5.3. Корозійна стійкість і міцність зварних з'єднань

Корозія - це пошкодження металів під впливом зовнішнього середовища. За механізмом взаємодії металу з зовнішнім середовищем розрізняють корозію хімічну і електрохімічну. Хімічна корозія являє собою процес взаємодії металу з агресивним компонентом середовища за реакцією Електрохімічна корозія - пошкодження металу внаслідок електрохімічних процесів:

а) анодної реакції - переходу іонів металу у розчин із залишенням еквівалентної кількості п електронів е в металі; що визначає матеріальні втрати при корозії;

б) катодної реакції - процесу відновлення окислюючих компонентів середовища за рахунок приєднання надлишкових електронів, що з'явилися у металі (процес деполяризації );

в) процесу руху електронів по металу і відповідного переміщення катіонів (+) і аніонів (-) у розчині, тобто корозійного струму. Для зварних з'єднань основним є процес електрохімічної корозії.

Електрохімічна корозія зварних з'єднань пов'язана з електрохімічною неоднорідністю двох видів:

а) макронеоднорідністю, обумовленою різницею хімічного складу та структури різних зон зварного з'єднання;

б) мікро-неоднорідністю, обумовленою структурною і хімічною неоднорідністю в межах кожної зони. Саме тому в корозійному відношенні зварне з'єднання являє собою складну багатоелектродну короткозамкнену електрохімічну систему, характерними макроелектродами якої є шов, зона термічного впливу і основний метал (рис. 5.6).

Макронеоднорідність оцінюється за значеннями середніх електродних потенціалів в кожній зоні, мікронеоднорідність - за значеннями локальних електродних потенціалів в межах кожної зони. Показником макроелектрохімічної неоднорідності зварного з'єднання є різниця початкових потенціалів між зонами. Показником мікроелектрохімічної неоднорідності кожної зони є різниця початкових локальних потенціалів в межах кожної зони. В залежності від значення можливі різні види корозійного пошкодження:

- загальна корозія (рівномірна, зосереджена на шві, зосереджена в зоні термічного впливу, основного металу,

- місцева корозія (у вигляді плям, ножова, точкова).

Для оцінки здатності зварних з'єднань чинити опір корозійному руйнуванню використовують методику, яка дозволяє порівняти властивості без впливу і з впливом середовища. Зміну показника властивостей оцінюють відносними коефіцієнтами що показують зміну властивостей відповідно основного металу зварного з'єднання і зварного з'єднання відносно основного металу

де значення показника поза середовищем, відповідний показник в умовах середовища. В якості показників опору корозії основного металу найчастіше використовують два: втрата маси на одиницю площі зразка за одиницю часу (масова швидкість корозії); глибина (або швидкість) корозії, а для зварних з'єднань додатково визначають зміну механічних властивостей при розтягу і стиску, що дозволяє оцінити падіння несучої спроможності в наслідок зниження характеристик міцності і пластичності під впливом як загальної, так і місцевої корозії.

Корозійну стійкість прийнято оцінювати за десятибальною системою (таблиця 5.1).

На корозійну стійкість зварних з'єднань суттєво впливають багато факторів, особливо наявність напружень. Наявність напружень підвищує енергетичний стан металу, що сприяє виходу іонів з ґратки деформованого металу, крім того, під дією деформації утворюються дефекти кристалічної ґратки і нові анодні фази. Напруження (залишкові від зварювання, від навантаження) не суттєво впливають на загальну корозію, але інтенсифікують місцеві види корозії, особливо, утворення тріщин. Руйнування викликається напруженнями розтягу. Для більшості варіантів метал - середовище, де існують так звані порогові напруження нижче яких корозійні тріщини не утворюються. Порогові напруження знаходяться в межах (таблиця 5.2). Негативний вплив напружень (концентраторів) особливо відчутний в середовищі, в якому метал знаходиться у пасивному або активно-пасивному стану. Зі збільшенням arpeсивності середовища вплив концентраторів зменшується, а при зростанні рівня напруженого стану вплив концентраторів. Існують загальні методи підвищення стійкості металевих конструкцій і спеціальні методи, що враховують особливості зварних з'єднань і техно­логію виготовлення зварних конструкцій.

Загальні методи включають:

1) раціональний вибір і розробку нових корозійностійких конструкційних матеріалів, що зварюються;

2) раціональні конструювання, технологію виготовлення й експлуатацію виро бів;

3) застосування захисного покриття: металевого (гарячих, гальваніч них, дифузійних, металізаційних та інш.); покриття, створеного шляхо-хімічної й електрохімічної обробки поверхні (оксидування, фосфатування, анодирування, хромування); неметалевого покриття органічного (органічні змащення, лакофарбові, високополімерні змащення) і неорганічного (цементні і бетонні покриття, емалі, кераміка і інш.);

4) застосування методів гальмування корозії (обробка корозійного середовища видалення стимуляторів і введення сповільнювачів інгібіторів корозії) електрохімічний захист із подачею зовнішнього струму (катодна й анодна); застосування протекторів.

Основним способом підвищення стійкості зварних з'єднань проті загальної корозії є забезпечення катодності (більш позитивного елек тродного потенціалу) з'єднання в порівнянні з основним металом (анодом) і мінімальної різниці потенціалів, тобто:

Ці умови визначаються правильним вибором присадкових матеріалів, конструкції шва, частки участі у формуванні шва основного і при-садкового матеріалів, методів і режимів зварювання. Зміни технологічних методів, застосовуваних при зварюванні, відносно мало впливають на корозійні властивості термічно стабільних матеріалів але можуть істотно впливати на властивості нестабільних матеріалів

Спеціальні методи застосовують для підвищення корозійної стійкості зварних з'єднань проти утворення тріщин (руйнування). Вони поділяються на:

а) заходи до зварювання - вибір оптимального складу основного металу і зварювальних матеріалів, раціональна конструкція шва, з'єднань і вузлів (запобігання концентраторів), зменшення інтенсивності напруженого стану;

б) заходи в процесі зварювання - регулювання термодеформаційного циклу зварювання і умов кристалізації, раціональна послідовність виконання швів, зменшення розмірів зон і інтенсивності залишкових напружень;

в) заходи після зварювання - покращання властивостей і зниження залишкових напружень (термообробка і інші способи), утворення на поверхні виробу напружень стиску.

У розрахунках елементів зварних конструкцій, що працюють в агресивних середовищах, варто враховувати:

1) фізико-хімічний вплив зварювання на метал, якість зварного з'єднання і його конструкцію;

2) вплив агресивного середовища;

3) домінуючий тип відмовлень (загальна корозія, корозійне розтріскування).

Розрахунок можна робити за несучою здатністю з умов міцності і місцевої пошкоджуваності, а також сполучення цих граничних станів.

Для випадків загальної корозії може бути використаний метод розрахунку за граничними напруженнями при розтягу з урахуванням зміни властивостей металу під дією зварювання і середовища. Розрахункова величина напружень у зварних з'єднаннях у цьому випадку:

де граничні напруження основного металу у вихідному стані і зварному з'єднанні при корозії; коефіцієнт зниження міцності зварного з'єднання в порівнянні з основним металом у вихідному стані; коефіцієнт, що характеризує зниження міцності зварного з'єднання унаслідок впливу корозійного середовища; індекс, що вказує на вибір показника за критерієм міцності.

При небезпеці корозійного розтріскування конструкцію варто розраховувати: а) за величиною граничних напружень для даного середовища;

б) за величиною порогових напружень що викликають виникнення і розвиток корозійної тріщини;

в) за глибиною корозійної тріщини, що допускається гранично, чи дефекту типу тріщини. Розрахункові напруження визначають, виходячи з найбільш жорсткої умови.

Розрахунок за граничними напруженнями обумовленими для даного середовища відповідно до приведених виразів, є необхідною, але недостатньою умовою міцності конструкції, якщо

У залежності від кінетики корозійного розтріскування варто брати до уваги граничний напружений стан, що викликає виникнення і початок докритичного росту тріщини; цей напружений стан характеризується величиною граничних напружень коефіцієнт запасу), нижче яких в елементах конструкції, що не мають початкових дефектів типу тріщин, корозійне розтріскування не відбувається.

У випадку небезпеки корозійного розтріскування в розрахунку необхідно враховувати залишкові зварювальні напруження, тому що тоді діє принцип суперпозиції. Повинна виконуватися умова Тобто, звідки випливає, що для підвищення працездатності конструкції необхідно вжити заходів для зниження залишкових напружень.

Таким чином, при розрахунку:встановлюють і зіставляють граничні напруження розтягу з умови міцності і порогові напруження, що допускаються у даному середовищі

якщо то елементи конструкції розраховують з умов міцності за , потім визначають рівень залишкових напружень, що допускається,

якщо то елементи конструкції розраховують за обов'язково слід призначити заходи для усунення залишкових напружень.