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

Д л я стали 1Х18Н9Т увеличение диаметра образца с 10 до 60 мм привело к снижению усталостной прочности как в воздухе, так и в коррозионной среде, т. е. инверсия масштабного фактора, которая имеет место при испытании углеродистых и многих леги­ рованных сталей, не обнаружена [27]. Отсутствие инверсии мас­ штабного фактора объясняется склонностью стали 1 Х 1 8 Н 9 Т к ще­ левой коррозии, которая протекает более интенсивно у образцов большого диаметра. Принимается, что щелевой эффект может воз­

стали 40Х различного диаметра и длины установлено. снижение предела выносливости при изгибе геометрически подобных образ­ цов диаметром свыше 5 мм с увеличением их длины. Так , дл я об­ разцов диаметром 20 мм увеличение отношения длины рабочей части к ее диаметру с 1 до 15 приводит к снижению предела вы­

нако наблюдается инверсия масштабного фактора с изменением диаметра образца (рис. 41). Влияние коррозионной среды на мас­ штабный эффект определяется временем ее действия. При ограни­ ченном времени действия среды, когда коррозионные процессы не успевают проявиться, масштабный эффект может быть прибли­ зительно таким же , как при испытании в воздухе.

Высказанная Г. В . Карпенко [73] гипотеза, что всякая причи­ на, увеличивающая прочность поверхностных слоев, должна уве­ личивать выносливость малых образцов по сравнению с большими и наоборот, хорошо объясняет повышение коррозионно-усталост­ ной прочности с увеличением диаметра образца и уменьшением

его длины. Чем больше диаметр образца, тем меньше он разупрочняется коррозионной средой. Имеются у к а з а н и я [27], что д л я аустенитных сталей, склонных к коррозионному растрескиванию

сувеличением диаметра образца в коррозионной среде (3%- ный раствор NaCl), коррозионная усталость снижается. Чем длиннее образец, тем больнш вероятность зарождения коррозионных пора­ жений на его поверхности; поэтому он менее прочный по сравнению

сболее коротким образцом.

Проявление масштабного фактора в зависимости от длины об­ разца обнаружено [78] т а к ж е при испытании образцов диаметром 4 мм из отожженной стали 40Х при пульсирующем осевом растя­ жении и воздействии коррозионной среды. Т а к , с увеличением

снижение долговечности становится более заметным. Таким обра­ зом, статистический фактор проявляется в случае равномерного распределения напряжений по сечению образца, т. е. в случае

выносливость этой же стали в аналогичных условиях. Авторы ра­ боты [78] заключают, что д л я образцов диаметром 10 мм из стали 40Х статистический фактор не оказывает заметного влияния на сопротивление усталости и коррозионной усталости при пере­ менном растяжении. Это обстоятельство не противоречит стати­ стической теории, а только подтверждает ее вывод о затухающем влиянии фактора неоднородности металла.

Авторы работы [17] при изучении влияния длины образца на циклическую прочность нестабильных аустенитных и аустенитомартенситной сталей (30Х10ГТО; 44Х10Г7; 70Х7Н7) указывают, что статистическая теория прочности [10], хотя и удовлетвори­ тельно объясняет экспериментальные данные по масштабному фак­ тору, не учитывает всех условий (структурных изменений, нагрева образца в процессе циклического нагружения, теплоотвода и т. д.), при которых происходит пластическая деформация. Ими показа­ но, что на циклическую прочность сталей при знакопеременном изгибе с вращением, помимо статистического фактора, существен­ ное влияние оказывает кинетический фактор, а также соотношение и интенсивность процессов упрочнения и разупрочнения при не­ прерывном нагружении различных по величине объемов металла.

Пользуясь анализом размерностей и л-теоремой, авторы работы [196] попытались определить критерии подобия для случая кор­ розионного воздействия внешней рабочей среды на геометри­ чески подобные образцы из одного и того же материала, подверг­ нутые циклической нагрузке . Учитывая, что на процесс корро- зионно-усталостного разрушения влияют такие величины, как потеря веса при коррозии Ки» длина образца /, диаметр образца d, поверхностная концентрация электролита / ( , время испытания t,

84

по правилу я-теоремы критерии подобия можно записать в виде

при испытании образцов диаметром 5 и 20 мм из стали 40Х с пер- лит-ферритной структурой в водном растворе NaCI.

Таким образом, авторы работы [196] приходят к выводу, что в некоторых случаях вместо натурных испытаний крупных дета­ лей машин, работающих, например, в морской воде, можно про­ водить лабораторные испытания на образцах значительно мень­ ших размеров, соответствующим образом изменив параметры воз­ действия среды.

П р и испытании стали 40Х с перлит-ферритной структурой было установлено [141], что наличие концентраторов напряжений на

усталостной прочности с увеличением диаметра образцов (в диа­

ше уже на 183%. Связь масштабного эффекта при коррозионной усталости стали с концентрацией напряжений исследованы на образцах диаметром 5; 20 и 40 мм из отожженной стали 40Х, ослаб­ ленных кольцевыми V-образными канавками со следующими па­

вращающихся образцов. Б а з а испытаний в коррозионной среде (3%-ный раствор NaCI в водопроводной воде) равна 5 X 107 цик­ лов. В работе [144] показано, что масштабный эффект при уста­ лости в воздухе находится в тесной связи с концентрацией напря ­ жений. Коррозионно-усталостная прочность образцов зависит ка к от их диаметра, так от остроты надреза. Сама же острота концент­ ратора не одинаково влияет на выносливость образцов различного диаметра в коррозионной среде. Чувствительность концентрации напряжений при коррозионной усталости с увеличением диаметра образца уменьшается, т. е. наблюдается явление, противополож­ ное отмеченному при испытаниях в воздухе (рис. 42). Н а основании

85

проведенных исследовании, из которых следует, что чувствитель­

ных со стальными (нормализованная сталь 45), латунными (Л-62) и

розионно-усталостную прочность стальных деталей с насадками влияют три фактора: концентрация напряжений, циклическое тре­

8 6

Г Л А В А IV

П О В Ы Ш Е Н И Е КОРРОЗИОННО - УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СТАЛЕЙ М Е Т А Л Л У Р Г И Ч Е С К И М И МЕТОДАМИ И ПЛАСТИЧЕСКИМ Д Е Ф О Р М И Р О В А Н И Е М

1. Легирование и рафинирование

Поскольку влияние химического состава сталей на их несущую способность при циклическом деформировании в кор­ розионной среде подробно рассматривалось в гл. I I I , напомним лишь некоторые основные положения и выводы. В частности, уве­ личение содержания углерода в железоуглеродистых сплавах от 0,1 до 0,8% в среднем повышает условный предел коррозионноусталостной прочности нормализованных образцов диаметром 5— 10 мм при чистом изгибе их в 3%-ном растворе NaCl, частоте 50 гц

ловный предел коррозионной выносливости не выше 10 кГ 1мм2. Увеличением содержания хрома до 12—13% и выше, никеля —

ческой обработки и рафинирования удается повысить условный предел коррозионно-усталостной прочности образцов диаметром 10 мм в 3%-ном растворе NaCl до 10—18 кГ 1мм2. Д л я аустенитных, отдельных сложнолегированных мартенситных сталей или сталей переходного класса условный предел выносливости при указан ­ ных выше условиях составляет 16—20 кГ/мм2.

Д л я получения высококачественных металлов в современной металлургии все шире начинают использовать различные методы рафинирования металлов с помощью вакуумного, электрошлако­ вого, электроннолучевого, плазменно-дугового переплавов, изме­ нения технологии конечного раскисления и т. п. Все эти .методы

88

н а п р а в л е ны на улучшение чистоты сталей по вредным примесям (кислород, сера, фосфор), а также по неметаллическим включени­ ям. Металлы после рафинирования указанными способами имеют, как правило, более высокие показатели механических свойств, высокую плотность, физическую однородность, меньшую анизо­

ШХ15 увеличивается с 10 до 12 кГ 1мм2, а для закаленной и низко-

показано, что применение указанных методов рафинирования по­ вышает предел выносливости стали ШХ15 в воздухе с 68—72 до 94—97 кГ'/мм2. Наибольшее повышение выносливости наблюдае­ тся дл я сталей ЭШП и двукратного ВП . Испытания проводились на образцах диаметром рабочей части 10 мм при чистом их изгибе с вращением при чистоте нагружения 50 гц.

Рафинирование оказывает существенное влияние на выносли­ вость высокопрочной закаленной стали ШХ15 в воздухе и в такой слабоагрессивной среде, как в л а ж н ы й воздух. В 3%-ном растворе NaCl при базе 5 X 107 циклов нагружения условный предел вы­ носливости снижается в 15—20 раз и составляет всего 5,7—6,7% от пределов выносливости этих сталей на воздухе. По абсолютному значению при указанной базе испытаний условный предел корро­ зионно-усталостной прочности составляет 4—6 кГ/мм2 независимо от способа рафинирования стали. Причем с увеличением базы ис­

стали ШХ15 позволит получить ощутимый эффект только в усло­ виях воздействия на циклически деформированный образец нейт­ ральной либо слабо агрессивной среды. С увеличением агрессив­ ности среды эффект от рафинирования с помощью переплавов при коррозионной усталости уменьшается, а при больших базах испы­ тания, когда решающая роль принадлежит электрохимическому фактору, — сводится к нулю.

Электрошлаковый переплав способствует повышению предела выносливости стали 15Х16Н2М на 3—7 кГ/мм2. В работе [57]

89

было показано, что эффективность ЭШП сказывается более замет­ но для сталей, подвергнутых после закалки отпуску при более низкой температуре. Благоприятное влияние ЭШП на выносли­ вость можно объяснить повышением чистоты стали по неметалли­ ческим включениям и уменьшением анизотропии механических характеристик. Закаленная сталь 15Х16Н2М ЭШП после отпуска при температуре 570° С в течение трех часов состоит из отпущен­

щенной при сравнительно низкой температуре) объясняется меньшей чувствительностью стали к структурной неоднородности и концен­ трации напряжений . Повышение температуры отпуска до 660° С не­ сколько стабилизирует структуру стали и проявление структурной неоднородности слабее, а эффективность ЭШП ниже. С повышением температуры отпуска углеродистых и низколегированных сталей выше 400° С наблюдается снижение их усталостной прочности в воздухе. Однако для высоколегированных сталей, особенно для стали 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А , начало такого снижения сдвигается в об­ ласть более высоких температур отпуска за счет большей стабиль­ ности упрочняющих фаз. Электрошлаковый переплав для стали 15X16Н2М способствует повышению условного предела коррозион­ ной выносливости, причем при более низком отпуске закаленной

90

стали (570° С) эффективность ЭШП так же оказывается более за­ метной, чем для сталей, отпущенных при повышенной температуре (660° С). Повышение условного предела коррозионной усталости стали вследствие рафинирования объясняется уменьшением элект­ рохимической гетерогенности поверхности, т. е. ухудшением ус­ ловий для образования эффективных коррозионных элементов с участием неметаллических включений. Разность в условных пре­ делах коррозионной усталости электрошлаковой стали и стали открытой выплавки более ярко выражена для стали с 16%-ньш содержанием хрома, чем с 12%-ным. Таким образом, степень ле­ гирования электрошлаковой стали заметно влияет на повышение коррозионно-усталостной прочности; дл я высоколегированных сталей 1Х12Н2ВМФ, 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А и 15Х16Н2М открытой вы­ плавки содержание легирующих элементов не оказывает суще­ ственного влияния на изменение их коррозионно-усталостной прочности.

На основании имеющихся немногочисленных данных можно заключить, что рафинирование сталей с помощью различных ви­ дов переплавов заметно влияет на усталостную прочность в воздухе и слабо агрессивной среде (влажный воздух) с увеличением агрес­ сивности среды, а также с увеличением времени воздействия сре­ ды, т. е. когда превалирующим является электрохимический фак­ тор, эффективность рафинирования с помощью переплава суще­ ственно уменьшается.

В последнее время значительное внимание уделяется улучше­ нию физико-механических свойств углеродистых и низколегиро­ ванных сталей с помощью усовершенствования методов конечного

уменьшает в стали содержание кислорода, серы, фосфора, а также неметаллических включений (оксидов, сульфидов, оксисульфидов), что оказывает положительное влияние на повышение прочности, ударной вязкости, понижение порога хладоломкости и т. д. При ­ менение для конечного раскисления литой стали 35 алюминия, силикокальция и ферроцерия значительно улучшает свойства этой

свойствам сталь комплексно раскисленная приближается к ка­ танной стали 35 [176].

Испытания на усталость образцов из стали 20 с диаметром рабочей части 10 мм в воздухе, дистиллированной и водопровод­ ной воде показали [113], что минимальным условным пределом выносливости в указанных средах обладала сталь основной вы­ плавки. Стали кислой выплавки, а также дугового вакуумного переплава (ДВП) имеют предел усталости выше в воздухе на 10— 12%, а в коррозионных средах на 5—17%, т. е. на 2—2,5 кГ/мм2. Сравнительно небольшое влияние чистотысталей на выносливость

91

в данном случае объясняется большей величиной зерна, что долж­ но якобы уменьшить роль неметаллических включений как кон­ центраторов напряжений . Кроме того, усталостное разрушение носит транскристаллитный характер, а неметаллические включе­ ния располагаются, как правило, по границам зерен. Некоторый эффект влияния способа выплавки сохраняется и при повышенных

роды включения [51], необходимо при оценке эффективности того или иного метода рафинирования учитывать не только количест­ венную сторону, но и качественную — свойства, природу и гео­ метрию включений, их расположение и размеры.

2.Термическая

итермомеханическая обработка

но-усталостной прочности обладают образцы, закаленные и отпу­ щенные при 300—350° С. К а к увеличение, так и уменьшение тем­ пературы отпуска приводит к снижению выносливости сталей 45 и 40Х, т. е. максимальный условный предел коррозионной вынос­ ливости в воде и 3%-ном растворе NaCl имеют образцы с трооститной и троосто-мартенситной структурой, обеспечивающей также наибольшую выносливость стали в воздухе. Такую закономерность, очевидно, можно объяснить сравнительно малой базой испытания (2 X Ю 7 циклов). С увеличением базы испытания, а также агрес­ сивности среды различие в условных пределах коррозионно-уста­ лостной прочности, например, для сталей с трооститной и перлитферритной структурой, уменьшается.

Повышение температуры отпуска выше 400° С д л я всех сталей приводит к понижению предела усталости (рис. 44). Однако д л я исследуемых нержавеющих сталей интенсивное снижение предела усталости сдвигается в область более высоких температур отпуска,

92