Влияние температуры и коррозионно-активной среды на свойства металлов под напряжением при статических и циклических нагружениях

8



Исследование механических свойств материалов при низких температурах.

		Для определения механических свойств при низких температурах используют те же стандартные методы , что и для исследований их при комнатной или повышенной температуре .

		Главным узлом всякой установки для испытаний при низких температурах является ванна (криостат) , обеспечивающая необходимые условия. При испытаниях до температуры -77К ( -196С - температура жидкого азота ) применяются двухстенные ванны из красной меди , латуни или нержавеющей стали с войлочной изоляцией . При температурах ниже -77К криостат состоит в большинстве случаев из двух вставленных друг в друга стеклянных или металлических сосудов Дьюара , пространство между которыми заполнено жидким азотом .

		Температура до 153К измеряется термометрами (спиртовыми , толуоловыми , пентановыми ) , ниже 153К - термопарами ( пластиновыми , медь-константовыми ) . Иногда температура помещённого  в охлаждающую среду образца определяется по прекращению кипения зеркала жидкости , при этом считается , что он принял температуру хладагента . 

	

	      Хладагент

	              Охлаждающая смесь

	        Темпе

	ратура

	

	

	      С

	       К

	Твёрдая углекислота 

	         (сухой лёд )

	Размельчённый сухой лёд со спиртом или 

	ацетоном 

	-40  -70

	233  203

	 Жидкий азот

	Жидкий азот со спиртом или бензином

	      -100

	      173

	

	Жидкий азот с петролеумным эфиром

	      - 120 

	      153

	

	Жидкий азот с изолентаном

	      -160

	      113

	Жидкий кислород

	-------

	      -183

	      90

	Жидкий азот

	-------

	      -196

	       77

	Жидкий неон

	-------

	       -246

	       27

	Жидкий водород

	-------

	       -253

	        20

	Жидкий гелий

	-------

	       -269

	        4

	Жидкий гелий 

	( с откачкой )

	-------

	       -271,5

	       1,6

	Гелий-3 ( с откачкой )

	-------

	       -272,8

	        0,3

	

		Определение склонности сплавов к коррозионному растрескиванию при постоянных нагрузках .

		При одновременном действии статических растягивающих напряжений ( внешних или внутренних ) и коррозионной среды многие сплавы подвержены коррозионному растрескиванию .

		Характерными особенностями коррозионного растрескивания являются :

	хрупкий характер разрушения .

	направление трещин перпендикулярно растягивающим напряжениям ; при этом трещины имеют межкристаллитный или транскристаллитный , или , наконец , смешанный характер.

	зависимость времени до растягивания от величины растягивающих напряжений : с уменьшением растягивающих напряжений время до растрескивания увеличивается.

		Коррозионному растрескиванию подвержены алюминиевые сплавы типа дуралюмина , сплавы систем Al-Mg , Al-Mg-Zn , Al-Mg-Cu , мягкие стали , коррозионные стали , медные сплавы , высокопрочные низколегированные стали , магниевые сплавы и др.

		Большинство исследователей считают , что процесс коррозионного растрескивания имеет электрохимическую природу . Образование трещин при коррозии под напряжением сплавов связывается с возникновением гальванического элемента “концентратор напряжений (анод) - остальная поверхность (катод)” , с ускорением процесса распада пересыщенных твёрдых растворов , в результате чего возникают местные гальванические элементы и коррозионные трещины развиваются вследствие растворения вновь образующихся анодных участков , с механическим разрушением плёнок  , избирательной коррозией пересыщенных твёрдых растворов , изменением внутренней энергии , абсорбции поверхностно-активных анионов и катионов среды и др.

		Изучение кинетики развития трещины при коррозии под напряжением высокопрочных сталей методом электросопротивления показало , что процесс развития трещин складывается из трёх этапов . На первом этапе образуется коррозионная трещина . На втором этапе происходит скачкообразное развитие трещины , что свидетельствует о значительной роли механического фактора . Переход от первого этапа ко второму сопровождается значительным увеличением скорости развития трещины . На третьем этапе происходит лавинообразное развитие трещины  .

		При определении склонности сплавов к коррозионному растрескиванию растягивающие напряжения в образцах создаются двумя способами :

	путём приложения постоянной нагрузки .

	путём сообщения образцу постоянной деформации ( изгиб ) .

		Полная характеристика склонности сплава к коррозионному растрескиванию может быть получена путём снятия кривых коррозионного растрескивания от величины растягивающих напряжений .

	

		          , кг/мм(2)                 Рис. 1	Кривая коррозионного растрескивания 			стали 30ХГСНА в камере с распылённым                       150		3 % NaCl .

	

	    

	100

	

	   

	50

	

	       0         25          50            75         , сутки

	

	 	Образование коррозионных трещин связано с неравномерным увеличением скорости коррозии сплава при приложении растягивающих напряжений . Если v1- cкорость коррозии в месте концентрации напряжений , v2 - скорость коррозии на остальной поверхности сплава , то образование коррозионной трещины будет происходить при напряжениях , когда v1  v2  . Чем больше разность скоростей коррозии v1 - v2 , тем больше склонность сплава к коррозионному растрескиванию . Эти положения лежат в основе уравнения кривой коррозионного растрескивания .

					(1)	(-кр )  = К , где

	 - извне приложенное растягивающее напряжение ;

	кр - критическое напряжение , ниже которого не происходит коррозионного растрескивания ;

	- время до растрескивания ;

	К - константа , характеризующая меру увеличения скорости распространения коррозионной трещины (1/) при увеличении растягивающих напряжений . Чем больше К , тем в меньшей степени увеличивается скорость распространения трещины при увеличении растягивающих напряжений .

		При извне приложенных напряжениях , равных или меньше кр , коррозионного растрескивания не происходит . Величина кр является основной количественной характеристикой сопротивления сплава коррозионному растрескиванию , чем выше  кр , тем выше сопротивление сплава коррозионному растрескиванию . Уравнению (1) удовлетворяют экспериментальные данные по коррозионному растрескиванию низколегированных высокопрочных конструкционных сталей в кислых , нейтральных и щелочных растворах и во влажной среде ; латуни в растворе аммиака ; низколегированных мягких сталей в растворе азотнокислого аммония , щелочи ; алюминиевого сплава В96 в 3 % растворе NaCl ; магниевого сплава МА2-1 в атмосферных условиях и МА3 в растворе NaCl + K2Cr2O7 ; ряда коррозионностойких сталей в 3 % растворе NaOH + 0,15% NaCl при повышенной температуре .

		На рисунке (2) приведена кривая коррозионного растрескивания  - латуни в растворе аммиака ( плотность 0,94 ) при полном погружении : 

	

			   ,  кг/мм(2)	Обращает на себя внимание тот факт , что 		для латуни в растворе аммиака 			  8	критическое напряжение меньше нуля 

		                     	( -23,1 Мн/м(2) или 2,31 кг/мм(2) ) . Это 	  6	указывает на возможность её 				коррозионного растрескивания в 		   4	отсутствии извне приложенных 			  2	напряжений ( за счёт внутренних 			напряжений ) .

		               10  14  18  22  26  30  34        , час

		

			В указанных условиях для  - латуни кривая коррозионного растрескивания описывается уравнением :

					(  + 2,31 )= 115,6 кг/{мм(2)*ч};

		На величину критического напряжения оказывают влияние :

	состав коррозионной среды ,

	химический и фазовый составы сплава ,

	термическая обработка ,

	состояние поверхностного слоя ,

	величина и характер внутренних напряжений .

	

		Низколегированные высокопрочные стали типа 30ХГСНА обнаруживают коррозионное растрескивание в кислых , нейтральных , щелочных растворах и во влажной атмосфере . Между результатами испытаний на коррозии . Под напряжением высокопрочных сталей во влажной атмосфере ( атмосфера индустриального района , пресная , тропическая камера , и камера с распылением 3%-го раствора NaCl ) и в 20%-ном растворе серной кислоты с добавкой 30 г/л NaCl имеется определённая связь : чем больше критическое напряжение в указанном растворе , тем больше время до растрескивания напряжённых образцов во влажной атмосфере .

			Рис. 3	Зависимость времени растрескивания 				высокопрочных сталей при напряжении 			145 кг/мм(2) от величины кр .	        	

		 150                  1-

			     		

			пресная камера ;

		индустриальная атмосфера ;

		тропическая камера ;

		50	2                   3-           4- 	4.	камера с распылением 3%-го NaCl ( 20% 				раствор H2SO4 c добавкой NaCl (30 г/л) ).	

				

		       0   10   20   30   40    50   60   70   кр (кг/мм(2))

		

			Одним из важных факторов , определяющих сопротивление высокопрочных сталей коррозионному растрескиванию , является характер и величина внутренних напряжений в поверхностном слое . С увеличением внутренних растягивающих напряжений сопротивление стали коррозионному растрескиванию понижается . Создание сжимающих напряжений в поверхностном слое обкаткой , вибронаклёпом , обдувкой чугунным , кварцевым или корундовым песком повышает сопротивление стали коррозионному растрескиванию . Увеличение содержания углерода в -Fe приводит к увеличению внутренних напряжений , в результате чего критическое напряжение стали понижается . Чем больше содержание легирующих элементов , затрудняющих диффузию углерода , тем выше температура отпуска , при которой наблюдается понижение сопротивления стали коррозионному растрескиванию . Так , если для стали 30ХГСНА понижение кр наблюдается после отпуска при 250С , то для стали 40ХН2СВА (ЭИ643) , содержащей больше легирующих элементов , тормозящих диффузию углерода - при 400С .

			При дальнейшем повышении температуры отпуска сопротивление стали коррозионному растрескиванию повышается .

			При коррозии под напряжением с водородной деполяризацией может происходить наводораживание и связанное с этим ухудшение механических свойств стали . Высказываются соображения , что наблюдаемое в указанных условиях растрескивание стали происходит не вследствие увеличения скорости коррозии при положении растягивающих напряжений , а за счёт наводораживания ( водородное растрескивание ) . С другой стороны , если исходить из адсорбционной гипотезы влияния водорода на механические свойства стали и допустить , что сопротивление хрупкому разрушению стали линейно уменьшается с увеличением концентрации адсорбированного водорода , то зависимость времени до растрескивания от величины извне приложенных растягивающих напряжений можно описать уравнением :

			

			 (2)	( - А) = Кн , или        =  А + Кн (1/) , где  Кн - константа ;

						А - сопротивление хрупкому 				разрушению стали при данной 				концентрации адсорбированного 			водорода ;

			

				Экспериментальные данные по водородному растрескиванию при катодной поляризации в кислых и щелочных растворах (Рис. 4) удовлетворяют уравнению (2) . Зависимость времени до растрескивания наводороженной при кадмировании стали от величины растягивающих напряжений ( Рис. 5) также описывается уравнением (2) . 

			

				 , кг/мм(2)      Рис. 4	      , кг/мм(2)	Рис. 5					                                         

				   70		     200  	

					   60		

			   50                       	     150

			   40

			   30			

			   20		      100	

			   10

										  1/ ,	

				                 5           10          15      1/ , мин(-1/2)   0,02 	0,04	0,06  0,08  0,1  мин(-1/2)

					

					Кривая водородного растрескивания		Кривая водородного растрескивания кадми-

					стали 30ХГСНА (катодная поляриза-		рованной стали ЭИ643 (надрезанные образ-

					ция при 1А/дм(2) в 20%-ном H2SO4 +		цы ) .

				+ NaCl (30 г/л) ) .

			

				Как видно из рисунка 5 , при изображении экспериментальных данных по водородному растрескивания кадмированной стали в координатах , 1/ получаем прямую , что находится в соответствии с уравнением (2) .

				Таким образом , различная функциональная зависимость  от  при водородном и коррозионном растрескивании , уравнения (1) и (2) позволяют различать эти явления .

			

				        Влияние среды на разрушения сплавов при циклических 	                        	                                         нагружениях .

				

				Коррозионная усталость металла - процесс постепенного накопления повреждений , обусловленных одновременным воздействием переменных нагрузок и коррозионно-активной среды , которые приводят к уменьшению долговечности и снижению запаса циклической прочности .

				Под воздействием коррозионных сред значительно снижается усталостная прочность сталей и сплавов . Величина снижения в большинстве случаев зависит от коррозионной стойкости материала . Следует отметить , что структурное состояние стали влияет на предел коррозионной усталости . Наиболее неблагоприятна структура низкого отпуска . Показатели коррозионной усталости сталей после закалки и отпуска ниже чем нормализованных и отожженных .

				Наиболее низкое значение предела коррозионной усталости свойственно сталям (некоррозионностойким ) с мартенситной структурой . При в , равном 170-200 кг/мм(2) , предел коррозионной усталости не превышает 15 кг/мм(2) (рис. 6) .

				Повышение предела выносливости на воздухе не увеличивает выносливость в коррозионной среде . Предел коррозионной усталости коррозионностойких сталей обычно пропорционален пределу прочности при растяжении (см. рис. 6 ) до 130-140 кг/мм(2) .

				Сплавы титана не чувствительны к воздействию коррозионных сред в условиях переменных нагрузок . Пассивность титана обусловлена наличием на его поверхности окисной плёнки, не имеющей пор. Существует мнение , что в окисных плёнках возникают остаточные напряжения сжатия . По некоторым данным , в растворах хлоридов при наличии острого концентратора типа трещины или острого надреза невосприимчивость титановых сплавов к воздействию среды исчезает . Долговечность образцов с трещиной в морской воде ниже долговечности на воздухе .

				Предел выносливости алюминиевых и магниевых сплавов снижается от воздействия среды в 1,8 - 3 раза . Сопротивление усталости медных сплавов при испытании в пресной и морской воде снижается незначительно.

				Для всех материалов последовательное действие напряжений и коррозионной среды менее опасно , чем одновременное .

				Характерным для коррозионной устойчивости является появление на поверхности образцов гораздо большего числа трещин , чем у испытываемых на воздухе .

			

				                        а)				б)

			  , кг/мм(2)	          ,   кг/мм(2)  

			  	   

			   80		       24

			   75		       22	

			   70 		

			   65		       16	

			

			                        	      12

			    

					       10	

			

			   12		         8	

				             10(5)  10(6)        10(7)     N	                        10(5)   10(6)   10(7)        N

			

				Рис. 6 . Кривые коррозионной усталости стали 30ХГСНА (а) и алюминиевого сплава Д1 (б) .

				      - испытания на воздухе ;

				      - испытания в водопроводной воде (полное погружение) ;	

			

				На кривой коррозионной усталости металлов отсутствует горизонтальный участок  , и даже при очень большом числе циклов она остаётся наклонной к оси абсцисс , при этом угол наклона с увеличением базы может уменьшаться (рис. 7) .

				Предел коррозионной усталости в значительной степени зависит от частоты нагружений , причём эта зависимость обнаруживается в области частот до 50 Гц . Это связанно с тем , что для большинства материалов время нахождения под воздействием среды вносит существенную поправку в получаемые результаты . Поэтому увеличение частоты нагружений с десятков циклов в минуту до десятков тысяч циклов в минуту вызывает повышение характеристик коррозионной усталости .

				Сопоставляя влияние концентрации напряжений при испытании на воздухе и в коррозионной среде , можно отметить , что при испытаниях на коррозионную усталость действие концентраторов напряжений ослабляется . С повышением длительности испытаний ( понижением уровня напряжений ) увеличивается роль коррозионного фактора , определяющего снижение предела коррозионной усталости образца с надрезом и сглаживается влияние остроты надреза .

				Для нержавеющих сталей , склонных к щелевой коррозии , наличие острых концентраторов при коррозионной усталости оказывается значительно более опасным , чем в условиях обычной усталости .

				Проявление масштабного фактора в условиях коррозионной среды отличается от наблюдаемого на воздухе . когда с увеличением диаметра образца предел выносливости металла уменьшается . С увеличением диаметра образца предел его коррозионной усталости увеличивается . Для стали . например , изменение  диаметра образца с 5 до 40 мм , приводит к повышению предела коррозионной усталости на 46% . При наличии концентрации напряжений проявление масштабного эффекта усиливается .

				Состав среды является одним из основных факторов , определяющих снижение циклической прочности металла . Однако для разных материалов наиболее опасным оказываются различные среды .

				В условиях циклических нагружений атмосфера не является инертной средой . Влияние атмосферы зависит от количества находящейся в ней влаги . Так , повышение относительной влажности с 58 до 100% снижает предел коррозионной усталости сталей на 4 - 5 кг/мм(2) .

				Предел коррозионной усталости алюминиевого сплава Д16-Т при полном погружении в раствор хлористого натрия составляет 5 кг/мм(2) , а при подаче каплями- 9 кг/мм(2) . Это объясняется тем , что пассивирующий эффект кислорода воздуха в большей степени проявляется при коррозионной усталости металлов , образующих с ним окисные или гидроокисные защитные плёнки . поэтому выносливость алюминиевого сплава возрастает с увеличением аэрации , чего не наблюдается у сталей .

				В подавляющем большинстве исследований коррозионно-усталостная прочность металлов определялась в 3%-ном растворе NaCl , значительно снижающем усталостную прочность сталей и алюминиевых сплавов . Прочность металла в конструкциях , эксплуатирующихся в слабоагрессивных средах , значительно выше .

			

			   -1 , кг/мм(2)                           Рис. 5

				  					

				         Конструкционные стали ,

				         нержавеющие стали

			 70

				                                                           Воздух

			 60		

			

			 50

			

					        Нержавеющие стали	

			 40

			

					Конструкционные стали

			 30

				                              Водопроводная вода

					

				                                       Морская вода	

			   0

				    20    40     60   80  100   120   140  160  180   200  220   240	в, кг/мм(2)			

				График зависимости предела коррозионной усталости от предела прочности для различных сталей .

					СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ , ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ПРИ НАПИСАНИИ ДОКЛАДА .

				

				Под редакцией Туманова А. Т. “ Методы исследования механических свойств металлов ”. Том 2 , Москва , “Машиностроение” , 1974 год.

				Под редакцией В. А. Винокурова “Сварка в машиностроении” , том 3 , Москва , “Машиностроение” , 1979 год .

				Рахштадт А. Г. , Геллер Ю. А. “Металловедение” , Москва , 1994 год .

				А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа , 1995 год .