Технология

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 .


смотреть на рефераты похожие на "Влияние температуры и коррозионно-активной среды на свойства металлов под напряжением при статических и циклических нагружениях"