Коррозионно-механические разрушения элементов оборудования

Коррозионно-механические разрушения возникают при совместном воздействии на элементы оборудования коррозионно-активной среды и механической нагрузки.

Равномерная коррозия, поражающая как ненапряженный, так и равномерно-напряженный металл, наиболее благоприятна и не изменяет механических характеристик стали. Неравномерная коррозия (избирательная коррозия), вызванная структурной не­однородностью металла или наличием градиентов напряжений (особенно концентрацией напряжения), приводит к некоторому уменьшению прочности и пластичности мягких сталей. Очевидно, поражения металла от неравномерной коррозии влияют на механические характеристики стали так же, как влияет на них концентрация напряжений. Если искусственно сосредоточить коррозию в одном месте испытываемого образца путем изоляции всей остальной поверхности от действия коррозионной среды, то после 90 сут пребывания в 3%-ном водном растворе NaCl норма­лизованной стали 45 пластичность снижается на 30 % и разру­шение происходит по прокорродировавшему участку.

Коррозия может даже увеличить статическую прочность, улучшить сопротивление удару в случае, если образцы до корро­зии имели острые концентраторы типа трещин и царапин, кото­рые в результате коррозии затупляются, в силу чего снижается концентрация напряжений.

Местная коррозия стальной проволоки, например, используе­мой для канатов, незначительно снижает ее прочность, но суще­ственно уменьшает число перегибов, характеризующих пластиче­ские свойства материала (табл. 5.1).

Была исследована пластичность стали 20Х после воздействия коррозионно-активной среды при циклическом нагружении. Об­разцы были подвергнуты циклической деформации N = 2 10⁷ циклов в 3% - ном водном растворе NaCl и затем подверглись ме­ханическим испытаниям на растяжение. После циклического на-гружения в неактивной среде (на воздухе) у образцов из стали 20Х наблюдалось при последующих механических испытаниях вязкое разрушение, характеризующееся образованием шейки в месте разрыва.

Образцы из той же стали, подвергнутые механическому раз­рушению после циклического нагружения в коррозионно- активной среде, разрушались хрупко почти при полном отсутст­вии шейки. Хрупкое разрушение происходило по узкой кольце­вой области, пораженной коррозионно-усталостными трещинами, что является примером влияния острых концентраторов напря­жения на пластичность вязкой стали.

 

 

Таблица 5.1

Влияние местных коррозионных поражений на качество проволоки

 

При длительном действии статической нагрузки, меньшей предела прочности, на некоторые виды сталей в коррозионных средах может наблюдаться хрупкое разрушение металла.

Различают следующие виды коррозионно-механического раз­рушения элементов оборудования: коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозия при трении.

Коррозионное растрескивание возникает при действии стати­ческих напряжений в весьма агрессивной по отношению к дан­ному металлу среде. Причинами подобного разрушения являются пониженная коррозионная стойкость границ зерен в результате выделения из пересыщенного твердого раствора фазы с отрица­тельным потенциалом, наличие в сплаве структурной состав­ляющей, неустойчивой по отношению к данной коррозионной среде; наводороживание границ зерен, сопровождающееся разви­тием значительных давлений, снижающих межкристаллитную прочность.

Это хрупкое разрушение происходит под действием лишь нормальных растягивающих напряжений, вызванных внешней нагрузкой, или остаточных напряжений растяжения. Коррозион­ное растрескивание не связано с общей коррозионной стойко­стью металла, Например, углеродистые и малоуглеродистые ста­ли практически не корродируют в щелочных средах, но в то же время они подвержены коррозионному растрескиванию, назы­ваемому в этом случае щелочной хрупкостью. Коррозионное рас­трескивание происходит в щелочных и кислых средах и носит, в основном, межкристаллитный характер. Характерной чертой кор­розионного растрескивания является то, что разрушение стали происходит без заметных пластических деформаций и может произойти внезапно.

Коррозионная усталость представляет процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Характер коррозионно- усталостного разрушения зависит от агрессивности среды, уров­ня действующих напряжений и частоты циклов. Механизм уста­лостного разрушения металлов и сплавов в коррозионно- активных средах достаточно сложен и в значительной степени определяется режимом нагружения, величиной действующих на­пряжений, видом напряженного состояния, физико-химическими свойствами материала и контактирующей с ним среды.

Согласно существующим представлениям основной причиной снижения сопротивления усталости металлов и сплавов в корро- зионно-активных средах, обладающих свойствами электролита, являются анодные процессы, локализующиеся в местах концен­трации напряжений. Концентраторами напряжений могут быть различные макроскопические и микроскопические дефекты, об­разующиеся на поверхности металла в процессе изготовления или эксплуатации конструкции и представляющие собой отдель­ные поры, раковины, расслоения, локальные участки разупрочне­ния поверхностного слоя металла, разрыхление его кристаллов при циклическом деформировании. Между дном концентратора и его стенками или поверхностью металла возникает разность по­тенциалов, т.е. образуется специфическая гальваническая пара. Вследствие анодного процесса растворения металла дно концен­тратора напряжений углубляется до тех пор, пока локальное на­пряжение в месте концентратора не станет больше предела теку­чести и не возникнет усталостная трещина.

Процесс коррозионно-усталостного разрушения металлов обычно протекает в три стадии. Первая характеризует период до возникновения трещины, в течение которого образуются специ­фические гальванические пары и возникают зародыши трещин. Вторая стадия характеризуется значительной потерей прочности из-за развития усталостных трещин. Третья стадия является чис­то механическим разрушением оставшегося сечения изделия при напряжениях, превышающих предел прочности металла.

Характерной особенностью коррозионной усталости металлов является отсутствие предела выносливости в отличие от устало­сти на воздухе. Под ограниченным пределом выносливости по­нимают максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний. На рис. 5.3 приведены кривые усталости стали 20Н2М при испытаниях на воздухе и 3%-ном водном рас­творе NaCl, насыщенном сероводородом.

Снижение сопротивления усталости стали в коррозионно- активных средах не зависит от общей коррозии и в ряде случаев наблюдается значительное снижение сопротивления усталости при малом коррозионном поражении металла.

Рис. 5.3. Кривые усталости стали 20Н2М в различных средах:

1 - на воздухе; 2 - в 3%-ном водном растворе NaCl

 

Это объясняется тем, что циклическое напряжение в таких средах не влияет на усиление общей коррозии, вызывает развитие глубинной меж - кристаллитной и главным образом внутрикристаллитной корро­зии, приводящей к интенсивному возникновению трещин.

Сопротивление стали коррозионной усталости зависит от ее химического состава, термической и механической обработки, свойств коррозионной среды, напряженного состояния, частот приложения напряжения.

В табл. 5.2 приведены данные о влиянии коррозионно- активных сред на предел ограниченной выносливости конструк­ционных сталей, т.е. на максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, соответствующее циклической долговечности.

В свою очередь, отличительными признаками коррозионно- усталостного разрушения по сравнению с разрушением на возду­хе являются:

а) отсутствие истинного предела выносливости;

б) отсутствие корреляции между механическими характери­стиками при статическом и циклическом нагружении в воздухе и ограниченным пределом выносливости в среде;

в) специфический характер разрушения, обусловленный раз­витием в начальный период многих усталостных трещин, а не одной, как это имеет место при испытании в воздухе;

г) при воздействии коррозионной среды более резко проявля­ется влияние частотного фактора; с увеличением частоты нагру- жения увеличивается влияние механического фактора. При сни­жении частоты время воздействия среды на циклически деформи-

Таблица 5.2

Влияние коррозионно-активной среды на сопротивление стали усталостному разрушению

 

 

руемый металл увеличивается, что усиливает влияние агрессив­ной среды;

д) влияние концентрации напряжений зависит от агрессивно­сти среды по отношению к определенному металлу. Чем выше агрессивность среды, тем меньше влияние концентрации напря­жений. В большинстве случаев чувствительность к концентрато­рам (острым надрезам, углублениям, неметаллическим включе­ниям и др.) в агрессивных средах по сравнению с воздухом уменьшается. Однако влияние концентратора может резко уси­ливаться при условиях, когда металл находится в состоянии, близком к пассивному, и проявляется эффект щелевой коррозии (титан, нержавеющая сталь в морской воде).

Механическое изнашивание, усиливаемое явлениями корро­зии, называют коррозионно-механическим изнашиванием. Разли­чают следующие виды коррозионно-механического изнашивания: окислительное, фреттинг-коррозия, изнашивание в средах, яв­ляющихся электролитами.

Окислительное изнашивание происходит при наличии на по­верхностях трения окисных пленок, предотвращающих сближе­ние контактирующих поверхностей до расстояния, на котором происходит их схватывание. По мере износа окисные пленки вновь восстанавливаются вследствие взаимодействия металла с кислородом воздуха.

Фреттинг-коррозия - процесс изнашивания, представляющий сочетание фреттинга с коррозией. Фреттингом называют особый вид изнашивания контактирующих поверхностей, совершающих под нагрузкой очень малые повторные относительные перемеще­ния, например, продольные вибрации.

Изнашивание в средах, являющихся электролитами, представ­ляет сочетание механического изнашивания с коррозией.

 

Предыдущая12345678910111213Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: