НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - 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 .