книги / Усталость металлов

образцов из сплавов 7075-Т6 и 2024-ТЗ в 3 раза и из плакирован­ ного сплава 7075-Т6 — в 1,5 раза. На плакированный сплав 2024-ТЗ атмосферное влияние было незначительным. Ограничен­ ный предел усталости закаленной и отпущенной углеродистой ста­

(табл. 47) показал, что при испытаниях в среде пара питание кис­ лородом было наиболее важным фактором: струя пара в воз­ духе вызывает значительно большее повреждение, чем погруже­ ние в пар при 371° С. Эксперименты при температурах 15—90° С показали, что на ограниченные пределы усталости сталей при наличии соленой воды температура влияет мало. Коррозионный ограниченный предел усталости обычно несколько падает по мере увеличения температуры, но Корнет и Голан [387] получили про­ тивоположные результаты, которые они отнесли к изменению формы возникающих каверн; с повышением температуры кавер­ ны становятся мельче и распределяются более равномерно.

Влияние напряженного состояния на сопротивление коррози­ онной усталости. На воздухе сопротивление усталости при изгибе обычно выше, чем при осевом нагружении. В условиях коррози­ онной усталости данные о непосредственном сравнении ограни­ чены, но Гаф и Сопвис [369] получили результаты для шести ма­ териалов (см. рис. 103). На рисунке видно, что коррозионный ограниченный предел усталости двух материалов значительно выше при осевом нагружении, чем при изгибе. Подобный эффект наблюдал Голд [366] при испытании мягкой стали; он отнес этот эффект к более высокой скорости электрохимического воздейст­ вия при изгибе, так как меньшее число анодных зон подвергается действию максимального растягивающего напряжения за данное время.

Гаф и Сопвис [388] исследовали также влияние наложения статических растягивающих напряжений на сопротивление кор­ розионной усталости шести материалов, упомянутых выше. Они нашли, что влияние изменения среднего напряжения на сопротив­ ление усталости при воздействии соленых брызг подобно влия­ нию в воздухе. Результаты Хара, полученные для мягкой стали (табл. 46), и результаты Долана для легированной стали (табл. 47) показали, в среднем, подобное, но меньшее влияние при кручении. Это объясняется тем, что усталостные трещины распространяются от коррозионных каверн, и коэффициент кон­ центрации напряжения для данного надреза больше при изгибе, чем при кручении.

Образцы с надрезами из легированной стали испытывались при изгибе и кручении Доланом [389], а образцы из чугуна

192

а— переменное напряжение;

Си п — постоянные.

Результаты на рис. 106, а перестроены на рис. 106, б в зави­ симости от числа циклов вместо времени в первой стадии. Линии при различных частотах более тесно располагаются на втором рисунке, который показывает, что при определенных условиях повреждение в основном зависит от числа циклов и лишь в малой степени от частоты.

Прямое влияние частоты на коррозионный ограниченный пре­

и соленой воде. Результаты показали, что при снижении частоты число циклов до разрушения уменьшалось, но увеличивалось вре­ мя до разрушения. Однако было замечено, что преобладает за ­ висимость разрушения от времени.

Защита против коррозионной усталости. Металлы можно за­ щищать от коррозионной усталости либо поверхностной обра­ боткой, либо добавлением ингибиторов к коррозионной среде. Некоторые экспериментальные результаты, показывающие влия­ ние разных поверхностных обработок, даны в табл. 48 и 49 для сталей и сплавов цветных металлов.

В известной мере защита против коррозионной усталости мо­ жет быть осуществлена при некоторых видах обработки поверх­ ности, таких как поверхностная обкатка и обдувка дробью [399]; особенно эффективно азотирование.

Поверхностные покрытия могут предотвращать доступ корро­ зионного агента к основному металлу, а при анодном покрытии основного металла могут ограничить электрохимическое воздей­ ствие. В первом случае покрытие должно быть совершенно не­ прерывным и непористым. Анодные же покрытия могут обеспе­ чить защиту, даже когда они имеют нарушения непрерывности. Так как практически трудно получить непрерывное покрытие, то обычно анодные покрытия дают лучшую защиту. Например, цинк, который является анодом по отношению к стали, дает хорошую защиту, а покрытие медью, которая является катодом для стали, может понизить сопротивление коррозионной усталости [400]. Преимущество цинкового покрытия было показано Ройером и Помэ [401], а также Фореманом и Ландином [402] (рис. 107). Жерард и Саттон [396], показали, что цинковое покрытие повы­ шает сопротивление коррозионной усталости в соленых брызгах, а покрытие кадмием не повышает (табл. 49). Неметаллические поверхностные покрытия также можно использовать для защиты от коррозионной усталости. Для легких сплавов анодирование является эффективным, особенно когда за ним следует покры­ тие лаком; Инглис и Лейк [397] добились полной защиты от дей­ ствия соленой воды окрашиванием, выполненным согласно тща­ тельно составленной рецептуре. Также было установлено, что

Влияние7покрытий и поверхностной обработки на сопротивление коррозионной усталости сталей при изгибе с вращением

эпоксидные пленки полностью защищают алюминиевый сплав от брызг 3%-ного раствора соли [403]. Ингибиторы вызывают обра­ зование защитной пленки на поверхности металла. Наиболее ши-

усталости сталей [102].

Испытания при изгибе с вращением, с частотой 3000 цикл/мин. Ограниченный предел

роко исследованными для стали ингибиторами являются хроматы и бихроматы, карбонатная сода и эмульгированное масло.

Влияние кислорода на сопротивление усталости. Гаф [364] привел данные, свидетельствующие о влиянии кислорода атмос­ феры на сопротивление усталости. Ряд экспериментов показал,

199

что на ограниченные пределы усталости коррозионная среда влияла слабо, если подача кислорода ограничивалась. Например, Леман нашел, что полное погружение стальных образцов в ди­ стиллированную или соленую воду мало влияло на сопротивле­ ние усталости,- Вайни показал, что вредное влияние соленой во­ ды, капающей на стальные образцы, значительно понижается в атмосфере чистого водорода. Другие исследователи получили бо­ лее высокие ограниченные пределы усталости в коррозионной среде, чем на воздухе. Такой результат получил Мак-Адам для меди, испытанной в пресной воде, а также Хейем и Джонис для свинцовых сплавов, погруженных в уксусную кислоту, при этом выделение водорода ограничивало поступление кислорода к об­ разцам.

Из этих результатов видно, что при испытании в воздухе на сопротивление усталости может влиять присутствие кислорода в атмосфере; Гаф и Сопвис [404, 405] доказали это при проведе­ нии испытаний на усталость в неполном вакууме при давлении меньше, чем 10_3 мм рт. ст. Разница между пределами устало­ сти в воздухе и вакууме заметно зависит от материала. Для ста­ лей, алюминиевых сплавов и магниевых сплавов влияние было небольшим или отсутствовало совершенно, но пределы устало­ сти в вакууме были для отожженной меди на 14% выше, для отожженной латуни — на 26% выше и для свинца — вдвое боль­ ше, чем в воздухе. Была сделана попытка определить отдельно влияние кислорода и паров воды [406]. Результаты показали, что понижение предела усталости меди в воздухе зависело от нали­ чия как кислорода, так и паров воды, но испытания латуни не дали определенных результатов.

Уейдсворс и Хотчинг [407] провели испытания при давлении до 10_s мм рт. ст. и нашли, что для чистой меди существует сте­ пенная зависимость долговечности от давления и предел устало­ сти (на базе 107 циклов) при самом низком давлении на 30% выше, чем на воздухе. Наличие кислорода мало влияло на пре­ дел усталости алюминия и совсем не влияло на предел усталости золота. Трещины наблюдались на ранней стадии нагружения, и авторы считали, что влияние атмосферы заключалось в увели­ чении скорости распространения трещины.

Механизм коррозионной усталости. Первой стадией в про­ цессе коррозионной усталости является образование круглых ка­ верн на поверхности, подобно тем, которые наблюдаются при коррозии без напряжения. За этим следует распространение тон­ ких коррозионных углублений, или трещин, распространяющихся от основания впадин. Скорость распространения этих углублений имеет тенденцию понижаться по мере их роста; таким образом, требуемое время роста трещин перед разрушением соответствует времени распространения обычной усталостной трещины от осно­ вания одного из углублений (см. рис. 102).

200

Так как коррозия при отсутствии напряжения происходит преимущественно по границам зерен, значительное внимание следует обращать на расположение трещин при коррозионной усталости. Однако было найдено, что коррозионные усталостные трещины преимущественно транскристаллические. Отступление от этого наблюдается для свинца, в котором при испытании в воздухе и в коррозионных средах усталостные трещины следуют по границам зерен и для некоторых алюминиевых сплавов, где коррозионные усталостные разрушения иногда частично являют­ ся межкристаллическими [381]. Возможно, что коррозионные усталостные трещины могут возникать по границам зерен, хотя это, конечно, не является обязательным, так как коррозионные усталостные трещины наблюдались иногда целиком в пределах одного зерна [364] и были показаны коррозионные усталостные разрушения монокристалла [408].

Достаточно хорошо установлено, что коррозионная усталость является электрохимическим процессом. Некоторые области по­ верхности металла являются анодными по отношению к другим областям в результате нерегулярности поверхности или местных различий в поглощаемости кислорода. Поэтому поверхность со­ стоит из большого числа элементов, в которых ионы металла переходят в раствор около анодов. Этот вид коррозии является опасным по двум причинам; во-первых, продукты коррозии об­ разуются в коррозионном растворе, так что взаимодействие не может быть заторможено, и, во-вторых воздействие ограничи­ вается анодными областями и может быть интенсивным, если площадь анода значительно меньше, чем площадь катода.

Ивенс и Саймнед [409] предположили, что ускоряющий эф­ фект коррозии, вызываемый переменными напряжениями, мож­ но отнести к следующим четырем факторам:

1)нарушение или разрушение кристаллической структуры металла, которая, таким образом, становится менее прочной и более подверженной химическому воздействию. Это дает непре­ рывное перемещение анодного потенциала в направлении «основ­ ного металла»;

2)разрушение защитных пленок, дающих анодную поляри­ зацию;

3)удаление коррозионных продуктов, ослабляющих воздей­ ствие, что уменьшает сопротивление электролитической прослой­ ки между катодами и анодами;

4)улучшение питания кислородом, дающее пониженную ка­ тодную поляризацию.

Они показали экспериментально, что последний из этих фак­ торов является фактором коррозионной усталости мягкой стали. Последние эксперименты Уайтвема и Ивенса [410] показали, что предварительное нагружение при отсутствии коррозии незначи­

тельно влияет на последующее коррозионное сопротивление