книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ВИ. ПОХМУРСКИЙ

КОРРОЗИОННОУСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ И МЕТОДЫ

ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ —1974

Г Л А В А I

И СС ЛЕДОВА НИЕ К О Р Р О З И О Н Н О Й УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ

1. Общие сведения

Коррозионная усталость металлов проявляется в слу­ чае одновременного воздействия на изделия из них циклических знакопеременных или знакопостоянных нагрузок и коррозионноагрессивных сред. Коррозионно-усталостное разрушение представ­ ляет собой весьма опасный вид разрушения, встречающийся прак ­ тически во всех отраслях техники и приводящий к резкому, иногда катастрофическому снижению несущей способности деталей. К о р - розионно-усталостному разрушению подвергаются бурильные тру­ бы, шахтные подъемные канаты, лопатки компрессоров и турбин реактивных двигателей, паро- и водопроводы, гребные винты и валы кораблей, детали автомобилей, самолетов, различные рес­ соры, торсионы и т. п. Особенно широко распространено корро ­ зионно-усталостное разрушение в химической, нефтяной и метал­ лургической промышленности. Например, разрушение глубиннонасосных штанг под действием циклических растягивающих н а п р я ж е н и й и пластовой жидкости наносит ущерб нефтяной про­ мышленности ежегодно порядка миллионов долларов [202].

Несущая способность деталей в условиях одновременного воз­

лей в синтетической морской воде снижается в десятки раз по сравнению с усталостной прочностью в воздухе и при цикличе­ ском изгибе составляет по абсолютному значению 2—10 кГ/мм2. Меньшая величина условного предела коррозионно-усталостной прочности, как правило, относится к высокопрочным углеродис­ тым и низколегированным сталям, особенно подвергнутых за­ к а л к е . Рассматриваемому виду разрушения при определенных условиях подвергаются все конструкционные металлы и сплавы, в частности сплавы на основе железа, хрома, никеля, титана, алю­ миния, меди.

5

свойственную им коррозионную стойкость в ненапряженном со­ стоянии в нейтральных электролитах и не оказывает существен­ ного влияния на их коррозионную усталость [5, 18, 1571.

Коррозионная усталость может проявляться при циклическом деформировании металлов в растворах солей, щелочей, кислот,

однако начало систематических исследований коррозионной уста­ лости было положено в 30-х годах Мак-Адамом и Гоу [219—222, 234, 244-246, 2591.

Большой вклад в исследование коррозионной усталости и раз­ работку методов борьбы с ней внесли Эванс [230, 235), Жильбер [2431, А. В. Рябченков [1771, Л . А. Гликман [26], Г. В. Карпенко [67, 68,203] и многие другие.

2. Признаки коррозионной усталости

На основании анализа коррозпонно-усталостного раз ­ рушения образцов из углеродистых, легированных и многих не­

асимптотически приближаются к прямым, параллельным оси

циклов нагружения, а также время до разрушения при заданной величине циклических нагрузок.

6

и адсорбционно-электрохимическая гипотезы коррозионной уста­ лости.

Электрохимическая гипотеза впервые выдвинута Эвансом [235, 236]. Сущность ее заключается в том, что анодные процессы ло­ кализуются в местах концентрации напряжений (поры, риски, царапины, коррозионные повреждения, скопления вакансий, ди­ слокаций и т. п.). Работа специфических пар Эванса приводит к преимущественному развитию первичных углублений, увеличе­ нию концентрации напряжения и возникновению в местах этих углублений коррозионно-усталостных трещин.

эта гипотеза не объясняет ряд явлений, наблюдаемых при корро­

B. В. Романов [175] предлагает коррозионно-механическую гипотезу обобщенного механизма коррозионной усталости ме­ таллов.

C. Г. Веденкин и В. С. Синявский [22, 23] считают, что меха­ низм усталостного разрушения под воздействием коррозионной среды такой ж е , как и в воздухе, и что электрохимическая гипотеза коррозионно-усталостного разрушения необоснована. Понижение выносливости под воздействием коррозионной среды эти авторы сводят к облегчению развития деформации, т. е. увеличению ско­ рости развития трещины, а коррозионному фактору не придают существенного значения.

Согласно адсорбционно-электрохимической теории, предложен­ ной Г. В. Карпенко [65, 66], первичным актом воздействия корро­ зионной среды на циклически деформированный металл является адсорбционное воздействие, приводящее к термодинамически не­ избежному изменению прочности металла [115, 173], а также воз­ можное наводороживание за счет адсорбции водорода на катодных участках металла [67], вызывающее водородную усталость.

Процессы сдвигообразования на поверхности металла при его циклическом деформировании в результате выхода дислокаций, а также экструзийно-интрузионные процессы создают субмикро­ рельеф. Возникающие при этом ювенильиые участки металла бо­ лее анодны, чем окружающий металл. В местах выхода дислока­ ций на поверхность происходят более интенсивная адсорбция и коррозионные процессы. Г. В. Карпенко [67 ] указывает, что в субмикротрещинах и впадинах происходит наиболее интенсивно фи­ зическая адсорбция. На выступах субмикрорельефа наиболее ак­ тивно протекают хемосорбционные и коррозионные процессы, ко­ торые обусловливают интенсивность общей коррозии.

При высоких амплитудах циклической деформации, т. е. при малом времени действия коррозионной среды, электрохимическое воздействие не успевает проявиться, а снижение выносливости может происходить, главным образом, за счет адсорбционного

8

в л и я н ия и наводороживания. Необходимо отметить, что при вы­ соких амплитудах циклической деформации деталей под воздей­ ствием коррозионной среды могут наблюдаться случаи увеличения времени до их разрушения, вызванные проявлением охлаждаю­ щего эффекта, который д л я температур до 200—400° С может оказывать положительное или отрицательное влияние на вынос­ ливость стали в зависимости от ее физико-механических свойств. В частности, для многих углеродистых и низколегированных ста­ лей с увеличением температуры до 200—300° С выносливость уве­ личивается. С увеличением времени воздействия среды, т. е. с уменьшением амплитуды циклической деформации успевает про­ явиться электрохимический фактор. Таким образом, адсорбцион- но-электрохимическая гипотеза коррозионной усталости — наи­ более универсальна и позволяет истолковать ряд явлений, которые не могут быть объяснены с позиций чисто электрохимической, а также других гипотез.

Влияние коррозионной среды на выносливость сталей обычно учитывают различными экспериментально установленными коэф­ фициентами (Р), представляющими собою отношение выносливости образцов в коррозионной среде к выносливости образцов в возду­ хе. В подавляющем большинстве случаев р < 1, иногда несущая способность в коррозионной среде составляет всего несколько процентов от прочности стали в воздухе. Такие коэффициенты удобно использовать при сравнительных испытаниях (например, если нужно установить, как влияют на изменение выносливости агрессивность среды, термическая или технологическая обработка образцов). При расчетах гораздо удобнее пользоваться абсолют­ ной величиной условного предела коррозионной выносливости стали с учетом технологических, конструктивных и эксплуатацион­ ных факторов, а не относительными коэффициентами или, как это предлагается в последнее время [175], величиной Да, показываю­ щей, на сколько выносливость в коррозионной среде меньше та­ ковой в воздухе. Поскольку математического количественного или качественного аппарата, описывающего коррозионно-усталост- ные процессы, пока не существует, для правильной и точной оцен­ ки несущей способности деталей, работающих в коррозионных средах, как правило, необходимо проводить предварительные, под­ час весьма трудоемкие эксперименты с целью получения характе­ ристик коррозионно-механической прочности сталей.

4. Оборудование для исследования

коррозионно-усталостной прочности металлов

Д л я исследования коррозионно-усталостной прочности образцов, как правило, используются машины, предназначенные д л я определения характеристик усталости сталей в воздухе, снабжен­ ные специальными приспособлениями для подвода коррозиоппой

9