книги / Циклическая прочность металлов

КОРРОЗИЙНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ И АДСОРБЦИОННОЦИКЛИЧЕСЕШ1 ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

§42. КОРРОЗИЙНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ. ПОНЯТИЕ О КОНТАКТНО-ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ

Известно, что большое количество элементов машин и инже­ нерных сооружений работает при одновременном воздействии на них циклических нагрузок и коррозийной среды. Коррозийной средой может быть как окружающая конструкцию атмосфера, вызывающая атмосферную коррозию, так и различные жидкие среды — растворы электролитов, в частности, речная вода, грун­ товые воды, морская вода и т. п., вызывающие так называемую электролитную коррозию.

Во всех этих случаях сопротивляемость металлов действию внешних нагрузок заметно снижается; поэтому изучение корро­ зийно-циклической прочности металлов в настоящее время является одной из важнейших проблем.

Процесс коррозийно-усталостного разрушения металлов (ста­ лей) во многом отличается от процесса обыкновенного усталостного разрушения их при циклических нагрузках.

Это отличие заключается и в механизме коррозийно-усталост­ ного разрушения, и в законах его протекания, и, главное, в опре­ делении основной характеристики — предела коррозийной уста­ лости.

Известно, что при наличии постоянно действующих коррозий­ ных факторов разрушение металла обязательно рано или поздно произойдет; поэтому определение предела коррозийной усталости может быть только условное, зависящее от реальных эксплуата­ ционных условий и от выбранной базы циклических испытаний.

В связи с этим обстоятельством пределом коррозийной усталости всякого металла называется то наибольшее напряжение, при ко­ тором этот металл, работающий в данных эксплуатационнокоррозийных условиях, не разрушается после определенного числа циклов напряжений; абсолютного же предела коррозийной уста­ лости металла, безотносительного к коррозийным условиям эксплуатации, iiv* имеется.

Диаграммы коррозийной усталости металлов имеют поэтому вид, отличный от диаграмм обычной усталости; они не имеют горизонтальных участков, параллельных оси абсцисс, ограничи­ вающих область выносливости этих металлов. На фиг. 129 пока­ зана для примера диаграмма коррозийной усталости стали 20Х- (коррозийная среда — дистиллированная вода).

Большой интерес представляет механизм коррозийно-усталост­ ного разрушения металлов. До недавнего времени этот вопрос

иузких клинообразных пора­

жений транскристаллитного характера, названных коррозийно­ усталостными трещинами; в зоне наибольших напряжений таких трещин появляется, как правило, целое семейство; наиболее раз­ витые из них в течение коррозийно-циклического процесса объ­ единяются в одну зигзагообразную трещину, дающую место из­ лома металла.

Преимущественная роль в механизме возникновения и разви­ тия этих коррозийно-усталостных трещин принадлежит электро­ химическим процессам, так как циклические усилия, действую­ щие на конструкцию, вызывают большую электрохимическую неоднородность поверхности металла. На тех участках поверх­ ности, где возможна хотя бы небольшая концентрация напряже­ ний, понижаются электродные потенциалы, вследствие чего эти участки становятся анодами коррозийных (гальванических) эле­ ментов; другие смежные участки, не имеющие концентрации на­ пряжений и поэтому менее напряженные, становятся катодами. Разность потенциалов, возникающая как следствие градиента циклических напряжений, создает благоприятные условия для развития коррозии преимущественно на участках концентрации напряжений, как анодах коррозийных элементов.

С углублением локальных коррозийных поражений концен­ трация напряжений возрастает, и вследствие этого разность.

Объем продуктов местной глубинной коррозии значительно больше объема исходного материала; вследствие этого в районах коррозийно-усталостных трещин возникают дополнительные на­ пряжения, способствующие, в свою очередь, росту этих трещин. В связи с изложенным становится ясным, что экспериментальное изучение циклической прочности металлов в условиях атмосфер­ ной коррозии имеет большое значение. Это изучение требует со­ здания испытательных машин специальной конструкции. Стан­ дартных машин для этих целей пока не имеется, и каждый иссле­ дователь сам конструирует нужную машину (установку). Примером такой машины может служить машина Я-8, переконструированная А. В. Рябченковым, принципиальная схема которой приведена была выше, на фиг. 117. В этой машине испытываемый образец расположен вертикально и помещается в герметически закрытую ванночку из органического стекла. Ванночка заполняется иссле­ дуемой коррозийной средой.

В табл. 80 приведены показатели коррозийно-циклической прочности стали 45 в различных условиях длительной (сравни­

1

Данные этой таблицы показывают, как значительно атмо­ сферная коррозия влияет на циклическую прочность металлов (стали); это влияние зависит от влажности и состава атмосферы, в частности от содержания в ней агрессивных газов, таких, как SO2, СЬ, НС1 и др., а также, конечно, от длительности корро­ зийного процесса. Исследования, проведенные в этом направле­ нии, показали, что одновременное (совместное) действие на ме­ талл (сталь) циклических напряжений и коррозийной среды значительно превышает сумму их раздельных действий.

Электролитная коррозия

Электролитная коррозия часто происходит при работе мно­

Исследования показывают, что в условиях электролитной корро­ зии металлов (сталей) происходит нередко резкое снижение их Циклической прочности; особенно активная роль в этом процессе принадлежит растворам хлористого натрия и сероводорода.

Электрохимический механизм коррозийного процесса метал­ лов в условиях электролитной коррозии при циклических напря­ жениях остается таким же, как и описанный выше, и заключается в возникновении на поверхности металлов в большом числе кор­ розийных (гальванических) элементов вследствие разности напря­ жений, действующих на соседних участках этой поверхности. В результате этого возникают все новые и новые очаги коррозии, вызывая концентрацию напряжений с высокими значениями ко­ эффициента концентрации. Одновременно и в связи с этим возра­ стает сила коррозийного (гальванического) тока, увеличивается скорость коррозии, уменьшаются и даже совсем исчезают защит­ ные свойства окисных пленок на поверхности металла.

Исследований коррозийно-циклической прочности металлов имеется недостаточно. Кроме указанной выше обстоятельной работы А. В. Рябченкова по коррозийно-циклической прочности в общем ее аспекте, значительное экспериментальное исследование было проведено В. С. Андреевым в лаборатории динамической проч­ ности Куйбышевского индустриального института.

Предметом этого исследования была коррозийно-циклическая прочность стальных глубоконасосных штанг на нефтепромыслах Поволжья, где электролитная коррозия штанговой стали (40

и20ХН) была результатом действия пластовой воды и нефти. Коррозийно-циклические испытания проводились на машине

НУ, у которой было сделано специальное приспособление для создания коррозийного процесса в образцах во время испытаний. Это приспособление (фиг. 130) состояло из резервуара со стеклян­ ной крышкой, надеваемого на испытываемый в машине образец. Коррозийные жидкости (водопроводная вода, пластовая вода из нефтяных скважин, нефть) подавались в резервуар небольшим центробежным насосом, омывали образец и затем самотеком сте­ кали из нижней части резервуара в сборный бачок. Шайбы, на­ деваемые на головки каждого образца вплотную к шпинделям машины, препятствовали разбрызгиванию коррозийной жидкости.

Образцы (фиг. 131) для этих испытаний имели стандартную длину 226 мм с укороченной до 50 мм рабочей частью. До цикли­ ческих испытаний образцы подвергались действию соответствую­ щей коррозийной жидкости сроком от 0 до 20 суток и изучались для определения характера и интенсивности коррозии.

Результаты испытаний таких образцов из сталей 20ХН и 40, вырезанных из натурных штанг, приведены в табл. 81.

Обобщая эти результаты, констатируем, что коррозийно­ циклическая прочность стали (в условиях электролитной корро­ зии), различная у разных марок стали, всегда значительно ниже обычной циклической прочности (без ^оррозии). Она зависит от

вида поверхности изделий, от характера их термической обработки и от продолжительности действия коррозийной среды.

Фиг. 130. Схема приспособления к машипе НУ для коррозийно-циклических испытаний образцов (по В. С. Андрееву):

1 — нижний резервуар; 2 — образец; з — пластовая вода (нефть) от насоса; 4 — промежу­ точная коробка; 5 — крышка; 6 — сливное отверстие; 7 — сливная трубка; 8 — защитная

шайба; 9 и Ю — барабаны машины НУ; 11 — диски.

Выше было указано, что коррозийно-циклическая прочность металлов (стали) в большой степени зависит от состава коррозий­ ной среды; данные, приведенные в табл. 82 (по А. В. Рябченкову) убедительно подтверждают это положение.

Фиг. 131. Форма и размеры образцов, применяемых для изучения коррозийно-циклической прочности стали на машине НУ.

Из изложенного видно, какое большое влияние оказывают коррозийные процессы на величину циклической прочности ме­ таллов (сталей), а поэтому естественно, что всякий метод защиты металла от коррозии является одновременно и методом повышения его коррозийно-циклической прочности.

1. Выбор металла с целью получения после термической об­ работки или при специальной обработке его поверхности лучших

добные покрытия неметаллического типа, неметаллические пленки к виде химических соединений основного металла с неметаллами и, наконец, металлические покрытия, нанесенные тем или другим способом на поверхность изделия.

3. Катодная защита, при которой защищаемому изделию дается отрицательный потенциал, затрудняющий или даже со­ вершенно прекращающий коррозийный процесс; источником по­ тенциала может быть или внешняя электрическая цепь, или какойлибо металл (протектор) разрушающийся сам при этом.

4.Изменение химического состава внешней коррозийной среды

внаправлении понижения ее активности или путем удаления из нее коррозийно-активных примесей, или путем введения в нее ингибиторов либо пассиваторов, затрудняющих процесс ионного

обмена между металлом и внешней средой.

5. Наконец, своеобразным методом защиты от коррозии сле­ дует считать рациональный выбор конструкции и методов меха­ нической обработки ее с целью уменьшения возможности коррозий­

Каждый из указанных способов защиты от коррозии имеет свои положительные и отрицательные стороны. Применение того или иного способа должно быть технически и экономически обос­ новано. А главное, должна быть полная уверенность того, что применяемый способ антикоррозийной защиты является действи­ тельным и надежным фактором повышения коррозийно-цикли­ ческой прочности конструкций.

нена А. Феннером, К. Райтом и И. Манном [61].

Причину контактной коррозии эти авторы видят в окисли­ тельном процессе, при котором во время циклического загружения некоторые участки металла в зоне контакта окисляются и упроч­ няются; вследствие этого в этих местах образуются частицы металла более твердые, которые начинают затем действовать как абразивы.

В результате исследований в этой области были установлены не­ которые основные положения контактно-циклической прочности металлов:

1) повреждаемость контактных поверхностей повышается с нагрузкой и числом грузовых циклов, причем мягкие металлы более склонны к контактной повреждаемости, чем твердые;

2) степень повреждаемости контактных поверхностей наибо­ лее велика при сухом контакте и уменьшается с возрастанием влажности среды; поэтому смазка (нейтральная) снижает развитие этой повреждаемости, причем особый эффект наблюдается при сочетании смазки с фосфатированием поверхности изделий в зоне их контакта.

$ 43. АДСОРБЦИОННО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

В тесной связи с коррозийно-циклической прочностью ме­ таллов стоит вопрос об адсорбционном действии на них окружаю­ щих поверхностно-активных сред; в результате исследований последних лет можно в настоящее время говорить уже об адсорб­ ционно-циклической прочности металлов (сталей).

Исследования показали, что не только среды, химически дей­ ствующие на металлы, понижают прочность последних, но и среды, не действующие химически на металлы, нередко влияют на цикли­ ческую прочность, снижая ее в той или другой степени. Это по­ нижение прочности металлов в поверхностно-активных средах связано с процессами, происходящими на границе между металлом и поверхностно-активной средой.

Поверхностно-активными средами могут быть вещества са­ мые разнообразные и даже смазочные масла; особенно сильно действующими являются электролиты, в том числе и водные рас­ творы нейтральных солей, а также различные органические спирты, кислоты и соли этих кислот (мыла).

Механизм действия поверхностно-активных веществ на ме­ таллы, по современному воззрению, в основном сводится к сле­ дующему: в кристаллической решетке всякого металла атомы со­ вершают движения относительно своего положения равновесия; под действием внешних усилий и температуры некоторые атомы могут при этом покидать свои места в кристаллической решетке, нару­ шая ее строение; вследствие этого в структуре металла появляются дефекты, ослабляющие его прочность; посторонние примеси в структуре металла и механические повреждения также вызы­ вают подобные дефекты. Эти дефекты структуры распространены по всему объему металла и в первом представлении могут рас­ сматриваться как трещинки весьма малых размеров. Поверх­ ность металла сильнее подвержена внешним воздействиям и ме­ ханическим повреждениям, чем глубинные слои, а потому таких

с помощью этих дефектов (микротрещинок) наблюдаемое расхо­ ждение между теоретической прочностью твердых тел и их дей­ ствительной прочностью, так как известно, что действительная прочность твердых тел, в том числе и металлов, оказывается во много раз меньше, чем теоретическая их прочность, подсчи­ танная на основании данных о природе сил взаимодействия между атомами, составляющими кристаллическую решетку. Доста­ точно удовлетворительное объяснение механизм действия по­ верхностно-активных сред получает и с позиций дислокационной теории прочности и пластичности металлов.

Начало учению о поверхностно-активном действии жидких и газообразных веществ на твердые тела было положено совет­ ской школой ученых. Согласно этому учению указанные выше структурные дефекты имеют форму клинообразных щелей с усть­ ями, раскрытыми на поверхности, и с острыми тупиковыми вер­ шинами внутри. На первых стадиях своего развития они по своим размерам субмикроскопические и могут быть в некоторых слу­ чаях обнаружены только с помощью электронного микроскопа при увеличении в 12000— 15 000 раз.

Основным свойством этих зародышевых микрощелей является их способность к развитию в процессе деформирования твер­ дого тела; их размеры под действием внешних сил увеличиваются, причем процесс этот в области упругих деформаций является почти полностью обратимым.

Наличие поверхностных микрощелей увеличивает адсорбцию твердыми телами, в том числе и металлами, активных веществ из окружающей среды. Адсорбцией, как известно, называется явле­ ние покрытия поверхности твердого тела тончайшей пленкой какого-либо вещества из окружающей среды, происходящее вследствие притяжения со стороны расположенных на поверх­ ности тела атомов. Вещества, которые могут адсорбироваться на поверхности твердых тел, называются поверхностно-активными веществами.

Адсорбция происходит постоянно, так как любая внешняя поверхность твердого тела (и даже жидкости) всегда покрыта пленкой какого-либо вещества, содержащегося в окружающей среде. Молекулы веществ, адсорбированных на поверхности твер­ дого тела, обладают способностью двигаться по этой поверхности и перемещаться из мест их скоплений в места, где их недостаточно для полного покрытия поверхности. Степень этой подвижности адсорбированных молекул различная: она невелика, если тело и активное вещество могут образовать химическое соединение; она может быть весьма высокой, если химического соединения не возникает.

Если на пути адсорбционного слоя, стремящегося занять еще не покрытую поверхность тела, встретится какое-либо препят­ ствие, то адсорбционный слой будет оказывать на него неко­ торое давление с целью устранения этого препятствия.