Особенности коррозионного растрескивания и коррозионнго роста трещин в металлах.Коэффициент интенсивности напряжений.

____________________________________________________________________________________

Различают три основных механизма влияния коррозионных сред на трещиностойкость конструкционных материалов:

водородное охрупчивание;

адсорбционное понижение прочности;

локальное анодное растворение.

По влиянию на характер разрушения активные среды можно разделить на:

1) среды, вызывающие охрупчивание металла и его хрупкое разрушение в напряженном состоянии (например, водородное охрупчивание, а также коррозионное растрескивание в электролитах и жидких металлах);

2) среды нейтральные;

3) среды, способные пластифицировать металл.

Под действием среды (1) и эксплуатационных условий может изменяться также критический размер трещин, что приводит к существенному уменьшению долговечности.

Водородное охрупчивание

Водород, воздействуя на металлы, значительно увеличивает их чувствительность к трещинам.

Водород негативно влияет на механические характеристики, но особенно следует учитывать обусловленное водородом облегчение зарождения и роста трещин.

Повреждение металлов водородом считается в настоящее время причиной многих аварий и катастроф.

Адсорбционное понижение прочности

Адсорбция (от лат. ad sorbere – поглощать, всасывать):

поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или из раствора поверхностным слоем другого вещества (твердого тела). Подробнее: пункт 10.5.

Локальное анодное растворение

Для некоторых систем металл – среда в результате высокой коррозионной активности происходит избирательное анодное растворение металла и, таким образом, увеличение длины трещины.

Роль напряжения в этом случае состоит в активизации металла у вершины трещины.

Формально влияние среды можно учесть путем введения дополнительного коэффициента, учитывающего эксплуатационные условия – f_усл..

По этому коэффициенту находят длину (глубину) трещины L или толщину образца H:

В этой формуле K_Ic и s_Т определяются при нормальных условиях.

Особенности коррозионного растрескивания и коррозионного роста трещин в металлах

Коррозионное растрескивание: квазихрупкое разрушение с малой величиной пластической деформации в вершине трещины и малой скоростью развития коррозионной трещины по сравнению с механическим лавинным разрушением.

Коррозионное растрескивание наблюдается в металлах, восприимчивых к коррозии, при наличии:

специфической коррозионно-активной среды и напряженного состояния с растягивающими компонентами напряжений.

Независимо от пластических свойств материала и толщины образца коррозионное растрескивание на стадии развития коррозионной трещины происходит по типу разрушения отрывом с прямым изломом и отсутствием деформации по толщине.

Это свидетельствует о том, что разрушение происходит в условиях, характерных для плоской деформации, когда правомерно применение линейной механики разрушения.

Специфика роста коррозионных трещин проявляется в их ветвлении и затуплении (за счет анодного растворения металла в их вершине), а также в различии параметров среды в вершине трещины и на поверхности образцов.

Ветвление: микро- (межзеренный рост трещин) и макро- (проявляется в наличии нескольких равноценных, одновременно распространяющихся ветвей на расстоянии большем, чем величина зерна).

Коэффициент интенсивности напряжений

Для характеристики прочности материала в агрессивной среде введен коэффициент

К_scc (scc – stress corrosion cracking – коррозионное растрескивание) – критический коэффициент интенсивности напряжений при коррозионном растрескивании.

Его величина постоянна для данного материала и определенной среды.

К_scc не зависит от геометрии образца, но чувствителен к внешним условиям и свойствам материала.

Длительная статическая трещиностойкость при воздействии коррозионно-активной среды обычно оценивается зависимостью долговечности образцов с искусственными трещинами от значений КИН в начальный момент испытания (строится диаграмма).

На основании диаграммы определяются значения К_scc или К_Iscc, ниже которых докритический рост трещин отсутствует.

Величина К_Iscc – важный параметр системы материал – среда.

Позволяет рассчитывать допускаемые напряжения в конструкции, содержащей трещины при совместном воздействии длительных статических нагрузок и коррозионных сред.

К_Iscc – структурно чувствительный параметр: низкие его значения характерны для высокопрочных низко пластичных материалов (К_Iscc < < К_Ic).

Установлено, что при наличии неблагоприятной среды (например, морской воды) в условиях постоянного нагружения можно определить некоторое пороговое значения К_scc, ниже которого роста трещины в данной коррозионной среде не наблюдается.

Пороговое значение К_scc определяет начало интенсивного влияния среды на развитие трещины и ускорение ее роста.

Вместе с тем, по К_scc можно определить ту минимальную нагрузку и тот минимальный дефект, ниже которых разрушение не имеет места в данной среде:

Процесс разрушения материала во времени при воздействии активной среды проиллюстрируем графиком.

Схема процесса разрушения при действии активной среды

Стадия 1:

На начальном этапе работы уровень К_I определяется приложенным напряжением и исходной длиной дефекта L.

Стадия 2:

Под действием агрессивной среды (К_Iscc < K_Ic) трещина растет, пока К_I не сравняется по уровню с К_Iscc.

Прирост длины трещины между стадиями 1 и 2 зависит от относительной разницы коэффициентов интенсивности напряжений К_Ic и К_Iscc, а также характеристик материала.

На стадии 2 дефект растет быстрее, чем в обычных условиях, из-за неблагоприятного воздействия среды и высокого уровня К_I, превышающего критическое значение К_Iscc. Чем больше начальный уровень К_I, тем меньше время развития трещины на данной стадии.

Ускоренный рост трещины происходит до тех пор, пока К_I не достигнет критического значения К_Ic.

Ускоренный рост трещины происходит до тех пор, пока К_I не достигнет критического значения К_Ic.

При этом происходит полное разрушение.

Влияние среды на выносливость материала

существенно снижаться из-за неблагоприятного воздействия тех сред, в которых работает конструкция.

По влиянию на выносливость материала все среды можно разделить на три группы:

1) нейтральные среды, которые не снижают выносливость и не оказывают химического воздействия на материал (к ним относятся, например, чистые углеводороды).

Сюда же относится и воздух, хотя в действительности окисление на воздухе несколько снижает выносливость;

2) среды, снижающие выносливость, но химически нейтральные (к их числу можно отнести, например, различные смазочные масла).

Снижение выносливости металла под влиянием таких химически неагрессивных, но адсорбционно-активных сред называется адсорбционной усталостью;

3) химически агрессивные среды, в которых снижение предела выносливости материала в значительной мере обуславливается химическим воздействием на него среды. Примером таких сред являются вода и водные растворы.

Совокупное воздействие этих сред на металл обуславливает так называемую коррозионную усталость.

Влияние коррозионной усталости проявляется в гораздо большей степени, чем влияние адсорбционной усталости.

Если элемент испытывает циклическое нагружение и находится в среде с поверхностно-активными веществами, то под влиянием капиллярного давления жидкость или газ проникают в микрощели.

Образовавшиеся адсорбционные соли расклинивают микрощели, что эквивалентно увеличению внешнего растягивающего усилия.

Поэтому при работе в адсорбционно-активной среде микрощели будут раскрываться больше и быстрее превращаться в усталостную микротрещину при заметно меньших воздействиях.

Резкое снижение выносливости стали и цветных металлов в условиях коррозии объясняется тем, что у них под действием переменных напряжений разрушается невидимая защитная пленка окислов на поверхности.

Кроме того, разъедание металла в условиях коррозии происходит неравномерно с образованием микроскопических рытвин, играющих роль поверхностных концентраторов и дающих начало трещин.

Влияние коррозии на величину предела выносливости s_r будет различным в зависимости от того, когда металл подвергался коррозии:

если до действия циклических напряжений, то снижение величины s_r меньше;

если же одновременно с действием переменных напряжений, то снижение s_r может достигать

70-80 %.

В коррозионной среде усталостная трещина зарождается при меньших напряжениях и развивается с большой скоростью.

Кривая усталости не имеет характерного горизонтального участка.

При наличии коррозионно-активной среды также уменьшается критическая длина трещины и разрушение наступает при меньшем числе циклов нагружения.