ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм процесса КР алюминиевых сплавов из "Достижения науки о коррозии и технология защиты от нее. Коррозионное растрескивание металлов " Во-первых, количественные экспериментальные данные по КР только недавно стали доступными [44, 44а, 45, 67—70, 74—76, 83, 134, 166, 201—205]. Большинство данных, приведенных в этой книге, публикуются впервые. [c.282] Во-вторых, теоретическая разработка процессов КР для того, чтобы понять основной механизм, должна вестись на атомном уровне вблизи вершины трещины. Однако на этом уровне наблюдения за развитием трещины вблизи ее верщины либо очень трудны, либо совсем невозможны. Поэтому основные положения большинства теорий не могут быть подтверждены прямо. [c.282] В-третьих, сложность вопроса заключается в том, что при разработке теории должны учитываться механические, химические и металлургические аспекты. Эти три аспекта взаимосвязаны между собой, что было очевидно из предыдущих разделов. Поэтому значительный прогресс в понимании КР может быть достигнут только при одновременном исследовании специальными исследовательскими группами комбинации параметров вязкости разрушения, химии (особенно электрохимии) процесса и металлургии. Традиция и отсутствие фондов препятствуют образованию таких исследовательских групп. [c.282] Имеются два главных вопроса теоретической основы процесса КР, на которые необходимо ответить. Что заставляет трещину расти Что ограничивает скорость ее роста Для того чтобы компенсировать энергию, необходимую для роста трещины, среда или ее компоненты должны реагировать с металлом вблизи вершины трещины. В зависимости от предполагаемого местоположения и характера реакции разрушения напряженного металла гипотезы, дающие объяснения природы КР, могут быть разделены на две группы. [c.282] Гипотеза КР, по которой процесс растрескивания активируется растворение.м [206—210], принадлежит к группе, которая основывается на предположении, что КР высокопрочных алюминиевых сплавов является разновидностью межкристал-литной коррозии, ускоряемой первоначальным механическим разрушением или разрывом защитной пленки по фронту трещины [129, 211]. [c.282] Растворение в общем случае предполагает удаление слоя твердого материала вдоль пути движения трещины. Такой слой может быть очень неболь-щим, в предельном случае это только монослой металла по стенке трещины, который реагирует в зоне верщины. Таким образом, в этом случае может и не быть принципиального различия между гипотезой растворения и гипотезой, согласно которой адсорбция или хемсорбция в вершине трещины являются основными процессами, разрушающими напряженные химические связи между атомами металла в вершине трещины [212, 2 13], так как адсорбция является первой стадией процесса растворения. Реакции, происходящие на поверхности, могут быть представлены в виде последовательных стадий, из которых самые медленные будут определять скорость полного процесса (т. е. скорость роста трещины). Возможными стадиями являются 1) транспорт реагентов к поверхности 2) адсорбция реагентов 3) реакции на поверхности 4) десорбция продуктов реакций 5) перенос выделенных продуктов с поверхности в объем раствора. Трудность состоит в том, чтобы предсказать теоретически стадию, определяющую скорость, так как это зависит не только от данной комбинации материал — среда, но и от коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины. [c.282] Ни на один из вышеперечисленных вопросов в теории все еще нет удовлетворительных ответов. Те небольшие знания, которыми в настоящее время располагают исследователи, будут отмечены в последующих разделах. [c.283] Наиболее успешные результаты могут быть достигнуты при создании реальной модели механизмов КР и его модификаций, подтвержденных экспериментальными данными. Научная значимость предложенных моделей будет небольшой, если количественные данные будут отличаться от предполагаемых. Только посредством модификации (развития) рабочих гипотез можно достичь разработки реальной модели механизма КР. [c.283] Следующее обсуждение разбито на три части в зависимости от того, какой аспект будет преобладать механический, химический или металлургический. Последующее обсуждение рассмотренных в предыдущих разделах результатов (влияние напряжений, среды, металлургических аспектов) показывает, насколько мы далеки от количественной теории, объединяющей все три фактора. Обсуждение особенно должно быть сосредоточено на количественной стороне предполагаемой теории, точно так же как в предыдущих разделах особое внимание уделялось качественным данным по КР. Конечно, разработанная теория дол кна подтверждаться и всеми качественными наблюдениями. [c.283] Одна из моделей предполагаемого роста коррозионной трещины основана на том, что ее скорость контролируется кинетикой химических реакций между твердым металлом и средой, которая заполняет трещину [207, 208]. Так как химические реакции — это термически активируемый процесс, то КР также должно быть активируемым процесеом. К тому же энергия активации процесса КР должна зависеть от напряжений, и реакции должны проходить более быстро там, где поле напряжений наибольшее. [c.284] Сравнение результатов, полученных расчетом с использованием уравнений (8) II (7), с данными рис. 62 показывает, что предсказания теории находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными роста трещины в области / кривой v—К. Теория предсказывает линейную связь между логарифмом скорости трещины и коэффициентом интенсивности в вершине трещины. Экспериментальные результаты по скорости роста коррозионной трещины для области /, представленные в разделе по влиянию среды, показывают, что действительно прямая линия в полулогарифмических координатах является наиболее подходящим выражением экспериментальных данных (см., например, рис. 49). [c.284] Форма расчетной кривой, которая получается по максимальным значениям напряжений, зависит от скорости, которая имеет место в области 7 роста трещины [202]. Результаты показывают, что максимальный наклон кривой V —К в области 7 составляет 3,2 (МПа-м й)-, если напряжения в вершине трещины достигают теоретического предела. Экспериментально наблюдаемые значения наклона области 7 на кривых v—7( для высокопрочных алюминиевых сплавов находятся обычно в пределах от 0,65—1,65 (МПа-м й)-. Это дает основание полагать, что если анализ [202] корректен, то предельно высокие значения напряжений ( 7 /20) достигаются вблизи вершины трещины. [c.284] Согласно уравнению (8), наклон области 7 на кривой v—К должен уменьшаться по мере того, как радиус кривизны конца трещины увеличивается. Таким образом, анализ [207, 208, 210] должен предсказывать снижение зависимости скорости роста трещин в сплавах при понижении предела текучести, поскольку соответственно увеличивается релаксация напряжений в пластической зоне. Рис. 117 и 118 действительно подтверждают это предположение. Если, как полагают некоторые исследователи [166], пластическая зона впереди вершины трещины распространяется в зоне, свободной от выделений, вдоль границ зерен в высокопрочных алюминиевых сплавах, то очень узкая зона, свободная от выделений, должна приводить к более крутому подъему области 7 на кривой V—к. Такой характер кривых наблюдался на практике [166]. Однако следует напомнить, что ширина пластической зоны обычно на несколько порядков больше ширины зоны, свободной от выделений. Например, на рис. 106 показано, что пластическая деформация распространяется в области от одного до трех близлежащих от трещины зерен. [c.284] Таким образом, видно, что представленная модель достаточно хорошо подтверждается экспериментальными данными по КР. Эта модель находится также в хорошем соответствии с влиянием среды и с электрохимическими гипотезами роста коррозионных трещин, которые будут обсуждаться позднее, включая предположение, что растворение происходит в вершине трещины. [c.285] К критическим замечаниям предложенной модели можно отнести следующие. Модель не позволяет точно определить, как напряжения в вершине трещины увеличивают скорость растворения. Из нее не ясно, как напряжения, достигшие значений /20, могут быть созданы вблизи вершины трещины, где определенно происходит релаксация напряжений в пластической зоне. Радиус кривизны трещины в ее вершине может быть измерен непосредственно. На энергию образования новых поверхностей при разрушении влияет пластическая деформация, происходящая вблизи вершины трещины, н поэтому она не может быть измерена непосредственно. [c.285] Согласно модели в агрессивной среде значение 8с может понизиться, вызывая разрушение объемов в результате химического воздействия на внешний его периметр со скоростью Os. Под скоростью Os следует понимать скорость растворения, хотя химическое воздействие может быть процессом, который снижает несущую способность этих объемов. Модель показывает, что эта скорость растворения о может быть очень небольшой и составлять 1% от наблюдаемой скорости роста трещины в области II на кривой v—К для алюминиевых сплавов, что позволяет считать уравнение (9) корректным. Данная модель не дает возможности рассчитать скорость роста коррозионной трещины в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины. [c.285] К сожалению, величина dr не может быть измерена непосредственно таким-образом, эта модель не дает возможности определить Кгнр. Однако размер dr может быть установлен из уравнения (9), если соблюдены условия плоской деформации и для сплава известна кривая напряжение — деформация. Полученное таким образом для сплава 7075-Т6- значение dr составило 1,3 мкм и 7 iKp = 5 МПа-м /з. Этот результат сравним с экспериментальным результатом 6,6—7,7 МПа-м /г (см. предыдущие разделы). [c.285] Сопоставление уравнений (11) и (7) показывает, что эта теория точно предсказывает зависимость скорости роста трещины от напряжений и зависимость ее от температуры в области / кривой о—К. Формула (11) не дает абсолютных значений скорости, поскольку некоторые параметры в уравнении до сих пор трудно определить. [c.287] Наиболее характерными недостатками этой модели являются. Во-первых поле напряжений в вершине трещины принято упругим, а соответствующая корректировка на пластическую релаксацию в вершине трещины не сделана. Во-вторых, трудно предположить, что растворенные атомы могут быть источником разрушения при КР высокопрочных алюминиевых сплавов. Раньше было показано, что КР имеет место во влажном воздухе, таким образом, молено считать, что присутствие хлоридов для протекания процесса КР не обязательно. В то же время в алюминиевых сплавах всегда в твердом растворе имеется водород, тем не менее КР не происходит в инертной атмосфере, что является одним из доводов того, что присутствие водорода в твердом растворе еще не является достаточным условием возникновения КР. [c.287] Вернуться к основной статье