книги из ГПНТБ / Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения
.pdfАКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ВИ. ПОХМУРСКИЙ
КОРРОЗИОННОУСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ И МЕТОДЫ
ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ —1974
6П3.4 УДК 620.197:539:669.014.018 П64
В монографии рассматриваются влияние металлур гических, технологических, геометрических, неко торых конструктивных и эксплуатационных факто ров на коррозионно-усталостную прочность углеро дистых, легированных и нержавеющих сталей, а также методы ее повышения, основанные па терми ческой, термомехапической, механической, химикотермической обработке, нанесении гальванических и неметаллических покрытий.
Рассчитана на специалистов, работающих в об ласти материаловедения, химического сопротивле ния материалов и защиты от коррозии, может быть полезна студентам вузов соответствующих специаль ностей.
О т в е т с т в е н н ы й |
р е д а к т о р |
акад. АН УССР Г. В. |
Карпенко |
Р е ц е н з е н т ы :
доктора техн. |
наук С. К. Чучмарев, О. Н. |
Романив |
Гос. |
публичная |
|
кау-:но-те>:.;;;-оская
Л ?
:г;р
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
Редакция технической литературы
п0314—032 69—74
М221 (04) —74
С) Издательство «Наукова думка», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подавляющее большинство деталей машин и аппаратов в про цессе эксплуатации находится под одновременным воздействием цикличе ски меняющихся нагрузок и различных коррозионных сред, что обусловли
вает коррозионно-усталостное разрушение металла и |
резкое, иногда ка |
тастрофическое снижение несущей способности деталей. |
|
К настоящему времени, благодаря работам Г. В. Акимова, Л. А. Гликт |
|
мана, Г. В. Карпенко, А. В. Рябченкова, Мак-Адама, |
Эванса и многих дру |
гих, разработаны теоретические аспекты коррозионно-усталостной прочности металлов, исследовано влияние агрессивности сред, структурного состояния металла на выносливость углеродистых, легированных и ряда нержавеющи» сталей и сплавов, намечены некоторые пути повышения их коррозионной выносливости, среди которых нужно указать такие эффективные методы, как поверхностный наклеп и поверхностная закалка т. в. ч., электрохимическая защита, ингибирование среды, нанесение покрытий из цинка и др.
Современный этап развития техники характеризуется интенсификацией производственных процессов, ужесточением эксплуатационных параметров, резким увеличением мощностей машин и агрегатов, что связано со стремле нием к дальнейшему повышению технико-экономических показателей. Успеш ное решение указанных вопросов немыслимо без создания новых конструк ционных материалов, а также без разработки методов улучшения физикомеханических и электрохимических характеристик существующих уже ста лей и сплавов [172].
В последние годы интенсивно ведутся разработки высокопрочных сталей на основе использования легирования, металлургического рафинирования, применения термической, термомеханической, механотермической, механи ческой обработки, диффузионного насыщения сталей и сплавов различными элементами. Разработано много методов получения защитных покрытий на основе азота, алюминия, бора, бериллия, ванадия, вольфрама, кремния, ни келя, молибдена, марганца, титана, хрома, цинка и других элементов и их соединений (карбидов, нитридов, силицидов, боридов и т. п.). Влияние таких методов обработки металлов на несущую способность в условиях одновремен ного воздействия циклических нагрузок и коррозионных сред изучено крайне недостаточно, что не позволяет более полно оценить эффективность любого из указанных методов обработки деталей.
1* 3
В книге рассматривается влияние условий нагруженпя, состояния по верхности, химического состава, структуры стали на ее усталостную проч ность в различных агрессивных средах, главным образом в 3%-ном растворе NaCl, по агрессивности имитирующем морскую воду. Большое внимание уде лено методам повышения коррозионной выносливости сталей, основанных на
изменении |
их структуры, состава, нанесения защитных покрытий и т. п. |
В I — I V |
главах приводятся основные понятия о коррозионной усталости |
металлов, а также признаки коррозионно-усталостного разрушения. Рас смотрены методические особенности исследования, при этом особое внимание уделено оборудованию и методике изучения коррозионно-усталостной проч ности при повышенных температурах. Показана роль условий нагружения, геометрических размеров образцов, наличия концентраторов напряжений, контактирующих деталей на коррозионно-усталостные процессы.
Большое внимание |
уделено |
изучению влияния |
термической |
обработ |
|
ки и |
легирования на структуру |
и усталостную прочность в |
различных |
||
средах |
нержавеющих сталей феррито-мартенситного, |
аустенито-мартенситно- |
|||
го классов (в частности, |
2X13, 1Х12Н2МВФ, 1Х12Н2МВФБА, Х17, Х17Н2, |
||||
15Х16Н2М и др.). |
|
|
|
|
Главы V — V I I I посвящены рассмотрению влияния на коррозионно-уста- лостную прочность термической, термомеханической, механотермической, химико-термической обработки. Подробно рассмотрен поверхностный наклеп как метод повышения усталостной прочности нержавеющих сталей с различ ным структурным состоянием и исходной твердостью в присутствии кор розионной среды, а также при повышенной температуре. Показана роль ка тодных и анодных покрытий, полученных как с помощью диффузионного на сыщения, так и с помощью гальванического осаждения. Проанализированы факторы, обусловливающие величину коррозионной выносливости стали. Изложены краткие сведения о влиянии неметаллических покрытий на кор- розионно-усталостную прочность сталей, а также о некоторых других путях
ееповышения.
Воснову монографии положены экспериментальные данные, полученные автором и его сотрудниками в основном в Физико-механическом институте АН УССР за последние 5—10 лет под общим руководством Г. В. Карпенко.
Автор выражает благодарность академику АН УССР Г. В. Карпенко, а также сотрудникам отдела физико-химической механики материалов Физи ко-механического института АН УССР за постоянное внимание к данной работе, а также за оказанную помощь в проведении экспериментов, их об суждении и оформлении.
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
действия циклических нагрузок |
и сред очень н и з к а я . |
Т а к , |
при |
|
базе 5 X 107 циклов |
нагружения |
с частотой около 50 гц |
условный |
|
предел коррозионно |
-усталостной |
прочности образцов многих |
ста |
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.
Легирование сталей хромом, никелем и другими |
элементами |
до перевода в класс нержавеющих в сотни и тысячи раз |
повышает |
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,
воде и даже во влажном воздухе. Впервые на коррозионную |
уста |
|||
лость было обращено |
внимание во время Первой |
мировой |
войны |
|
в связи |
с аварийным |
разрушением буксирных тросов подводных |
||
тралов, |
которые разрушались при весьма низких |
напряжениях, |
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
ржавеющих |
сталей был установлен |
ряд признаков, |
отличающих |
|||||||||||
|
|
|
|
коррозионную усталость от уста- |
||||||||||
± е у |
\ ^ |
|
|
лости в воздухе и других |
малоак |
|||||||||
|
|
|
|
тивных или инертных |
средах. |
|||||||||
|
|
|
|
|
Д л я |
коррозионной |
усталости |
|||||||
|
|
|
|
характерным |
является |
отсутствие |
||||||||
|
|
|
|
истинного |
предела |
|
усталостной |
|||||||
|
|
|
|
прочности, |
имеющего |
|
место для |
|||||||
|
|
|
|
многих металлов и сплавов (рис. 1), |
||||||||||
|
|
|
|
т. е. с увеличением числа |
циклов |
|||||||||
|
|
|
|
н а г р у ж е н и я |
н а п р я ж е н и я |
|
разру- |
|||||||
|
|
|
— > • |
шения закономерно |
уменьшаются. |
|||||||||
Рис. 1. |
|
|
N |
В |
ранних |
|
работах |
[181, 2231 оши- |
||||||
Типовые |
кривые вынос- |
б о |
ч н о |
с ч и т |
а |
Л о с ь , что |
при |
корро- |
||||||
ливости |
сталей |
в воздухе (1) и |
|
|
„ |
|
|
|
|
* |
|
1 |
„ |
|
коррозионной |
среде (2) |
зионнои |
усталости |
стали в |
интер |
|||||||||
|
|
|
|
вале |
10 — 5 X 107 |
циклов |
|
нагру |
||||||
жения |
снижение напряжений |
прекращается |
и кривые |
усталости |
асимптотически приближаются к прямым, параллельным оси
абсцисс. |
|
|
|
|
Д л я характеристики |
коррозионно-усталостной |
прочности ме |
||
таллов обычно используют такое понятие, как условный |
предел |
|||
коррозионно-усталостной |
прочности |
(первый признак), т. е. ма |
||
ксимальную величину циклического |
н а п р я ж е н и я , |
которое |
не вы |
|
зывает разрушения детали (образца) при заданном конечном |
числе |
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.
Электрохимическая |
теория |
развита |
советскими |
учеными |
Г. В. Акимовым [ 1 , 2 ] , |
Н . Д. |
Томашовым |
[198] и др. |
Однако |
эта гипотеза не объясняет ряд явлений, наблюдаемых при корро
зионной |
усталости, что |
вызвало попытки ее усовершенствования, |
а также |
способствовало |
возникновению новых гишпез . |
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