2.3. Рост трещины в условиях коррозии материала
Проблема коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) представляет одну из важных задач механики разрушения. Это связано с тем, что реальные конструкции в большинстве случаев работают в условиях сложного напряженного состояния при воздействии агрессивных сред. Под коррозией понимают процесс самопроизвольного разрушения изделий из металлов под воздействием окружающей среды.
В зависимости от воздействующих факторов различают следующие виды коррозии: атмосферную, газовую, высокотемпературную газовую и другие. Значительную опасность для металлических конструкций представляет атомарный водород, который образуется при коррозионных реакциях на границе раздела среда-металл. Водород растворяется в металле, что способствует развитию так называемой водородной хрупкости. Особенно ускоряется процесс разрушения тела при одновременном воздействии агрессивной среды и механических напряжений, если в нем имеются трещины типа пустот. Пустоты заполняются средой, на контуре которых из-за концентрации напряжений происходит интенсификация процессов взаимодействия среды с деформируемым материалом (коррозия под напряжением).
Чувствительность материала, содержащего трещину, к воздействию данной среды при статическом нагружении определяется пороговым значением коэффициента интенсивности напряжений KIscc (индекс от анл. Streess corrosion cracking). При коэффициенте интенсивности напряжений выше порогового происходит рост трещины. При этом длительность времени роста трещины до момента ее неконтролируемого развития обычно очень мало. Нагружение в этот период времени всегда приводит к разрушению. При коэффициенте интенсивности напряжений меньше порогового KIscc, рост трещины не наблюдается. Отношение KIscc/KIc для пластичных материалов обычно близко к единице.
Обобщение данных по исследованию влияния среды на рост трещин показывает, что взаимодействие большинства в общем-то неагрессивных сред в комбинации со статическим или циклическим нагружением может привести к росту трещин до критической длины, а в случае циклического нагружения – к ускоренному их росту. Воздействие внешней среды более специфично и сложно, чем влияние других факторов.
Для моделирования роста трещины в условиях влияния среды и усталости принимают, что скорость ее распространения представляет собой сумму двух слагаемых, одно из которых от процесса усталости, а другое – от коррозии:
. (2.35)
При этом вклад каждого из слагаемых в формуле (2.35) в конкретных усталостных и коррозионных условиях может быть различным.
Действительно, если значение коэффициентов интенсивности напряжений выше порогового для данной системы «материал-среда», то коррозионный рост трещины при статическом нагружении приводит к разрушению уже через очень короткое время. Влияние циклического нагружения в этом случае лучше характеризовать как «усталостно ускоренный рост коррозионной трещины». Но даже в этом случае (при достаточно большой частоте нагружения) усталостные эффекты могут опережать коррозионные процессы, и скорость роста трещины будет определяться только процессами усталости.
Если же значения коэффициентов интенсивности напряжений ниже порогового, то коррозионный рост трещины при статическом нагружении отсутствует. При приложении циклической нагрузки рост трещины можно определить как «коррозионно ускоренный рост усталостной трещины», поскольку в данном случае усталость сама определяет рост трещины. Даже в этом случае можно представить положение, когда процессы усталости будут приводить к незначительному росту трещины и при этом обеспечивать прирост новых площадей поверхности трещины, способствуя ее сравнительно большому коррозийному росту.
Заметим, что сильно агрессивными средами вода являются водяные пары и водород, которые ускоряют рост трещин, в то время как небольшое количество кислорода, добавленное к газообразной агрессивной среде, например, к водяным парам или к водороду, полностью останавливает рост коррозионной трещины при статической нагрузке.
Докритический рост трещин в различных агрессивных средах при циклическом нагружении в настоящее время изучен недостаточно и поэтому трудно составить полную картину комбинированного влияния среды и усталости.