ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Коррозионно-механическое разрушение из "Коррозионная усталость металлов " Подавляющее большинство деталей машин, аппаратов, металлических строительных конструкций эксплуатируются в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и активных сред. Это приводит к значительно более быстрому разрушению металла, чем при де йствии каждого фактора в отдельности. Опасность такого вида разрушения усугубляется тем, что оно протекает без заметных признаков макродеформации и изменения состояния поверхности изделия, в связи с чем затрудняет обнаружение его на ранней стадии развития. [c.10] Из всех видов коррозионно-механического разрушения достаточно подробно изучено коррозионное растрескивание, результаты исследования которого обобщены в монографиях [14—16]. Много внимания у нас и за рубежом уделяли также изучению фреттинг-коррозии [17—19]. Так как коррозионная кавитация значительно реже является причиной аварийного разрушения элементов конструкций по сравнению с коррозионным растрескиванием или коррозионной усталостью, она изучена значительно меньше, хотя на практике этот вид разрушения встречается довольно часто, например, разрушение деталей насосов и гидравлических турбин, трубопроводов, гребных винтов и пр. Актуальность исследования коррозионной кавитации будет возрастать в связи с резким увеличением в нашей стране трубопроводного транспорта. [c.11] Это процесс постепенного накопления повреждений материала под воздействием переменных напряжений и коррозионно-активных сред, приводящий к изменению свойств, образованию коррозионно-усталостных трещин, их развитию и разрушению изделия. Этому виду разрушения в определенных условиях могут быть подвержены все конструкционные материалы на основе железа, алюминия, титана, меди и других металлов. Опасность коррозионно-усталостного разрушения заключается в том, что оно протекает практически в любых коррозионных средах, включая такие относительно слабые среды, как влажный воздух и газы, спирты, влажные машинные масла, не говоря уже о водных растворах солей и кислот, в которых происходит резкое, иногда катастрофическое снижение предела выносливости металлов. Поэтому коррозионная усталость металлов и сплавов наблюдается во всех отраслях техники, но наиболее она распространена в химической, энергетической, нефтегазодобывающей, горнорудной промышленности, в транспортной технике. Коррозионно-усталостному разрушению подвергаются стальные канаты, элементы бурильной колонны, лопатки компрессоров и турбин, трубопроводы, гребные винты и валы, корпуса кораблей, обшивки самолетов, детали насосов, рессоры, пружины, крепежные элементы, металлические инженерные сооружения и пр. Потеря гребного винта современным крупнотоннажным судном в открытом океане приносиГ убытки, исчисляемые миллионами рублей. [c.11] Очень часты случаи разрушения глубинно-насосных штанг, эксплуатируемых в условиях действия на них знакопеременных растягивающих напряжений и пластовой жидкости, что приносит значительный ущерб в нефтяной промышленности. [c.12] Среди наиболее распространенных и заслуживающих внимания гипотез, объясняющих механизм коррозионно-усталостного разрушения металлов, является электрохимическая и адсорбционно-электрохимичес-кая гипотезы. [c.13] В соответствии с существующими представлениями в процессе образования полос скольжения атомы деформируемых микрообъемов металла обладают повышенной энергией, легче растворяются в коррозионной среде, что способствует зарождению и развитию коррозионно-усталостных трещин. [c.14] Скорость растворения ювенильной поверхности металла при коррозии можно определить, исходя из закона Фарадея v = MJ /ZpF,rp,e М — атомная масса Z — валентность металла в ионизированном состоянии р— плотность металла F — число Фарадея 7 — анодная плотность тока. [c.14] Вклад механического фактора активирования поверхности значительно меньший. По оценкам различных авторов нагружение металла с разной степенью деформации увеличивает скорость его растворения от десятков процентов до нескольких раз вследствие проявления механохимического эффекта [21]. Эти примеры показывают, что скорость локальной коррозии может достигать значительных величин сторонники электрохимической гипотезы считают это основой механизма коррозионно-механического разрушения металлов. [c.14] Более универсальна предложенная Г.В.Карпенко [25] адсорбционно-электрохимическая гипотеза коррозионной усталости, согласно которой первичным актом взаимодействия коррозионной среды с деформируемым металлом является адсорбция молекул среды, приводящая к термодинамически неизбежному изменению поверхностной энергии металла [26], а также возможное наводороживание катодных участков металла, вызывающее водородную усталость.В дальнейшем будет показано, чтб водород также интенсивно выделяется в устье развивающейся коррозионноусталостной трещины в нейтральной коррозионной среде, представляющей собой растворы солей, слабые растворы кислот или просто в воде за счет процесса гидролиза среды, ее подкисления от pH = 7 до pH = 3 и ниже [27 - 31]. [c.15] Согласно данным Г.В.Карпенко [25], в местах выхода дислокаций на поверхность металла при деформировании активизируются адсорбция и коррозионные процессы. Причем во впадинах и микротрещинах преобладает физическая адсорбция, а на выступах микрорельефа, возникающего в результате выхода на поверхность полос скольжения, протекают преимущественно хемосорбционные и коррозионные процессы. [c.15] Рассмотрим механизмы указанных видов разрушения более подробно. [c.15] Изучение влияния условий нагружения на характер изменения остаточных напряжений II рода показало [34], что при упруго-пластическом деформировании железа (выше предела выносливости) в воздухе уже при малой базе числа циклов нагружения (10 — 5 10 циклов) остаточные напряжения растут до 300—350 МПа и при дальнейшем увеличении базы испытания изменяются мало. В присутствии такой поверхностно-активной среды, как 2 %-ный раствор олеиновой кислоты в вазелиновом масле, характер изменения остаточных напряжений существенно меняется. При малых базах испытания уровень напряжений ниже, чем при испытании в воздухе, а при больших базах — значительно выше и достигает 900 — 950 МПа. Отсюда следует, что поверхностно-активные среды уменьшают энергию выхода на поверхность дислокаций и при напряжениях, превышающих предел выносливости, упрочнение металла происходит медленнее, но степень упрочнения с увеличением числа циклов нагружения значительно выше, чем при испытании в воздухе. При этом по данным рентгеновского анализа зерна феррита в поверхностно-активных средах более интенсивно дробятся на различно ориентированные субзерна, что выражается в большой степени наклепа. При низких уровнях напряжений вследствие охвата пластическим течением большого количества зерен поверхностно-активная среда разупрочняет металл. [c.16] При увеличении прочности стали проявление адсорбционного эффекта усиливается (Лобойко В.И. и др. [35, с. 21—25]). Особенностью сдвиговых процессов при адсорбционной усталости железа является почти мгновенное вступление в действие значительно большего, чем при испытании в воздухе, числа плоскостей скольжения, а также увеличение их ширины и плотности. Адсорбционное снижение поверхностной энергии дает возможность развиваться тем дефектам кристаллической решетки, которые при деформации металла в воздухе не в состоянии преодолеть энергетический барьер. [c.16] При циклическом деформировании металла с малыми амплитудами в поверхностно-активной среде также возникает более высокая плотность дефектов, расположенных равномерно по объему образца, чем при испытании в воздухе. При высоких амплитудах деформации, вследствие высокой скорости накопления дислокаций, поверхностно-активная среда способствует более быстрому упрочнению поверхностных слоев металла. [c.16] Прочность хрупкого тела, ослабленного дефектами типа трещин, выражается известным уравнением о = /С /тг Е у - уi) /I , где f—модуль упру-гости 7 — истинная поверхностная энергия — энергия разрыва межатомных связей 7i — энергия, затраченная на пластическую деформацию в вершине трещины / — длина трещины К — коэффициент. [c.17] Поверхностно-активная среда снижает и 7, и 7i. Однако в хрупких телах 7i во много раз меньше, чем в пластичных металлах, что определяет их прочность. В пластичных металлах 7j может значительно превышать 7 и поэтому с уменьшением под влиянием поверхностно-активной среды величины 7i увеличивается деформируемость металла в вершине трещины. Таким образом, адсорбционное понижение прочности более опасно для высокопрочных, но хрупких материалов, имеющих на поверхности трещиноподобные дефекты. [c.17] Компоненты коррозионной среды снижают напряжения начала течения металла, что должно приводить к уменьшению предела выносливости без изменения механизма зарождения трещины в области максимальных трехосных растягивающих напряжений. [c.18] Вернуться к основной статье