1.4 Образование трещин в материалах под действием окружающей среды

Трещины могут также зарождаться и расти при низких напряжениях. При этом их образование происходит под действием окружающей среды. Так, погружение металла в жидкость может привести к образованию в нем трещин даже при нулевых напряжениях Агрессивная среда, вызывающая коррозию металла, в нормальных условиях не приводит к его разрушению, однако при действии механических напряжений она может привести к образованию трещин. Для объяснения коррозии под напряжением было выдвинуто несколько теорий, однако, в этом механизме есть еще много неясного. В особенности трудна для понимания роль механических напряжений. Естественно, одна теория не способна объяснить все результаты наблюдений; разумнее предположить, что при различных условиях в различных материалах действуют различные механизмы. Поэтому в книге обсуждение коррозии под напряжением будет ограничено лишь упоминанием о том, что этот процесс является механизмом разрушения.

Во многих материалах трещины в процессе коррозии под напряжением образуются внутри кристаллических зерен по причине, вероятно, различия между поверхностью кристаллического зерна и его внутренностью, возникающего из-за разъедающего действия раствора. С другой стороны, это явление можно объяснить наличием на поверхности кристаллических зерен частиц второго рода. Характерный внешний вид поверхности, разрушенной при коррозии под напряжением, показан на рис. 34. На рис. 35 представлены поверхности разрушения, которые образовались при коррозии под напряжением в двух различных средах. Изображение граней кристаллических зерен искажено действием корродирующего вещества. При коррозии под напряжением в атмосфере поверхности кристаллических зерен и разделяющие их границы не претерпевают существенных изменений, что ясно видно на рисунке. В соленом же растворе воды грани кристаллического зерна сгладились, и раствор глубоко проник в лежащие под поверхностью кристаллических зерен слои материала. Результаты этих наблюдений нельзя обобщать. Внешний вид граней кристаллического зерна на одной и той же поверхности разрушения имеет ощутимые различия. По этой причине Гартман и др. не обнаружили никаких устойчивых различий во внешнем виде пластин из сплава 7075, разрушенных при коррозии под напряжением в различных средах. Ученые сходятся в том, что в некоторых случаях причиной коррозионного растрескивания может быть водород, выделяемый во время коррозии. Наличие водорода в сталях может вызвать образование трещин даже во время обработки. Водород может также вызвать образование трещин в высокопрочных сталях после определенного периода длительного нагружения (статическая усталость). Под действием водорода разрушение может произойти и тогда, когда материал содержит лишь небольшое количество этого газа, и никакого ухудшения свойств материала в опытах на кратковременное растяжение обнаружить нельзя. Небольшой по размеру атом водорода может диффундировать очень быстро; водород концентрируется в областях с большими трехосными напряжениями, т. е. в областях перед трещиной. Концентрация водорода может вызвать большие напряжения, при этом образование трещин будет продолжаться. Разрушение под действием водорода носит внутрикристаллический характер, подобно коррозии под напряжением в сталях.

Водород может делать хрупкими не только стали, но и другие материалы, однако этот процесс часто вызывается образованием хрупких частиц гидридов. Это означает, что эти материалы имеют малую вязкость, тогда как в сталях водород служит в качестве механизма образования трещины достаточной длины для того, чтобы материал данной вязкости разрушился при действующих нагрузках.

Рис. 34. Поверхность внутрикристаллического разрушения,

полученная при коррозии под напряжением в алюминиевом сплаве 7079 (по Ван Ливену)

Рис. 35. Коррозия под напряжением алюминиевого сплава 7075

в соленой воде (а) и во влажной атмосфере (б) (по Гартману)