Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007

сток, не допускать выступов и тупиков, вызывающих турбулентность и застойные зоны по всей линии системы.

Рис. 7.57. Влияние геометрии форм металлоконструкций на появление турбулентности в движущейся жидкости

7.5.4. Учет влияния механических нагрузок

Оптимальным решением проектируемого объекта является его коррозионная стойкость в сочетании с механической прочностью при эксплуатации в конкретной среде.

Прочность материалов зависит от ряда статических и циклических напряжений, возникающих в условиях эксплуатации. Это, вопервых, растягивающие напряжения, обусловленные геометрическими формами деталей; во-вторых, напряжения, возникающие при изготовлении и сборке (включая термообработку и сварку); в-третьих – рабочие напряжения.

В ряде случаев к механическим факторам, усиливающим коррозионное разрушение материалов, следует отнести вибрацию и неустойчивые колебания, а также ударное воздействие.

Для изготовления тяжело нагруженных и ответственных сооружений и деталей оборудования, предназначенных для работы в жестких условиях, лучше не применять металлы и сплавы, склонные к коррозионной усталости, коррозионному растрескиванию и водородной хрупкости. Следует предпочитать материалы стойкие одновременно к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением, особенно при наличии остаточных и возникающих вновь напряжений.

581

В средах, где возможно коррозионное растрескивание, коррозионная усталость и фреттинг-коррозия, любой выбор пар разнородных металлов должен быть основан на использовании совместимых материалов. Чтобы предотвратить коррозионное растрескивание, вызываемое растягивающими напряжениями, конструктор должен предусмотреть операции по предварительной обработке изделий, в частности, гибке, штамповке, пластической деформации, которые должны проводиться в отожженном состоянии с минимально возможными на практике величинами напряжений или предусмотреть снятие их поверхностной обработкой или термообработкой.

Сочетание пульсирующих нагрузок и концентрации напряжений приводит к коррозионной усталости. Для повышения усталостной прочности, а также для создания остаточных сжимающих напряжений на одной или обеих трущихся поверхностях следует предусмотреть операции обработки изделий, позволяющие вызвать механическое и дисперсионное упрочнение, измельчение зерна и фазовые превращения металла. Такими операциями могут быть термообработка, пламенная закалка, закалка индукционным нагревом, цементация или азотирование, обработка потоками ионизированных и нейтральных атомных частиц и электронов, лазерное облучение поверхности.

При наличии вибраций высокой частоты сопрягаемые детали подвергаются незначительному относительному перемещению (скольжению), что может явиться причиной локализованного разрушения контактируемых поверхностей. Предупредить этот вид разрушения на стадии проектирования можно: отсутствием конструктивных элементов, передающих вибрацию; введением барьеров между металлами, скользящими относительно друг друга; посредством увеличения сжимающей нагрузки до прекращения взаимного скольжения.

7.5.5. Рациональные способы сборки конструкций

Основными видами соединений деталей являются болтовые и клепаные соединения, сварка, пайка и клейка. Выбор вида крепле-

582

ния деталей и технологии сборки конструкции проводится с учетом конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

Крепежные болтовые (винтовые) детали должны обеспечивать надежное соединение металлических элементов, а также их легкую разборку. При эксплуатации в агрессивных средах крепежные детали не должны быть анодными по отношению к обеим соединяемым деталям. Если используются крепежные детали из металла, являющегося анодным по отношению к катодной соединяемой детали, а диэлектрическое разделение применить нельзя, то на крепеж следует нанести покрытие из более электроотрицательного металла (например, алюминия, цинка или кадмия) или использовать герметизацию (капсулирование), например, цинкохроматным грунтом (рис. 7.58).

Рис. 7.58. Герметизация болтового соединения

Надежность соединений клепкой в значительной степени зависит от коррозионной стойкости заклепок, технологии их постановки и способа защиты соединения. Металл заклепок в соединениях должен быть электроположительнее основного металла, в противном случае ответственная часть конструкции, обеспечивающая прочность и занимающая малую площадь, оказывается в контакте с катодной поверхностью и подвергается коррозии (рис. 7.59,а).

При использовании гальванически оцинкованных или металлизованных цинком стальных шайб уменьшается контактное разрушение анодного металла заклепки (рис. 7.59,б). Эксплуатация соединений с помощью заклепок в агрессивных средах предполагает дополнительную защиту в виде специальных покрытий (например, из цинкохроматных грунтов) (рис. 7.59,в). При правильном расположении заклепок в конструкции устраняется возможность попадания и скопления электролита в щелях и зазорах вблизи клепанных соединений.

583

Рис. 7.59. Заклёпочные соединения:

а– неудачное решение; б – удачное решение; в – изоляция контактов;

г– исключение щелевой коррозии

Избежать возникновения щелевой коррозии в клепанных соединениях можно путем уплотнения зачеканкой или размещением между соединяемыми деталями прокладки из пластиков или резины, что способствует не только герметизации соединения двух деталей, но и препятствует протеканию контактной коррозии.

Сварка является универсальным и широко распространенным способом соединения деталей, конструкций и сооружений. Кроме обычных требований к сварочным соединениям, таких как отсутствие в них трещин, пор, шлаковых включений и других дефектов макро- и микроструктуры, в зависимости от условий эксплуатации и ответственности соединения, к ним предъявляются специальные требования: высокая стойкость шва и околошовной зоны против общей и межкристаллитной коррозии, жаростойкость и жаропрочность, пластичность и ударная вязкость и др.

Одним из недостатков сварных соединений является возникновение значительных по величине остаточных напряжений. С целью

584

снижения их вредного влияния на прочностные свойства изделия следует стремиться к сокращению скопления сварных швов, их пересечение, образование замкнутых контуров, ограничивать применение сварки внахлестку, использовать сварку встык, обеспечивать плавные переходы между свариваемыми деталями, снимать остаточные напряжения термообработкой.

Примеры удачных и неудачных вариантов соединения деталей сваркой приведены на рис.7.60.

Рис. 7.60. Примеры сварных соединений

Соединение пайкой отличается от сварки тем, что при сварке основной и присадочный материалы находятся в расплавленном состоянии, а при пайке основа не плавится. Процесс получения неразъемного соединения основан на физико-химическом взаимодействии твердого паяемого и жидкого (расплавленного) присадочного металлов.

Используемые для пайки (как и для сварки) металлы и припои должны быть более благородными (катодными), чем соединяемые металлы, и совместимы с ними.

Для обеспечения надежного соединения пайкой необходимо соблюдать ряд технологических приемов. Например, достигать рав-

585

номерного зазора между соединяемыми деталями на этапе сборки (рис. 7.61, а), обеспечивать фиксацию соединяемых деталей в процессе пайки; обеспечивать равномерность (по толщине) расположения припоя между соединяемыми деталями (рис. 7.61,б); в трубчатых соединениях следует избегать пайки встык, лучше паять внахлестку (рис. 7.61,в).

Рис. 7.61. Примеры правильного и неправильного соединения

спомощью пайки:

а– соблюдение и фиксация равномерного зазора между соединяемыми деталями; б – равномерность расположения припоя; в – пайка внахлёстку –

более предпочтительный вариант

Склеивание металлических деталей по сравнению с традицион-

ными соединениями имеет ряд преимуществ. В большинстве случаев склеивание создает герметичное соединение, не ослабляет сечения сопрягаемых деталей, равномерно распределяет напряжения по всей плоскости соединения, обеспечивает высокую циклическую прочность соединения, создает прочное, плотное и коррози- онно-стойкое соединение разнородных металлов, сохраняет гладкую поверхность деталей. Однако клеевые соединения плохо выдерживают совместное действие изгибающих моментов и отрывающих усилий, а при повешенных температурах их несущая спо-

586

собность снижается. Эти недостатки устраняются при введении смоляных клеев в заклепочные, сварные, резьбовые соединения.

Клееметаллические соединения лишены многих недостатков, присущих металлическим креплениям и чисто клеевым соединениям. Клеевой шов снижает концентрацию напряжений у сварных точек, заклепок, болтов, что повышает прочность комбинированного соединения, в особенности при циклических нагрузках. Достоинства соединений с применением клеев – высокая вибро- и коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Правильный выбор и тщательное проведение технологических операций по сборке и соединению деталей способствует предотвращению или замедлению коррозионных процессов при эксплуатации конструкций в заданных условиях.

Контрольные вопросы

1.Какие материалы считаются совместимыми?

2.Какую природу имеет взаимодействие материалов со средой?

3.Что понимают под терминами «коррозия» и «коррозионная стойкость»?

4.Назовите меры оценки коррозионной стойкости материалов.

5.В чем суть коррозионных проблем?

6.Что означают прямые и косвенные коррозионные потери?

7.Что является основной причиной коррозии металлов?

8.Какие процессы являются равновесными и какие неравновесными?

9.Какова роль термодинамики и кинетики при исследовании процессов коррозии?

10.По каким признакам классифицируют процессы коррозии?

11.Назовите наиболее опасные виды коррозии материалов.

12.В чем суть химической газовой коррозии?

13.Что понимают под термином «жаростойкость»?

14.Что называется упругостью диссоциации оксида и какова ее роль в процессах коррозии?

15.Чем характеризуется реакционная способность (химическое сродство) металлов к окислителю?

16.Что такое «физическая адсорбция» и «хемосорбция»?

17.Какие места поверхности наиболее благоприятны для адсорбции молекул кислорода?

587

18.Какова роль адсорбционных процессов при формировании оксидных пленок на металлах?

19.Каким требованиям должна удовлетворять оксидная пленка, чтобы быть защитной?

20.Объясните роль эпитаксии при формировании прочных защитных оксидных пленок на металлах.

21.Объясните механизмы и условия образования защитных и незащитных пленок на металлах.

22.По каким законам растут оксидные пленки при низких и высоких температурах?

23.Каковы причины разрушения образовавшихся оксидных пленок?

24.Каковы основные положения теории окисления Вагнера?

25.В чем суть теории формирования тонких пленок?

26.В каких случаях образуется многослойная окалина на металле?

27.При каких температурах возможно существование трех устойчивых оксидов на поверхности железа?

28.Наличие какого или каких оксидов в слое окалины снижает защитные свойства пленки на железе?

29.Назовите наиболее обоснованные теории легирования для повышения жаростойкости и требования, предъявляемые к легирующим элементам.

30.Назовите основные легирующие элементы стали, повышающие ее жаростойкость.

31.Перечислите внешние и внутренние факторы, влияющие на скорость химической газовой коррозии металлов.

32.Объясните влияние температуры на химическую газовую корро-

зию.

33.Каково влияние давления и состава газа на скорость коррозии?

34.Каково влияние состава и структуры сплава на химическую газовую коррозию?

35.Объясните влияние предварительной деформации и обработки поверхности на скорость коррозии.

36.Каковы особенности коррозионных процессов в углекислом газе и гелии, используемых в качестве газовых теплоносителей?

37.Каковы причины коррозии материалов в органических теплоноси-

телях?

38.Чем отличается электрохимическая коррозия от химической?

39.Что является основной причиной электрохимической коррозии?

40.Чем определяется электрохимический характер разрушения металлических материалов?

588

41.Какими свойствами как коррозионной среды характеризуются электролиты?

42.Какие процессы происходят при работе гальванического элемента?

43.Какова роль микрогальванических элементов в процессах электрохимической коррозии?

44.Какие явления происходят на границе раздела фаз металлэлектролит?

45.Что представляет собой двойной электрический слой и какова его роль в электрохимических процессах?

46.Что такое электродный потенциал и какова его роль в процессах электрохимической коррозии металлов?

47.Какими физическими факторами определяется место элемента в ряду стандартных потенциалов?

48.Какую информацию дают диаграммы Пурбе?

49.В чем суть явления поляризации и какова ее роль в коррозионных процессах?

50.Что такое электродное перенапряжение и чем оно характеризуется?

51.Что такое водородная и кислородная деполяризация?

52.Какова кинетическая зависимость анодного и катодного процессов от электродного потенциала?

53.Какую информацию дают коррозионные диаграммы?

54.Чем характеризуется пассивность металла и какие факторы влияют

на нее?

55.Каков механизм явления пассивности?

56.Что такое перепассивация и от каких факторов она зависит?

57.Какую информацию дает анодная поляризационная диаграмма?

58.Каковы особенности коррозии конструкционных материалов в пароводяной среде?

59.Какие внутренние факторы влияют на процессы электрохимической коррозии металлов?

60.Назовите основные внешние факторы и опишите их влияние на скорость электрохимических процессов коррозии?

61.В каких случаях и каким образом осуществляется катодная защита металлов?

62.Что такое протекторная защита?

63.К каким металлам применима анодная защита и в чем ее суть?

64.В каких коррозионных средах применяют катодную защиту металлов – протекторную и внешним током, и в каких – анодную защиту внешним током?

589

65.Из каких параллельно идущих процессов складывается общий коррозионный процесс материалов в жидкометаллических теплоносителях?

66.Каков механизм и особенности взаимодействия при растворении твердого металла в жидком? Какие физические свойства металлов влияют на их растворимость в жидких?

67.Каковы механизмы и особенности термического и изотермического переноса массы в жидкометаллическом теплоносителе? В чем их опасность?

68.Каково влияние примесей в жидких металлах на их совместимость

ствердыми материалами?

69.Назовите основные способы снижения коррозии материалов в жидкометаллических теплоносителях?

70.Какие вопросы защиты от коррозии необходимо решать на стадии проектирования?

71.На чем основан выбор материалов в конструкции?

72.Какими свойствами должны обладать неметаллические материалы?

73.Какие материалы являются совместимыми?

74.Какими свойствами должны обладать крепежные детали?

75.Что необходимо предпринять для соединения несовместимых материалов?

76.Как выбрать рациональную форму элементов и деталей конструк-

ции?

77.Какие факторы должны быть учтены при проектировании рациональной конструкции?

78.Какие виды механического воздействия, усиливающие коррозионное разрушение материалов, необходимо учитывать при проектировании и как уменьшить это воздействие?

79.Охарактеризуйте основные способы соединения деталей при сборке конструкций.

Список использованной литературы

1.Абрамович М.Д., Вотинов С.Н., Иолтуховский А.Г. Радиационное материаловедение на АЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 136 с.

2.Бескоровайный Н.М., Иолтуховский А.Г. Конструкционные материалы и жидкометаллические теплоносители. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 164 с.

3.Бескоровайный Н.М., Калин Б.А., Платонов П.А., Чернов И.И. Конструкционные материалы ядерных реакторов: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 704 с.

590