzrostu pknicia korozyjnego, który poprzedzał pkanie niestabilne. LITERATURA [1] Brown B.F.: The Theory of Stress Corrosion Cracking in Alloys, Wyd. NATO, Brussels, (1971). [2] Akimoff G. W., Rosenfeld I. L.: Sbornik korozji metalow, Wyd. Moskwa (1999). [3] Praca zbiorowa: Wodorowe i korozyjne niszczenie metali, Wyd. PWN, Warszawa (1989). 415

8 STRESS CORROSION CRACKING (SCC) IN THICK STEEL PLATES IN Z DIRECTION IN SEE- WATER ENVIRONMENT SUMMARY The modeling of Stress Corrosion Cracking (SCC) is probably one of the most delicate challenges issued to corrosion engineers and scientists. The difficulty is mainly due to the involvement in the global process of three a prior distinct phenomena: crack initiation, crack slow propagation and crack fast propagation. An overview of SCC results in 18G2A steel are presented. The correlation was established between stress corrosion crack rates and hydrogen degradation in crack fast propagation zone. Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski. 416