Лабораторна робота №7 Дослідження малоциклової корозійної і водневої втоми сталі

7.1 Мета роботи: визначити малоциклову витривалість стальних виробів в різних агресивних середовищах.

7.2 Короткі теоретичні відомості

Корозійна втома - це процес поступового виникнення, а далі - розвитку тріщини під впливом тривалого статичного (статична втома) або повторно-змінного навантаження (циклічна втома), тобто - це повільне руйнування металів. Опір, який чинить метал циклічній втомі, називають витривалістю ("виносливостью" – рос.), або циклічною міцністю. Опір статичній втомі має назву - тривалої міцності ("длительной прочности" – рос.). Корозійна втома є основною причиною руйнування гальванічно оброблених деталей, глибинно-насосних штанг, бурильних труб, трубопроводів, іншого обладнання газонафтової, добувної та переробної, хімічної промисловості і т. і. При циклічному навантаженні деталей згин із обертанням є одним із широко розповсюджених видів деформації, так як в цих умовах навантаження кожне волокно металу буде зазнавати за один оберт розтяг-стиск однакової величини, тобто зміна напружень в металі відбувається за синусоїдальним законом. Критерієм витривалості сталі при згині симетричним циклом є умовна границя втоми _-1, база випробувань у повітрі N=2×10⁶, а в 3% NaCl – N=5×10⁶ циклів навантаження [5,13,38].

Однією з основних вимог до сучасних металоконструкцій обмеженого строку служби є максимальна питома міцність (високе значення відношення міцності до маси). В таких конструкціях ( трубопроводи, посудини під тиском, реактори та ін. ) виникають напруги, які перевищують границю пружності (“предел упругости” – рос.), що обумовлює довговічність матеріалу не більш 10⁵ циклів - малоциклова корозійна втома (МЦКВ) (на відміну від багатоциклової корозійної втоми, де довговічність зразків складає багато мільйонів циклів). Дуже важливою є діагностика руйнування металовиробів, конструкцій. Руйнування у випадку МЦКВ розвиваються на фоні макроскопічних пластичних деформацій, які охоплюють значну частину переріза ("сечения" – рос.) зразка або деталі.

У той же час при звичайній втомі (багатоцикловій) має місце мікропластична деформація, локалізована у малих об'ємах, поблизу зони втомного руйнування, характер руйнування при МЦКВ має багато спільного з характером руйнування під дією одноразового статичного навантаження і є ніби то проміжним ступенем між статичним і втомним руйнуванням.

Тому навантаження, які викликають руйнування протягом невеликого числа циклів ( 10³...10⁴ ) одержали назву повторно-статичних навантажень, до них відноситься аварійні та експлуатаційні перевантаження. Циклічні високі напруження і деформації при цьому характеризуються низькою частотою навантаження від десятків циклів у хвилину до одного циклу за добу, тиждень...

Більшість деталей сучасних машин зазнають повторні навантаження, тобто піддаються циклічним навантаженням. Тому критерієм якості металу, який іде на виготовлення цих деталей, є не показники статичної міцності _в, _т - границя міцності, плинності ("текучести" – рос.) та пластичності -  і  - відносні видовження ("удлинение" – рос.) та звуження поперечного перерізу, а характеристики циклічної міцності (_-1) та довговічності – N, тобто показники витривалості сталі, особливо в екстремальних умовах перевантажень та аварійних ситуаціях. Без цих показників неможливо проводити розрахунок деталей машин на міцність та довговічність. Отже малоциклова витривалість на сучасному етапі – це важливішій експлуатаційний критерій конструкційних матеріалів: сталі, інших сплавів [5,13].

Витривалість з сучасних наукових позицій розглядається з точки зору фізико-хімічної механіки матеріалів, тобто з врахуванням впливу фізико-хімічних факторів на процес деформування та руйнування твердих тіл. До експлуатаційних характеристик, одержаних при випробуваннях у повітрі, необхідно додати данні про вплив агресивних середовищ (переважно корозійних, наводнювальних або корозійно-наводнювальних) на витривалість металів [38].

Таким чином, МЦКВ або малоциклова воднева втома (МЦВВ) – це важливий критерій довговічності та витривалості конструкційних матеріалів при циклічному навантаженні. Це опір металу пружно-пластичним деформаціям при обмеженому числі циклів (до 10⁴ ) та жорсткій системі навантаження. Для визначення відносної деформації індикатором вимірюють f – максимальний прогін (рисунок 7.1) із точністю до 0,01 мм. Потім розрахо-вують R_max за формулою:

R_max=(a²+4f²)/8×f (7.1)

де а-відстань між вістрями ("остриями" – рос.) вилки пристрою.

Проведені тензометричні вимірювання (тензостанцїї 8 - АНЧ – 7М і осцилограф Н-700), які свідчили (у межах точності досліду 2%) про дотримання умови чистого згину зразка. Це означає, що по всій довжині робочої частини зразка при заданій деформації спостерігаються напруження, однакової величини. Тому з достатнім наближенням лінію згину зразка можна прийняти за дугу обводу, тоді ступінь деформації e:

e=(l_max - l_ср)/l_cp (7.2)

e=(R_max - R_cp)/R_cp (7.3)

e=(t/2·R_cp)·100, % (7.4)

де t - товщина зразка.

Одержане значення e - це повна, тобто сумарна пружна і пластична деформація. За допомогою динамометрів із тензодатчиками визначають навантаження, які відповідають даному ступеню деформації сталі. Крім цього, напруження розтягу у зразках при згині (рисунок 7.1) можна розрахувати за формулою:

=6·Е×t×f/а² (7.5)