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

среды. Поскольку конструкция существующих испытательных машин, принцип их работы, технические характеристики широко освещены в литературе [19, 118,182, 201J, подробно на этом вопро­ се останавливаться не будем. В данной работе кратко рассмот­ рены используемые нами конструкции и приспособления к суще­ ствующим машинам, необходимые для коррозионно-усталостных испытаний, а также те установки, которые не нашли должного освещения в литературе.

Наиболее распространенные приспособления для исследования коррозионпо-усталостной прочности образцов при чистом изгибе или кручения в нейтральных электролитах, находящихся при

I Подача i среды

Рис. 3. Схемы приспособлений для подвода коррозионной среды к об­ разцам, нагружаемым по принципу чистого изгиба с вращением:

а — закрытая камера; б — открытая камера; в — приспособление для подвода

среды капельным методом.

в среду, содержание кислорода в которой может быть регламен­ тировано. При испытании образцов на коррозионную выносли­ вость в приспособлении, схема которого показана на рис. 3, б,

постоянно обогащается кислородом. Приспособление, показанное на рис. 3, в, предназначено для периодической или постоянной подачи среды на образец капельным или струйным методом или, как часто встречается в литературе, методом орошения. При таком методе подвода среда наиболее обогащена кислородом. Аналогич­ ные приспособления типа ванночек широко используются для исследования выносливости сталей в коррозионной среде на ма­ шинах с вертикальным расположением образцов.

При выборе типа приспособления необходимо иметь в виду, что на величину коррозионной выносливости будет оказывать влияние метод подвода среды, что связано с возможностью растворения раз­ л и т о г о количества кислорода в электролите.

10

Г. В. Карпенко и другие [85] показали, что коррозионноусталостная прочность углеродистой стали в нейтральных электро­

усиливается с увеличением базы испытаний. При воздействии на циклически деформируемую сталь дистиллированной водой ин­ тенсивный доступ кислорода создает условия для пассивации по­ верхности, и коррозионно-усталостная прочность деталей повы­ шается по сравнению с испытаниями в условиях затрудненного доступа кислорода. При наличии в нейтральном электролите депассиватора хлор-иона (3% -ный раствор NaCl) коррозионно-уста-

исследований авторы работы [85] рекомендуют при определении

Агрессивность коррозионной среды, ее природа, состав — важ ­ нейшие факторы, обусловливающие несущую способность сталь­ ных деталей при их циклическом нагружении . С увеличением агрессивности среды роль других факторов (структуры, химиче­ ского состава стали, ее обработки) уменьшается. Некоторые све­ дения о влиянии воздуха, растворов нейтральных электролитов, кислот и т. п. приведены в литературе, где эти вопросы сравни­ тельно полно обобщены и систематизированы [26, 67, 1771.

Представление о воздухе как об эталоне коррозионно-инерт- ной среды весьма условно по двум главным причинам. Во-первых, в воздухе может содержаться различное количество влаги, газов, паров разных веществ и т. п., что повышает химическую агрессив­ ность воздушной атмосферы, не говоря уже о содержании кисло­ рода, который может сам по себе оказывать большое влияние на выносливость некоторых металлов. Агрессивность атмосферы воз­ духа в зависимости от условий может меняться в 100 раз [250]. Во-вторых, различные материалы обладают разной активностью по отношению к коррозионным средам.

Известно, что результаты испытаний, проведенных в вакууме, когда были исключены влияния адсорбции кислорода и влаги воз­ духа, показали лучшую выносливость стали в вакууме, чем в воз­ духе. Однако усталостные испытания в воздухе являются наибо­ лее распространенными и подавляющее большинство опублико­ ванных в литературе данных получены в воздухе. Следовательно, эта среда обычно принимается за эталонную.

Наиболее часто испытания на усталость сталей в средах про­ водятся на стандартных машинах типа Н У и МУИ-6000 с частотой н а г р у ж е н и я около 3000 цикл/мин. Эти машины работают с

11

постоянной нагрузкой в течение всего периода испытания вплоть до разрушения образца. Обычно база для испытаний образцов на усталость в воздухе принимается равной 107 циклов, а в кор­ розионной среде 5 X 107 циклов. Принятые базы испытаний обес­ печивают достаточно полные данные о пределе усталости в воздухе и характере кривых усталости в коррозионных средах.

Влияние среды на усталость обычно учитывают коэффициентом влияния среды р с , который определяется отношением условного предела коррозионной усталости металла в данной среде сг1с к пределу выносливости его в воздухе а _ х при той же базе испытаний,

т. е. р с = o_ic/a_i.

Изменение общего электродного потенциала металла при одно­ временном воздействии коррозионной среды и знакопеременных растягивающих напряжений в определенной степени характери ­ зует процесс его коррозионно-усталостного разрушения [177, 204].

Измерение общего электродного потенциала в процессе цикли ­ ческого нагружения образцов было проведено на разработанной нами [79] установке (рис. 4, а), которая отличается от описанной в литературе [61] более надежным способом включения вращаю ­ щегося образца в измерительную цепь при помощи конструктивно измененного токосъемника с серебряными контактами, исключаю­ щими возникновение паразитной э. д. с. Установка включает в себя машину 1 для испытания материалов на усталостную проч­ ность, работающую по принципу чистого изгиба с вращением об­

электрод сравнения 10 с капилляром 9. Запись изменения элект­ родных потенциалов осуществляется самопишущим милливольт­

форматор 5 подключается двигатель мешалки 6. Измерение и ре­ гулирование температуры в термостате осуществляется с помощью контактного термометра 7, соленоидного клапана 8, запорного вентиля 9 и змеевика 10.

Исследования проводили на образцах с диаметром рабочей части 5 мм. На головки образцов напрессовывали фторопластовые втулки, изолирующие вращающийся образец от сальников ванны

12

с коррозионной средой. Поверхность образцов, за исключением рабочей части, покрывали химически стойким лаком. Нагружение осуществляли чистым изгибом образцов, вращающихся с частотой около 3000 цикл]мин.

®Щ

Рис. 4. Схемы установки (а) для измерения электродного по­ тенциала образца в процессе коррозионно-усталостных испы­ таний и термостата (б).

Д л я исследования выносливости сталей в условиях одновре­ менного действия циклических нагрузок, коррозионных сред и внешнего трения нами сконструировано специальное приспособ­ ление к серийной машине МУИ-6000, обеспечивающее наложение на циклически изгибаемый образец элементов трения скольжения и трения качения (рис. 5) [110, 111].

При наложении трения скольжения образец 1 помещается между верхним 3 и нижним 2 вкладышами, а при наложении тре­ ния качения — между специальными обоймами с роликами. Ве­ личина контактного давления задается с помощью сменных грузов 7, которые соединены с нижним и верхним вкладышами через систе­ му тяг 4 и штока 5, установленного в плавающих направляющих 6.

13

так, что не вызывает дополнительного изгибающего момента в ис­

моментным роторным пневмоцилиндром 7. Симметричный чистый изгиб образца достигается пневмоцилиндрами 3, подключенными

20 19

Рис. 6. Принципиальная схема машины для испытания материалов на прочность в коррозионной среде [166].

к системе сжатого воздуха 6. Введение в пневмосистему электрон­ ного блока-программатора 5 позволяет программировать нагру­ жение во времени. При циклическом изгибе образец получает

14

вращение от электродвигателя через клиноременную передачу и гибкий вал 8. Кручение образца в циклическом режиме совер­ шается моментным роторным пневмоцилиндром и многочастотным пульсатором. Циклическое продольно-осевое нагружение осуще­

в газообразных средах предусмотрена установка на машине газо­ вой камеры (вместо электролитической ячейки). Количество цик­ лов до разрушения образца регистрируется счетчиками 9, 13, 16. При разрушении образца датчик 14 подает сигнал в блок-програм­ матор, который отключает поступление сжатого воздуха в пневмосистему, гидроаккумулятор 17, маслонасос 18, электропривод кругового вращения и насос подачи коррозионной среды. Смена или установка образца осуществляется при помощи гидроцилиндра растяжения путем отвода каретки с цанговым патроном 15 или механизма «шестерня — рейка» в крайнее левое положение.

Описанная машина обеспечивает достаточную точность испы­ таний, проста в управлении, обслуживании и может работать

вавтоматическом режиме [1661.

Дл я решения наиболее важных вопросов по оценке несущей способности деталей машин при неустановившейся тепловой на­ грузке или при одновременном воздействии повышенных темпе­ ратур и рабочих сред требуются новые методы испытания металлов.

Известные методы исследования материалов на усталость (из­ гиб с вращением) в воздухе и в коррозионной среде при нормаль­ ной температуре, в воздухе при повышенных температурах и во влажном воздухе не всегда могут в полном объеме характеризовать свойства материалов, применяемых в авиационной, энергетиче­ ской и других отраслях промышленности.

Д л я оценки усталостной прочности материалов специальных энергетических установок необходимо создать новые методики ис­ пытания материалов на усталость при периодическом смачивании нагретых до 400—600° С образцов брызгами коррозионной среды (вода, морская вода и т. п.), что приближает такие испытания к эксплуатационным условиям. Усталостные испытания материа­ лов по новой методике осуществлялись на машине, созданной на базе МУИ-6000 и работающей по принципу чистого изгиба с меха­ ническим нагружением по типу Лера — Шенка (рис. 7) [80]. Испы­ туемый образец 3 нагревался в разъемной (в вертикальной пло­ скости) электропечи сопротивления 4. Контроль и регулирование температуры электропечи выполнялось термопарой 11 и автома­ тическим потенциометром типа ПСР1-03. Охлаждение барабанов испытательных машин осуществлялось с помощью змеевиков 1

15

и вентиляторов отражателей 2. Рабочая часть образца смачива­ лась коррозионной средой из вспрыскивателя 5, питаемого диафрагменным насосом 8. Насос приводился в действие от силового электромагнита 9 посредством рычага и тяги 7. После нагрева об­ разца до заданной температуры электропечь 4 отключается авто­ матически потенциометром с помощью термопар 11. Одновременно включается электромагнит, приводящий в действие диафрагмен-

Рис. 7. Схема машины для испытания материалов на усталость при повышенных температурах и периодическом смачивании жидкой средой.

кой среды из емкости соответствует втягиванию сердечника элект­ ромагнита. При этом переключатель нажимает на концевой пере­ ключатель 10 и размыкает электроцепь питания силового электро­ магнита. Под действием пружины диафрагменного насоса рычаг 7 с тягой и сердечником электромагнита перемещается, осуществляя процесс нагнетания — смачивание образца коррозионной средой. В левом крайнем положении рычаг нажимает на концевой выклю­ чатель 10 и соединяет электроцепь силового элетромагнита. В ре­ зультате процесс всасывания и нагнетания среды повторяется до

сферу) и потенциометр, выключая электроцепь питания силового электромагнита (подача жидкой среды прекращается), включает электропечь. Образец опять нагревается до заданной температуры

16

и процесс работы автоматического устройства для периодической подачи среды повторяется.

Частота подачи коррозионной среды (длительность цикла) за­ висит от скорости нагрева образца и может регулироваться в ши­ роком диапазоне. Количество подаваемой среды на нагретый об­

Н а п р я ж е н и я в образце прямо пропорциональны амплитуде коле­ бания ролика.

Питание одного полюса электромагнита обеспечивается кон­ тактом между вращающейся медной втулкой и медно-графитовой щеткой. Медная втулка напрессована Е,а текстолитовую, жестко соединенную с валом привода. Ролик иьготовлен из ферромагнит­ ной стали, все остальные узлы и детали рабочей камеры — из аустенитной нержавеющей стали.

Датчики сопротивления 20, расположенные на нижней полости захвата 4, фиксируют изменение напряжения в образце.

Нагрев образца осуществляется электропечью сопротивления, температура его измеряется термопарой 18 с учетом поправочного коэффициента от тарировки по термопаре, вваренной в торец об­ разца.

нения камеры средой из бака 15 под давлением, а манометр 3 —

не менее пяти образцов. Тарировку усилия, действующего на об­

ся с помощью вентилятора 8 и перепускного рукава 10. Испытуемый

МУИ-6000 было разработано приспособление, состоящее из камеры в виде сильфона 5 из нержавеющей стали с приваренными по тор­ цам фланцами (рис. 10) [52 ]. Герметизация камеры осуществлялась с помощью фторопластовых уплотнителей 2 и зажимных гаек 1. Камера наполнялась коррозионной средой через патрубок 3, к которому в процессе испытаний присоединяли обратный холо­

18

риментальных точек. При большом разбросе результаты экспери­

5), на которых испытывают по несколько (иногда до 10) образцов. На основании усредненных результатов строят кривые выносли­ вости с заданной вероятностью разрушения .

Последний метод часто используют при исследовании мало­ цикловой усталости металлов в средах, где образцы деформи­ руются в упруго-пластической области и время до разрушения сравнительно невелико.

5. Методика получения предварительных коррозионных повреждений поверхности образцов

На практике часто имеют место случаи эксплуатации деталей с коррозионными поражениями поверхности, особенно тогда, когда эти поражения располагаются не на посадочных ме­ стах деталей. Поэтому необходимо выяснить влияние предвари­ тельной коррозии образцов на сопротивление их выносливости в воздухе и в коррозионной среде.