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 .

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.

50 150.

20 100.

1/((,.

5 10 15 1/((, мин (-½) 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 мин (-½).

Кривая водородного растрескивания Кривая водородного растрескивания кадмистали 30ХГСНА (катодная поляризарованной стали ЭИ643 (надрезанные образция 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.

65 16.

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.

Нержавеющие стали 40.

Конструкционные стали 30.

Водопроводная вода.

Морская вода.

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 .