книги из ГПНТБ / Ажогин, Ф. Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей

картельной межкристаллитной трещиной и без нее по­ казывает, что одни и те же среды оказывают различное влияние на I (образование трещины за счет коррозии под напряжением) .и И (развитие трещины с преимуще­ ственным влиянием механического фактора) этапы. Так,

время развития трещины (толщина образца 2 мм) всего 1—2 мин. Под пленкой влаги время 1 этапа развития тре­ щины также больше, чем на 11 этапе.

При полном погружении в водопроводную воду ско­ рость образования трещины на 1 этапе меньше, чем под пленкой влаги, а на II гораздо больше при полном по­ гружении в воду, чем под тонкой пленкой влаги.

Различие в скоростях развития трещины на I и II этапах отчетливо проявляется в растворе бихрома калия (1,0 кг/м3) с добавкой углекислого натрия (2,5 кг/м3): если (1 этап) в указанном растворе на стали ВКС-1 не образуется трещин в течение 360 суток, то разрушение напряженного образца толщиной 2 мм с первоначальной трещиной происходит всего лишь за 1—2 мин.

Тот факт, что трещина может развиваться в средах, вызывающих коррозию (вода, раствор хлористого на­ трия), и в средах, .не вызывающих ее (раствор дихрома­ та калия без добавки и с добавкой углекислого натрия), причем скорости развития трещины в указанных средах близки .между собой, позволяет предполагать, что на раз­ витие трещины большое влияние оказывает адсорбция молекул воды. Этим может быть объяснено различие в поведении напряженных образцов с трещиной в раство­ рах, содержащих хроматы, и в растворах моноэтаноламина и триэтаноламина. В 0,5%-ном растворе бихромата калия и растворе бихромата калия (1 кг/м3) с добавкой углекислого натрия (2,5 кг/м3), так же как и в растворах моноэганоламина (30кг/м3) и триэтаноламина (30кг/м3), коррозии ненапряженных высокопрочных сталей не про­ исходит. Однако в растворах бихромата калия без добав­ ки и с добавкой углекислого натрия первоначальные межкристаллитные трещины развиваются очень быстро, а в растворе моноэтаноламина и триэтаноламина— не развиваются. Отсутствие коррозии (в растворах, содержа­

щих хроматы, связывается с адсорбцией анионов Сг04~

110

[38]. В растворах моноэтаноламина и триэтаноламина образуются органические катионы по схеме

R NH2 + Н20 Z R NH3 ОН Г R NH3+ + ОН- ,

которые играют большую роль, как это показали элек­ трохимические измерения [142]. При приложении растя­ гивающих напряжений в отсутствие пластической дефор­ мации заряд поверхности стали у вершины трещины сме­ щается в отрицательную сторону, адсорбция анионов

CrOfна дне трещины затрудняется, в результате чего доступ полярных молекул воды к вершине трещины об­ легчается; адсорбция же поверхностно активных катио­ нов, образующихся при взаимодействии моноэтанолами­ на и триэтаноламина с водой, на дне трещины не затруд­ няется, а облегчается, в результате чего доступ молекул воды к вершине трещины затрудняется.

Влияние среды на II этап развития трещин при кор­ розии под напряжением в сильной степени зависит от ха­ рактера первоначальной трещины. Указанные выше за­ кономерности влияния среды на развитие трещины на­ блюдаются только в -случае межкристаллитной первона­ чальной трещины, образование которой не сопровожда­ ется пластической деформацией. Для определения влия­ ния среды на развитие трещины при наличии пластиче­ ской деформации в середине рабочей части плоских об­ разцов стали ВКС-1 до термической обработки специаль­ ным индентором, изготовленным из инструментальной стали, на приборе Роквелла наносили концентратор дли­ ной 1+0,15 мм. После термической обработки (закалка с низким отпуском) образцы закрепляли в специальной установке для получения поверхностных трещин при цик­ лическом консольном изгибе. Трещина при этом развива­ ется по телу зерна, а у ее вершины наблюдается пласти­ ческая деформация -стали.

В табл. 25 приведены экспериментальные данные по влиянию среды на развитие трещины, полученной на стали ВКС-1 при циклическом консольном изгибе; длина трентины 2,5 мм, глубина 0,9 мм.

При наличии пластической деформации у вершины трещины она развивается в водопроводной воде, раство­ ре бихромата калия и в растворе моноэтаноламина, в котором предварительная хрупкая межкристаллитная трещина не развивается.

111

Таблица 25

Влияние состава среды на развитие трещины, полученной при циклическом изгибе [напряжение 890 МН/м2 (89 кгс/мм2)]

* Трещины не обнаружены.

Штейгервальд [176] отмечает замедленное разруше­ ние образцов из высокопрочных сталей 4340, Д6-А, Н-11 (0в=163О-г 1700 МН/м2) (163—170 кгс/мм2) с аналогич­ ными трещинами в дистиллированной воде.

Наблюдаемое различие в поведении напряженных об­ разцов высокопрочной стали с первоначальной межкристаллитной трещиной и трещиной, образование которой сопровождается пластической деформацией, может быть связано с особенностями взаимодействия дислокаций с компонентами раствора.

В соответствии с [101], часть электронов перемеща­ ется из сжатой области дислокации к растянутой, обра­ зуя электрический диполь. Поэтому наличие в растворе только поверхностно активных катионов или только ани­ онов не может эффективно тормозить адсорбцию моле­ кул воды на поверхности металла и предотвратить раз­ витие первоначальных трещин, образование которых со­ провождается пластической деформацией.

Глава VIII

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИИ НА КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

На сопротивление высокопрочных сталей коррозион­ ному растрескиванию большое влияние оказывают вели­ чина и характер внутренних напряжений [143]..В соот­ ветствии с развиваемыми представлениями о механизме

112

коррозионного растрескивания с увеличением внутрен­ них растягивающих напряжений критическое напряже­ ние и, следовательно, сопротивление высокопрочных ста­ лей коррозионному растрескиванию уменьшается [см. уравнение (6)].,Внутренние напряжения в сталях могут возникать в процессе термической и механической об­ работки. При термической обработке это связано глав­ ным образом с образованием фаз различного удельного объема, а также с неодновременностью структурных пре­ вращений в разных зонах детали.

В процессе закалки наружные слои детали приобре­ тают мартенситную структуру раньше, чем внутренние, и в какой-то момент слой с мартенситной структурой ок­ ружает сердцевину, имеющую аустенитную структуру. Удельный объем аустенита меньше удельного объема мартенсита, в результате этого, когда в сердцевине про­ исходит превращение аустенита в мартенсит, наружный слой мартенсита препятствует увеличению объема серд­ цевины и в поверхностном слое возникают растягиваю­ щие напряжения.

Фазовые превращения обуславливают возникновение больших внутренних напряжений. По данным [144], об­ разование игл мартенсита в аустените сопровождается возникновением внутренних напряжений, достигающих

1700 МН/м2 П70 кгс/мм2).

В работе [1451 указывается, что величина напряже­ ний II пода в закаленной малоутлеоодистой стали состав­ ляет 500—600 МН/м2 150—60 кгс/мм2), а в высокоугле­ родистой—~ 1600 МН/м2 (~160 кгс/мм2).

Основной причиной, вызывающей внутренние напря­ жения пои механической обработке, является пластиче­ ская деформация, нагрев и связанные г этим фазовые превращения в поверхностных слоях П461.

Неравномерная пластическая деформация при меха­ нической обработке вызывает различные по величине внутренние напряжения в поверхностном слое.

Особенно большую опасность представляют прижогч. котопые могут образовываться в процессе механической обработки деталей, например при шлифовании. Если в процессе механической обработки летали нагреваются и пои этом происходит превращение мартенсита в тооостит или сопбнт. удельные объемы которых меньше удельного объема мартенсита, то в поверхностном слое возникают значительные растягивающие напряжения, поевышаю-

113

щие значения предела текучести, определенного при од­ ноосном растяжении. При наличии прижогов высоко­ прочные стали подвержены растрескиванию ‘без прило­ жения извне растягивающих напряжений.

На величину и характер остаточных напряжений ока­ зывает также влияние поверхностный наклеп обдувкой

дробью и т. п.

Коррозионная трещина всегда начинается с поверх­ ности детали. Поэтому сопротивление коррозионному растрескиванию сталей зависит от состояния поверхно­ сти и относительно тонких поверхностных слоев, образо­ ванных при термической и механической обработке.

в л и я н и е с о с т о я н и я

ПОВЕРХНОСТНОГО с л о я

При исследовании влияния состояния поверхности (обработки) на коррозионное растрескивание образцы высокопрочных сталей после термической обработки шлифовали на плоскошлифовальном станке камнем СМ при скорости 35 м/с и подаче 0,05 мм. Чистота поверх­ ности образцов составляла ~ V 7 . Шлифованные образ­ цы дополнительно подвергали химическому и электрохи­ мическому травлению для снятия поверхностного слоя, механическому полированию, обдувке кварцевым, корун­ довым и чугунным песком.

Обдувку производили песком грануляцией 0,3—0,5 мм при давлении 490 кПа (5 ат). Чистота обработки поверх­ ности при обдувке песком снижается на 1—2 класса.

Шлифованные образцы полировали в электролите со­ става, %: 40H2SO4, 42Н3Р 0 4, 4Сг03, 14Н20 при плотно­ сти тока Da = 3,7 кА/м2 и температуре 90°С ,в течение

30 мин.

Влияние различных видов обработки на сопротивле­ ние высокопрочных сталей коррозионному растрескива­

После шлифования сталь имеет низкое сопротивление коррозионному растрескиванию. Механическое полирова­ ние (после шлифования) еще больше понижает сопро­ тивление стали коррозионному растрескиванию. Наибо­ лее благоприятное влияние на коррозионное растрески­ вание высокопрочных сталей оказывает обдувка кварце­ вым и чугунным песком: критическое напряжение стали

114

Таблица 26

Влияние обработки поверхности на коррозионное растрескивание сталей

при испытании в 20%-ном растворе серной кислоты с до­ бавкой хлористого натрия (30 кг/м3) повышается на

~ 80%.

Положительное влияние обдувки песком отчетливо проявляется также при коррозии иод напряжением с кис­ лородной деполяризацией (табл. 27).

115

Электролитическое полирование в отличие от механи­ ческого повышает сопротивление высокопрочной стали коррозионному растрескиванию. Это, вероятно, связано с удалением неравномерно напряженного ..поверхностного слоя, возникающего при шлифовании. С этой целью.-оп­ ределяли влияние снятия поверхностного слоя химиче­ ским способом на склонность стали к коррозионному растрескиванию. Травлением шлифованных образцов в растворе надсернокиелош аммония (100 кг/м3) при ком­ натной температуре в течение 60 мин снимали слой тол­ щиной ~ 36 мкм. Результаты испытаний показывают, что при этом повышается сопротивление стали коррозионно­ му растрескиванию. Если критическое напряжение для шлифованной стали ЭИ643 (изотермическая закалка с отпуском) в 20%-ном растворе серной кислоты с добав­

Наблюдаемые закономерности по влиянию состояния поверхности (обработки) на склонность высокопрочных сталей к коррозионному растрескиванию, возможно, свя­ заны с внутренними напряжениями в поверхностном слое, что отмечается в работах [2, 4, 56, 59 с. 7—25; 143].

Можно считать, что внутренние растягивающие на­ пряжения понижают, а сжимающие — повышают сопро­ тивление сплавов коррозионному растрескиванию.

В работе [143] определяли количественную связь между сопротивлением коррозионному растрескиванию высокопрочных сталей и характером и величиной внут­ ренних напряжений. Образцы высокопрочной стали пос­ ле закалки и отпуска подвергали шлифованию с полиро­ ванием, обдувкой чугунным, корундовым леском и пидропеакоструйной обработкой. В поверхностном слое всех образцов определяли внутренние напряжения рентгеноструктурным методом наклонной съемки и механиче­ ским.

Съемку производили в монохроматизированном Fe Ка-излучении с порошковым эталоном вольфрама, .нане­

сенным тонким слоем на исследуемую поверхность об­ разца; это позволило избежать ошибок, связанных с гео­ метрией образца, его установкой или с неточностью юстировки дифрактометра УРС-50И. Внутренние напря­ жения рассчитывали ло смещению дифракционной ли­ нии (220) (0= 72°ЗО/) исследуемого материала по отно-

116

шейию <к положению дифракционной линии (310) этало­ на (0 = 75''30/) по формуле [148J:

вн 1 + р. sin2 ф ’

где Е — модуль упругоспи; (х — коэффициент Пуассона;

ф — угол между нормалями к системе отражающих плоскостей и к поверхности образца;

di, d-ф —■период кристаллической решетки стали, опреде­ ленный соответственно при ф= 0 и ф= 50°.

Внутренние напряжения определяли в 10—11 точках по длине каждого образца, а распределение остаточных напряжений по глубине образца механическим методом [149]. Снятие поверхностного слоя при определении внутренних напряжений механическим методом произво­ дили электролитически в растворе, состоящем из 64%

Таблица 28

Влияние обработки на внутренние напряжения в поверхностном слое

117

метанола, 24% серной кислоты и 12% глицерина при 30—35°С и анодной плотности така D&—2 д-3,5 кА/м2.

Образцы стали ЗОХГСНА после определения внутрен­ них напряжений подвергали испытанию в 20%-ном рас­

В поверхностном слое шлифованных образцов имеют­ ся участки с внутренними напряжениями растяжения

пряжения в поверхностном слое шлифованной стали, определенные механическим методом на глубине 10 мкм, имеют положительный знак (напряжение растяжения). В поверхностном слое полированной стали рентгенов­ ским методом выявляются напряжения сжатия, равные

жений сжатия критическое напряжение стали в 20%-ном растворе серной кислоты с добавкой хлористого натрия и время до появления трещин в тропической камере уве­ личиваются. Зависимость критического напряжения от

118

величины внутренних напряжений близка ц линейной (рис. 30), что находится в соответствии с развиваемыми представлениями о механизме коррозионного растрес­ кивания.

Действительно, как показано выше, величина крити­ ческого напряжения выражается уравнением

откуда

где

С — kl&k k%, В - Hg Ад.

Как видно из уравнения (10), критическое напряже­ ние при уменьшении растягивающих и увеличении сжи­ мающих внутренних напряжений увеличивается, что и подтверждается полученными экспериментальными дан­ ными.

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Работами [2, 56, 90] было показано, что на коррози­ онное растрескивание сплавов большое влияние оказы­ вает пластическая деформация. На сопротивление кор­ розионному растрескиванию высокопрочных сталей так­ же воздействует пластическая деформация [150].

При установлении влияния пластической деформации на коррозионное растрескивание высокопрочных сталей стандартные разрывные образцы, вырезанные из листа стали ЗОХСНА вдоль проката, толщиной 2,5 мм после термической обработки (закалка в масле, отпуск при 200°С в течение 2-х ч) шлифовали на плоскошлифовальном станке до размера (в сечении) 8X2 мм и после трав­ ления в растворе надсарнокислого аммония (100 кг/м3) в течение 60 мин подвергали пластической деформации растяжением. Затем вырезали образцы длиной 100 мм так, чтобы максимальная пластическая деформация бы­ ла посередине образца. Испытание образцов производи­ ли в 20%"Ном растворе серной кислоты с добавкой хло­ ристого натрия (30 кг/м3) (рис. 31).

С увеличением степени пластической деформации до 1,5% сопротивление стали ЗОХГСНА коррозионному ра-с-

119