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

циклов нагружения условный предел коррозионной усталости

В качестве материала неметаллического защитного покрытия ис­ пользовался полимер ЭН586, относящийся к эпоксидным мате­ риалам. Заготовки образцов подвергались термической обработке по двум режимам: низкому отжигу при 725° С (состояние постав­ ки) и закалке с 1020° С в масле с последующим отпуском при 660° С (3 ч) с охлаждением на воздухе. Перед нанесением защитного по­ крытия рабочая поверхность образцов подвергалась пескоструй­

2879—59). Измерением микротвердости установлено, что степень наклепа на поверхности образца составляет 40%, т. е. микротвер­

164

с ж а т ия до 50 кГ/мм2. Толщина покрытия составляла около 0,1 мм. Если исследуемое покрытие полимером ЭП586 практически не повлияло на изменение выносливости стали 1 Х 1 2 Н 2 В М Ф , то в коррозионной среде (3%-ный раствор NaCl) условный предел коррозионной усталости повысился в три раза. Особенно отчетливо это проявляется при высоких амплитудах напряжений и малом числе (до 107 ) циклов нагружения (рис. 83).

С увеличением числа циклов более 107 проис­

крытия усталостных образцов в водном рас­

Образцы, покрытые полимером ЭП586, погру­ жали в такой раствор и выдерживали в тече­ ние 0,5—1 ч. Железосинеродистый калий взаимодействует с солями двухвалентного железа (в данном случае хлористого железа) по реакции:

покрытия в воде.

Образовавшееся комплексное соединение представляет собой нерастворимую в воде соль темно-синего цвета и известно под на­ званием турнбулиевая синь. Наблюдение за появившимися на по­ верхности полимерных покрытий точками турнбулиевой сини ве­

полимерного покрытия. Коррозионная среда проникала к металлу через эти нарушения сплошности покрытия и вызывала катастро­ фическое коррозионно-усталостное разрушение. Циклическое нагружение образцов при напряжениях 36—38 кГ /мм2 и ниже не вызывало нарушения сплошности покрытия. Испытания, прове­ денные при более длительных базах (3 X 10* циклов), также по­ казали, что при циклических напряжениях порядка 36—38 пГ/мм2 сплошность полимерного покрытия не нарушалась . Аналогичная картина наблюдается при усталостных и коррозионно-усталостных испытаниях отожженной стали 1Х12Н2ВМФ с полимерным по­ крытием. Однако более низкая циклическая прочность отожжен­ ной стали, чем закаленной, обусловливает значительно низший

165

больших долговечностях.

Следует отметить, что принятая база 107 циклов нагружения явно занижена и позволяет лишь весьма приближенно судить о влиянии покрытия и коррозионной среды на выносливость стали. Кроме того, кривые выносливости в коррозионной среде имеют горизонтальный участок, указывающий па наличие истинного предела выносливости, что не характерно для кривых коррозион- но-усталостной прочности.

Обобщая немногочисленные данные о влиянии неметаллических покрытий на коррозионно-уеталостную прочность сталей, можно заключить, что ряд полимерных покрытий является эффективным методом повышения выносливости сталей в коррозионной среде, особенно при отсутствии механических их повреждений и сравни­ тельно небольших базах испытания. Увеличение амплитуды де­

протекания коррозионных процессов используют катодную поля­ ризацию, эффективность которой зависит от двух электрохимиче­

образцов из нормализованной стали 45 в 3%-ном растворе NaCl существенно возрастает, а при плотности тока 0,5 а/дм2 достигается практически полная защита стали от коррозионно-усталостного разрушения (рис. 85). Установлено, что для эффективного повыше-

1G6

н ия коррозионно-усталостной прочности необходимо величину плотности тока выбирать значительно большей, чем это нужно для защиты деталей, находящихся в ненапряженном состоянии.

Из анализа литературных данных следует, что в случае уве­ личения плотности тока при катодной поляризации резко возра­ стает коррозионно-усталостная прочность стали (рис. 86). Однако

X 10" циклов).

167

жение коррозионно-усталостной прочности с увеличением плот­

в противоположных направлениях, а именно: торможение корро­

а значит и длительность защиты, при циклическом деформирова­ нии образцов примерно в 10 раз выше, чем это имеет место для случая, когда к детали не приложены нагрузки [177]. В качестве материала протектора можно использовать любой металл, имею­ щий электродный потенциал более отрицательный, чем защищае­ мая деталь. Наиболее часто для углеродистых сталей применяют цинк или магний. Разновидностью электрохимической защиты является анодная, основанная на пассивации поверхности металла. Д л я защиты от коррозии применяются анодные, катодные, орга­ нические и другие замедлители коррозии. К сожалению, работ, посвященных исследованию влияния ингибирования сред на вы­ носливость сталей, имеется весьма ограниченное количество.

168

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Коррозионно-усталостное разрушение является весьма распространенным видом разрушения, встречающимся практиче­ ски во всех отраслях техники. Оно приводит, как правило, к су­ щественному понижению несущей способности деталей и наносит большой материальный ущерб народному хозяйству. Несмотря на то что процессы коррозионно-усталостного разрушения металлов вот уже около полвека являются предметом интенсивных исследо­ ваний, в настоящее время еще не имеется единой теории коррози­ онно-усталостной прочности металлов.

Наибольшее распространение получила электрохимическая ги­ потеза коррозионно-усталостного разрушения, предложенная Эвансом, а также более универсальная адсорбционно-электрохи- мическая гипотеза, разработанная Г. В. Карпенко. Наличие этих и некоторых других теоретических разработок позволяет в опре­ деленной степени вскрыть механизм коррозионно-усталостного разрушения и наметить основные пути повышения коррозионной выносливости металлов.

На несущую способность деталей, находящихся в условиях одновременного воздействия циклических нагрузок и коррозион­

К числу таких факторов необходимо отнести относительную агрес­ сивность среды и характер ее взаимодействия с металлом (с кис­ лородной или водородной деполяризацией, с химическим раство­ рением, образованием новых соединений и т. п.), частоту, вид и уровень нагружения, изменение температуры среды, размер и форма детали, ее структурно-напряженное состояние, чистоту по­ верхности и т. д. Однако часть факторов, которые в воздухе вы­ полняют основную роль в усталостном процессе (чистота поверх­ ности, наличие концентраторов напряжений, прочность металла, обусловленная его химическим составом и термической обработ­ кой и т. п.), в коррозионной среде перестают быть решающими. С учетом этого для деталей, предназначенных для работы в такой коррозионной среде, как морская вода, использование низко- и

169

стве, не переводящем сталь в класс нержавеющих, не повышает коррозионно-усталостной прочности стали, а иногда даже сни­ жает ее. Необходимо оговориться, что речь идет о базах испытания, превышающих 5—10 млн. циклов нагружения, т. е. когда решаю­ щим в коррозионно-усталостной разрушении будет уже электро­ химический фактор. Пр и больших уровнях прикладываемых на­ пряжений, т. е. при относительно малом впемени воздействия среды, некоторый эффект от повышения прочности стали за счет

грузок и коррозионной среды, не всегда экономически оправдано повышение их чистоты, если это не диктуется особыми условиями. Дело в том, что изменение чистоты поверхности детали в пределах 3—12 класса не оказывает существенного влияния на условный предел коррозионной усталости углеродистых и легированных сталей при больших базах испытания (например, в 3%-ном раство­ ре NaCI), если изменение чистоты поверхности не является сопут­ ствующим фактором изменения структурно-напряженного состоя­ ния поверхностных слоев детали. Кроме того, при циклическом

20—50 млн. циклов нагружения их чистота существенно уменьша­ ется (до 5—б класса и ниже) вследствие протекания локализован ­ ных коррозионных процессов, обусловленных структурной неод­

щих сталей коррозионная среда ослабляет отрицательное влияние концентраторов напряжения на изменение выносливости стали, что, как было показано А. В . Рябченковым и Г. В. Карпенко, связано с более интенсивным растворением металла дна концент­ ратора напряжения как более анодного по отношению к соседним объемам металла, а также появлением сетки трещин у дна концент­ ратора, являющихся как бы дополнительными концентраторами напряжения, ослабляющими эффективность действия основного концентратора. В первом приближении разгружающее действие

170

уменьшению концентрации напряжений . Необходимо отметить, что если острота концентраторов напряжений будет высокой (как это имело место при предварительной коррозии сталей Х17Н2, Х17Н5МЗ), то в воздухе усталостная прочность значительно вы­ ше, чем в коррозионной среде, т. е. нивелирующее действие кор­ розионной среды сказывается слабее. Можно допустить, что для весьма острых концентраторов напряжений типа трещин, в кото­

сплавов Г. В . Карпенко, А. В . Карлашовым и другими исследова­ телями установлена инверсия масштабного фактора при усталости деталей в присутствии коррозионной среды, т. е. детали больших размеров (с большим опасным сечением) в коррозионной среде имеют выносливость выше, чем детали меньших размеров. Частота нагружения во всем реально используемом диапазоне значительно больше сказывается на прочности стали в коррозионной среде, чем в воздухе. С увеличением частоты нагружения детали вслед­ ствие увеличения термодинамической активности металла абсо­ лютное время службы детали уменьшается, хотя число циклов до разрушения может увеличиваться. Таким образом, при опреде­ лении влияния частоты нагружения в коррозионной среде на дол­ говечность детали нужно учитывать, в каких единицах изменяет­ ся долговечность.

Коррозионная выносливость сталей существенно снижается при наличии на поверхности деталей контактирующих тел или очагов трения. Если в воздухе величина снижения усталостной прочности определяется, главным образом, величиной контактных давлений и природой контактируемых деталей, то в коррозионной среде,

171

как показал Г. В . Карпенко с сотрудниками, указанные факторы не будут иметь решающего значения. Коррозионно-усталостная прочность будет существенно снижаться в любом случае — важно только наличие контакта, благодаря которому постоянно удаляют­ ся окисные пленки, идет активация тонких слоев металла и соз­ даются условия для проявления щелевой коррозии. Эффективными методами борьбы с вредным влиянием фретинг-коррозии при усталости в воздухе являются установка более мягких прокладок в зону контакта деталей, а также поверхностное упрочнение и на­ несение защитных покрытий. Т а к , диффузионное насыщение уг­

леродистой стали ванадием или алюминием больше чем на по­ рядок уменьшает фретинг-кор- розию.

сталей, не оказывают заметного влияния на их коррозионную вы­ носливость. Таким образом, как для углеродистых сталей, корро­ зионная стойкость нержавеющих сталей в ненапряженном состоя­ нии не может служить критерием д л я оценки их коррозионноусталостной прочности.

Изменить в 1,5—2 раза коррозионную выносливость нержавею­ щих сталей можно подбором режима термической обработки. Наиболее приемлемой температурой отпуска, обеспечивающей наилучшее сочетание прочностных и электрохимических свойств указанных выше мартенситных нержавеющих сталей, является температура в интервале 570—600° С. Более высокие температуры

172

(660—700° С) за счет разупрочнения твердого раствора снижают механические характеристики сталей.

С целью повышения усталостной и коррозионно-усталостной прочности дл я нержавеющих сталей в качестве финишной опера­ ции (после механической обработки) целесообразно применять повторный отпуск деталей при 500° G. Этот отпуск не меняет струк­ туру стали и приводит к снятию остаточных напряжений, возник­ ших при предшествующей механической обработке.

Влажный воздух (иммитация тропического климата) вызывает существенное снижение усталостной прочности сталей, в том числе нержавеющих на 20—35%, хотя для последних в ненапряженном состоянии коррозионных потерь в аналогичных условиях не об­ наружено.

Д л я углеродистых и низколегированных сталей наивысшим ус­ ловным пределом коррозионной усталости обладают образцы с пер- лит-ферритной или сорбитной структурой. Причем различие в ве­ личине коррозионной выносливости стали с разной структурой

нологии оказывает положительное влияние как на их усталостную,

ности в рабочих средах для стали Х17Н2 малоэффективен, а при больших усилиях обкатки даже оказывает отрицательное влияние. В то же время он является весьма результативным методом повы­ шения усталостной и особенно коррозионно-усталостной прочности мартенситных сталей, причем степень упрочнения возрастает с уве­ личением усилия обкатки до значительных величин. Причина низ­ кой эффективности поверхностного наклепа для повышения уста­ лостной прочности стали Х17Н2 заключается в том, что в стали содержится около 30% мягкой составляющей (б-феррита), распо­ ложенной в виде крупных, вытянутых вдоль оси прокатки зерен. В этой составляющей и происходит, в основном, локализация пла­ стической деформации, что приводит к большой неравномерности упрочнения по поверхности деталей.

- Д л я мартенситных нержавеющих сталей при оптимальных ре­ жимах обкатки предел усталости возрастает на 10—15%, а в кор­ розионной среде — в 1,5—2 раза. Эффект поверхностного ,наклепа сохраняется на этих сталях при температурах до 400° С. С целью увеличения эффективности поверхностного наклепа после обкатки