Влияние температуры и коррозионно-активной среды на свойства металлов под напряжением при статических и циклических нагружениях
Влияние температуры и коррозионно-активной среды на свойства металлов под напряжением при статических и циклических нагружениях
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| |ратура |
| | |Темпе | |
| | | (С| (К |
|Твёрдая |Размельчённый сухой лёд со |-40 ( |233 ( 203 |
|углекислота |спиртом или |-70 | |
|(сухой лёд ) |ацетоном | | |
| Жидкий азот |Жидкий азот со спиртом или | | 173 |
| |бензином |-100 | |
| |Жидкий азот с петролеумным | - | 153 |
| |эфиром |120 | |
| |Жидкий азот с изолентаном | | 113 |
| | |-160 | |
|Жидкий кислород|------- | | 90 |
| | |-183 | |
|Жидкий азот |------- | | 77 |
| | |-196 | |
|Жидкий неон |------- | | 27 |
| | |-246 | |
|Жидкий водород |------- | | 20|
| | |-253 | |
|Жидкий гелий |------- | | 4 |
| | |-269 | |
|Жидкий гелий |------- | | 1,6|
|( с откачкой ) | |-271,5 | |
|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
:
1. хрупкий характер разрушения .
2. направление трещин перпендикулярно растягивающим напряжениям ; при
этом трещины имеют межкристаллитный или транскристаллитный , или ,
наконец , смешанный характер.
3. 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 :
1. путём приложения постоянной нагрузки .
2. 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 :
1. состав коррозионной среды ,
2. химический и фазовый составы сплава ,
3. термическая обработка ,
4. состояние поверхностного слоя ,
5. 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-
1. пресная камера ;
2. индустриальная атмосфера ;
3. 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 250(С , то для стали
40ХН2СВА (ЭИ643) , содержащей больше легирующих элементов , тормозящих
диффузию углерода - при 400(С .
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 .
1. Под редакцией Туманова А. Т. “ Методы исследования механических
свойств металлов ”. Том 2 , Москва , “Машиностроение” , 1974 год.
2. Под редакцией В. А. Винокурова “Сварка в машиностроении” , том 3 ,
Москва , “Машиностроение” , 1979 год .
3. Рахштадт А. Г. , Геллер Ю. А. “Металловедение” , Москва , 1994 год .
4. А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа , 1995 год . |
