5.6. Коррозионно-механические разрушения элементов оборудования

Коррозионно-механические разрушения возникают при совместном воздействии на элементы оборудования коррозионно-активной среды и механической нагрузки.

Равномерная коррозия, поражающая как ненапряженный, так и равномерно-напряженный металл, наиболее благоприятна и не изменяет механических характеристик стали. Неравномерная коррозия (избирательная коррозия), вызванная структурной неоднородностью металла или наличием градиентов напряжений (особенно концентрацией напряжения), приводит к некоторому уменьшению прочности и пластичности мягких сталей. Очевидно, поражения металла от неравномерной коррозии влияют на механические характеристики стали так же, как влияет на них концентрация напряжений. Если искусственно сосредоточить коррозию в одном месте испытываемого образца путем изоляции всей остальной поверхности от действия коррозионной среды, то после 90 сут пребывания в 3%-ном водном растворе NaCl нормализованной стали 45 пластичность снижается на 30 % и разрушение происходит по прокорродировавшему участку.

Коррозия может даже увеличить статическую прочность, улучшить сопротивление удару в случае, если образцы до коррозии имели острые концентраторы типа трещин и царапин, которые в результате коррозии затупляются, в силу чего снижается концентрация напряжений.

Местная коррозия стальной проволоки, например, используемой для канатов, незначительно снижает ее прочность, но существенно уменьшает число перегибов, характеризующих пластические свойства материала (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Влияние местных коррозионных поражений на качество проволоки

Состояние проволок	Напряжение при разрыве σр		Число перегибов на 180°, %
	МПа	%
Некорродировавшая	1670	100	100
Имеющая местные незначительные коррозионные поражения	1590	96	61

При длительном действии статической нагрузки, меньшей предела прочности, на некоторые виды сталей в коррозионных средах может наблюдаться хрупкое разрушение металла.

Различают следующие виды коррозионно-механического разрушения элементов оборудования: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозия при трении.

Коррозионное растрескивание возникает при действии статических напряжений в весьма агрессивной по отношению к данному металлу среде.

Коррозионная усталость представляет процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Характер коррозионно-усталостного разрушения зависит от агрессивности среды, уровня действующих напряжений и частоты циклов.

Характерной особенностью коррозионной усталости металлов является отсутствие предела выносливости в отличие от усталости на воздухе. Под ограниченным пределом выносливости понимают максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний. На рис. 5.3 приведены кривые усталости стали 20Н2М при испытаниях на воздухе и 3%-ном водном раствореNaCl, насыщенном сероводородом.

Рис. 5.3. Кривые усталости стали 20Н2М в различных

средах: 1 - на воздухе; 2 - в 3%-ном водном растворе NaCl

Снижение сопротивления усталости стали в коррозионно-активных средах не зависит от общей коррозии и в ряде случаев наблюдается значительное снижение сопротивления усталости при малом коррозионном поражении металла. Это объясняется тем, что циклическое напряжение в таких средах не влияет на усиление общей коррозии, вызывает развитие глубинной межкристаллитной и главным образом внутрикристаллитной коррозии, приводящей к интенсивному возникновению трещин.

Сопротивление стали коррозионной усталости зависит от ее химического состава, термической и механической обработки, свойств коррозионной среды, напряженного состояния, частот приложения напряжения.

В табл. 5.2 приведены данные о влиянии коррозионно-активных сред на предел ограниченной выносливости конструкционных сталей, т.е. на максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, соответствующее циклической долговечности.

В свою очередь, отличительными признаками коррозионно-усталостного разрушения по сравнению с разрушением на воздухе являются:

а) отсутствие истинного предела выносливости;

б) отсутствие корреляции между механическими характеристиками при статическом и циклическом нагружении в воздухе и ограниченным пределом выносливости в среде;

в) специфический характер разрушения, обусловленный развитием в начальный период многих усталостных трещин, а не одной, как это имеет место при испытании в воздухе;

г) при воздействии коррозионной среды более резко проявляется влияние частотного фактора; с увеличением частоты нагружения увеличивается влияние механического фактора. При снижении частоты время воздействия среды на циклически деформируемый металл увеличивается, что усиливает влияние агрессивной среды;

д) влияние концентрации напряжений зависит от агрессивности среды по отношению к определенному металлу. Чем выше агрессивность среды, тем меньше влияние концентрации напряжений. В большинстве случаев чувствительность к концентраторам (острым надрезам, углублениям, неметаллическим включениям и др.) в агрессивных средах по сравнению с воздухом уменьшается. Однако влияние концентратора может резко усиливаться при условиях, когда металл находится в состоянии, близком к пассивному, и проявляется эффект щелевой коррозии (титан, нержавеющая сталь в морской воде).

Механическое изнашивание, усиливаемое явлениями коррозии, называют коррозионно-механическим изнашиванием. Различают следующие виды коррозионно-механического изнашивания: окислительное, фреттинг-коррозия, изнашивание в средах, являющихся электролитами.

Окислительное изнашивание происходит при наличии на поверхностях трения окисных пленок, предотвращающих сближение контактирующих поверхностей до расстояния, на котором происходит их схватывание. По мере износа окисные пленки вновь восстанавливаются вследствие взаимодействия металла с кислородом воздуха.

Фреттинг-коррозия - процесс изнашивания, представляющий сочетание фреттинга с коррозией. Фреттингом называют особый вид изнашивания контактирующих поверхностей, совершающих под нагрузкой очень малые повторные относительные перемещения, например, продольные вибрации.

Таблица 5.2

Влияние коррозионно-активной среды на сопротивление стали

усталостному разрушению

Марка стали	Структура	Значение коэффициента влияния среды
		Н20	Н20 + + 3%-ный NaCl	Насыщенный раствор H2S
45 40Х	Перлит + феррит Сорбит Троостит Мартенсит Поверхностная закалка ТВЧ (мартенсит) Перлит + феррит Сорбит Троостит Мартенсит	0,61 0,53 0,35 0,15 0,69 0,66 0,44 0,43 0,17	0,42 0,36 0,23 0,08 0,58 0,38 0,22 - -	0,37 0,32 0,22 0,05 0,56 - - - -

Изнашивание в средах, являющихся электролитами, представляет сочетание механического изнашивания с коррозией.