ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Прочность и долговечность плановых сплавов при малоцикловом нагружении из "Циклическая и коррозионная прочность титановых сплавов " Коррозионное растрескивание, вызывающее в пластичном материале хрупкое разрушение при нагружении в агрессивной среде, является процессом многофакторным его действие зависит от условий нагружения и вида агрессивной среды, ряда металлургических факторов (химический состав и структура сплавов). [c.56] Многочисленные причины, вызывающие появление и развитие трещин при коррозионном растрескивании, сводятся к двум основным механизмам локальное анодное растворение в вершине трещины и водородное охрупчивание. Роль каждого зависит от состава сллава и его термической обработки, среды, условий нагружения и потенциала. Рассмотрим основнью положения этих механизмов. [c.56] Как видно из уравнения, значения /д, а следовательно, и V зависят от природы растворяющихся фаз, а также от сопряженных катодных реакций, протекающих на.других участках, величины тока на которых уравновешивают ток в вершине трещины. Поэтому исключительно большое значение приобретает химическая природа участков, на которых протекают анодная и катодная реакции, а также химический состав электролита (среды). Наблюдаемые скорости развития коррозионной трещины требуют высоких плотностей анодного тока, что в значительной мере может быть реализовано при активации вершины трещины за счет наличия в сплаве структурных составляющих (фаз или сегрегатов), способствующих образованию гальванического элемента. Отдельные фазы или сегрегации элементов сплава внутри твердого раствора могут действовать или в качестве многочисленных микроанодов, способствующих локальному растворению в вершине трещины, или в качестве катодов, которые способствуют локальному растворению прилегающих к ним слоев матрицы. Сегрегация элементов по границам зерен или сегрегация внутри зерен, особенно при образовании дальнего или ближнего порядка, представляет потенциальные участки, в которых возможно образование микроанодов. [c.57] Другой механизм, при котором возможно коррозионное растрескивание, заключается в образовании и развитии разрушения только за счет механических факторов. При этом предполагается [57], что коррозионная среда содержит ионы или компоненты, которые могут или диффундировать в металл, образуя хрупкую фазу (например, гидрид) в вершине трещины, или сегрегировать в районы, непосредственно прилегающие к трещине, способствуя зарождению новой трещины. В качестве специфического элемента обычно рассматривают водород, скорость диффузии которого может быть сопоставима со скоростью развития трещины. При этом многие исследователи [ 58 и др.] указывают на возможность образования гидридов, обладающих низкой пластичностью и вязкостью и затрудняющих пластическую деформацию металла перед вершиной трещины. По мнению В. А. Маричева и И. Л. Розенфельда [59, с. 5—9], следует учитывать эти возможности понижения когезивной прочности титановых сплавов под действием достаточно высокой концентрации водорода в твердом растворе. [c.58] Несмотря на большое количество факторов, влияющих на коррозионное растрескивание титана, нарушение защитного оксидного слоя является одним из необходимых (но недостаточных) условий для проявления коррозионного растрескивания. Рассмотрим этот вопрос более подробно. [c.59] Титану и его сплавам свойственна высокая химическая активность. Поэтому на их поверхности при выдержке на воздухе или в любой другой среде, содержащей свободный кислород, очень быстро образуется тонкая бездефектная оксидная пленка, прочно связанная с основным металлом. Оксид, образующийся на ювенильной поверхности титана на воздухе или в коррозионной среде, был идентифицирован как тетрагональная модификация диоксида титана —рутил. Толщина пленки оксида образовавшегося при 20°С на воздухе или в среде, как правило, находится в пределах 0,40-0,60 нм. До тех пор, пока пленка имеет малую толщину, она прочно связана с матрицей и не имеет дефектов на границе оксид—металл, вследствие чего она сохраняет достаточно высокую пластичность и деформируется вместе с металлом. В местах сильной локализации пластической деформации, где происходит разрыв пленки, практически мгновенно образуется новая защитная пленка тоже без дефектов на границе оксид—металл. Это происходит при отсутствии тормозящих факторов. [c.59] Таким образом, изменение состава коррозионной среды в результате процессов электрохимического растворения титана и накопления продуктов коррозии может в определенных условиях активизировать анодный процесс. Если в результате пластической деформации в коррозионной среде создается активная поверхность металла с достаточно большой плотностью анодного тока, а геометрические размеры щели таковы, что отсутствует обмен внутрищелевого раствора с основной средой, могут сложиться условия, когда процесс коррозионного растрескивания будет спонтанно развиваться. Поэтому возможность конвекционного обмена внутрищелевого раствора с окружающей средой в значительной степени зависит от степени раскрытия трещины, которая определяется величиной ядра упруго-пластической де формации в вершине трещины и пропорциональна отношению Ку а ) . Так как раскрытие трещины является макро-характеристикой, косвенно отражающей локальные пластические деформации в ее вершине, у материала с большой предельной пластичностью наблюдается и большее раскрытие краев дефекта до образования трещины в вершине. [c.63] Щербинин проанализировал фазовый состав продуктов коррозии, образовавшихся при механическом повреждении защитной оксидной пленки в нейтральном 3 %-ном растворе Ыа01. Оказалось, что продукты коррозии состоят на 50 % из чистого гидрида титана. Таким образом, и на поверхности излома коррозионного растрескивания, по всей вероятности, находятся гидриды титана, придающие ей темный цвет. О появлении гидридов может свидетельствовать и характер развития трещины при статическом и циклическом нагружениях. Измерение электрохимического потенциала при коррозионном растрескивании сплава ВТ5-1 показало, что трещина распространяется скачками и по мере ее углубления и интенсификации процесса коррозионного растрескивания частота скачков потенциала увеличивается. О прерывистом характере развития трещин при коррозионном растрескивании свидетельствует и анализ акустического спектра образца при разрушении. Если в самой начальной стадии роста трещин сигналы акустической эмиссии не регистрируются, то по мере удлинения трещины появляется скачкообразно нарастающее количество сигналов акустических импульсов. [c.64] Важную роль водорода при развитии коррозионной трещины отмечают авторы работы [67] на основании сопоставления характеристик роста трещин в газообразном водороде и водных растворах хлоридов. Они показали, что в водных средах рост трещин протекает с той же скоростью, что и в чистом водороде при давлении 10 МПа/м . [c.64] Выполненные в последние годы исследования по водородной хрупкости (а-ь/З) юплавов, в частности сплава Т1—6 % А1—4 % V, убедительно свидетельствуют о том, что в вершине трещины при нагружении происходит выделение гидридов вследствие диффузии к этим местам водорода. Расчеты показали, что скорости диффузии водорода и образования гидридов близки к скорости роста трещинь [ 68, 69]. Гидриды обнаружены в вершине трещины замедленного разрушения при исследовании фольг сплава Т1 — 6 % А1 — 4 % V на электронном микроскопе. Таким образом, диффузия водорода к вершине трещины и образование в подповерхностных слоях гидридов при коррозионном растрескивании не вызывают сомнений. [c.64] Сопоставление изложенного выше механизма с фрактографией разрушения титанового сплава типа ВТ5-1 наглядно показывает возможность перенесения основных положений, развитых Пикерингом, Цвеном и Эмбери, на случай коррозионного растрескивания титановых сплавов в водных растворах, что, по нашему мнению, более полно раскрывает природу процессов. [c.66] Из изложенного следует, что коррозионные туннели возникают и развиваются по вполне определенным кристаллографическим плоо остям в направлении, соответствующем минимальному сопротивлению пластической деформации. Это находит хорошее экспериментальное подтверждение при исследовании характера развития трещины коррозионного растрескивания. В пределах одного фрагмента (колонии а-фазы одной направленности) трещина имеет прямолинейный характер. Вместе с тем для коррозионного растрескивания характерно многочисленное ветвление трещины. Именно в результате ветвления трещины на металлографических шлифах, как правило, наблюдаются отдельные прямые трещины, не связанные с магистральной (рис. 39). Какова же при таком механизме роль скола Скол при коррозионном растрескивании появляется в результате восходящей диффузии водорода, адсорбированного стенками туннелей, в подповерхностные слои в вершине трещины в области максимальных напряжений. Скол происходит по выделившимся мелкодисперсным гидридам на плоскостях базиса. Оголяя ювенильную поверхность, скол позволяет коррозионной среде выбирать новую благоприятную кристаллографическую ориентировку в соседних плоскостях. Если скол не происходит, а туннели сочетаются с неблагоприятными ориентировками, процесс коррозионного растрескивания тормозится. [c.67] Таким образом, и образование коррозионных туннелей, вызванных анодным растворением локальных объемов, и скол, вызванный сегрегацией абсорбированного водорода в местах с максимальным уровнем напряжений, являются взаимосвязанными стадиями процесса коррозионного растрескивания. [c.69] Проиллюстрируем это на следующих примерах. [c.71] Фрактографическое исследование, излома образцов показало явно выраженные признаки коррозионного растрескивания (появление сколов) в образцах, где )3-фазы практически не было, и отсутствие его в образцах 2-й партии (нет сколов, хотя есть ручьевой узор, свидетельствующий о процессах анодного растворения). Таким образом, наличие Р-фазы в структуре резко уменьшает склонность к коррозионному растрескиванию. [c.72] Вместе с тем 0-сплав, в котором 0-фаза стабилизирована повышенным содержанием ванадия (3 % А1, 30 % V), не растрескивается независимо от уровня действующих напряжений, наличия концентраторов и ужесточения условий испытания. Вязкость разрушения в коррозионной среде у этого сплава достигает 155 МПакак при расчете по интенсивности напряжений при старте трещины, так и по интенсивности напряжений при торможении движущейся трещины. Аналогично ведут себя 0-сплавы, стабилизированные ванадием, молибденом, ниобием, танталом. В них 0-фаза гомогенна, не содержит сегрегатов, отличающихся по потенциалу от матрицы, и совершенно не склонна к коррозионному растрескиванию. Соответственно веДут себя и (а+ 0)-сплавы, легированные различными элементами. [c.73] Вопросам горячесолевого растрескивания посвящены многие десятки работ советских и зарубежных исследователей. Однако до сих пор не предложено рациональной гипотезы, объясняющей механизм горячесолевой коррозии. Более того, не установлены даже коррозионные реакции, способствующие зарождению разрушения. [c.73] Вернуться к основной статье