Коррозионная усталость и её роль в поведении материалов.
Для повышения надежности работы деталей машин и механизмов необходимо обеспечить эффективную защиту деталей и конструкций от коррозии. Коррозия - процесс разрушения металлов и сплавов при химическом или электрохимическом воздействии на них внешней среды. В зависимости от воздействующей среды детали летательных аппаратов могут подвергаться атмосферной, жидкостной или газовой коррозии.
Примером атмосферной коррозии может служить разрушение наружных деталей самолета под влиянием влажного воздуха, дождя, росы и других атмосферных агентов. В этом случае стальные детали покрываются бурой ржавчиной, детали из легких сплавов -белыми продуктами коррозии алюминия и магния, а медные и бронзовые детали - характерной «зеленью».
Жидкостная коррозия свойственна деталям, которые при эксплуатации соприкасаются с жидкостями, например в гидравлической, охлаждающей и других системах.
Газовая коррозия возникает в условиях воздействия горячих газов. Этому виду коррозии подвержены, например, лопатки реактивного двигателя.
Коррозия приносит громадный вред народному хозяйству, особенно авиастроению. Этот вред состоит в снижении прочности работающих деталей, снижают усталостную прочность материалов, а коррозия наружных деталей летательного аппарата приводит к ухудшению обтекаемости и снижает скорость полета.
При жидкостной коррозии циркулирующие жидкости могут загрязняться продуктами коррозии, что приводит к нарушению нормальной работы крановых соединений, помп и других систем.
|
|
|
Разрушение при коррозии всегда начинается с поверхности и постепенно проникает вглубь.
По типу повреждений коррозия весьма разнообразна. Она может быть равномерной, местной, точечной, язвенной, и межкристаллитной. Межкристаллический вид коррозии является наиболее опасным по двум причинам: во-первых, вследствие быстрого разрушения, идущего далеко вглубь материала; во-вторых, потому, что межкристаллитное разрушение обычно бывает трудно обнаружить при внешнем осмотре.
По характеру физико-химических явлений, происходящих при взаимодействии металла и среды, коррозионные процессы могут быть разделены на две основные группы: 1) химическую коррозию; 2) электрохимическую коррозию.
Химическая и электрохимическая коррозия металлов.
Химическая коррозия
Химической коррозией называется разрушение металлов и сплавов под влиянием химического воздействия внешней среды. Типичным примером химической коррозии является окисление металлов и сплавов при высоких температурах, составляющее сущность газовой коррозии многих деталей авиадвигателя.
|
|
|
Одной из важнейших форм химической коррозии металлов является окисление. При окислении металлов на их поверхности образуются окисные или оксидные пленки.
Установлено, что окисные пленки имеют кристаллическое строение и состоят из мельчайших, связанных между собой зерен; между зернами имеются многочисленные поры; число пор очень велико: например, в окисной пленке, образующейся при окислении железа, нагретого до голубого цвета побежалости, на площади в 1 мм2 имеется около 108 пор.
Образование пленок начинается с химической реакции между металлом и средой на границе раздела фаз. Дальнейший рост пленки может происходить в результате двусторонней диффузии через толщу образовавшейся пленки; частицы металла и кислорода диффундируют между узлами кристаллической решетки окисла или через вакантные узлы решетки.
Нагрев ускоряет рост пленок, так как увеличивает скорость диффузии.
К химической коррозии относятся также случаи разрушения металлов и сплавов в некоторых органических жидкостях, например в сернистом керосине, используемом в качестве авиационного топлива и представляющем собой продукт прямой гонки сернистых нефтей. В результате происходит разрушение металлических деталей с образованием различных сульфидов.
|
|
|
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия состоит в разрушении металлов и сплавов под действием электролитов, сопровождающемся явлениями перехода атомов в ионизированное состояние, перемещением ионов электролита и другими электрохимическими процессами.
Сюда относятся случаи коррозии авиадеталей в атмосфере, морской или речной воде, охлаждающих жидкостях, кислотах и других средах.
Коррозионные процессы протекают всегда самопроизвольно, так как возникающие продукты коррозии являются термодинамически более устойчивыми, чем соответствующие металлы, из которых они образовались.
Электрохимические процессы возникают при контакте разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом. Такие случаи в авиастроении встречаются довольно часто; в самолетных конструкциях, например, нередко имеются сочленения деталей из алюминиевых сплавов, сталей, магниевых сплавов, латуни. При попадании влаги в место контакта может начаться электрохимический процесс и развивается коррозия. Сами сплавы обычно являются электрохимически неоднородными, так как большей частью состоят из зерен различных составляющих - твердых растворов, металлических соединений и др.
|
|
|
Коррозионная усталость и её роль в поведении материалов.
Весьма опасной является также коррозионная усталость металлов; она проявляется, если деталь (например валик помпы) работает в условиях переменного нагружения в коррозионной среде и имеет какой-либо поверхностный дефект.
Коррозионная усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под воздействием переменных напряжений и коррозионно-активных сред, приводящий к изменению свойств, образованию коррозионно-усталостных трещин, их развитию и разрушению изделия.
Этому виду разрушения в определенных условиях могут быть подвержены все конструкционные материалы на основе железа, алюминия, титана, меди и других металлов. Опасность коррозионно-усталостного разрушения заключается в том, что оно протекает практически в любых коррозионных средах, включая такие относительно слабые среды, как влажный воздух и газы, спирты, влажные машинные масла, не говоря уже о водных растворах солей и кислот, в которых происходит резкое, иногда катастрофическое снижение предела выносливости металлов. Поэтому коррозионная усталость металлов и сплавов наблюдается во всех отраслях техники. Коррозионно-усталостному разрушению подвергаются лопатки компрессоров и турбин, обшивки самолетов и пр.
Усталостное разрушение углеродистых, среднелегированных и нержавеющих сталей, а также сплавов на основе алюминия и других металлов в присутствии коррозионной среды отличается от характера разрушения этих материалов в сухом воздухе или химически мало активных и инертных средах. Характерными признаками коррозионной усталости случаях являются:
1. Отсутствие истинного предела выносливости, т.е. кривые коррозионной усталости, построенные в координатах напряжение - время до разрушения не имеют горизонтального участка. Минимальное разрушающее переменное напряжение уменьшается с увеличением числа циклов нагружения. Отсутствие истинного предела выносливости при усталости металла в жидкой или газообразной среде можно считать признаком коррозионно-усталостного разрушения.
2. Отсутствие корреляции между механическими свойствами металла, полученными при статическом и циклическом нагружении в воздухе, и условным пределом коррозионной выносливости. Повышение временного сопротивления углеродистых и многих легированных сталей от 250-300 до 1800-2000 МПа обусловливает повышение предела выносливости гладких образцов, в то время как условный предел выносливости указанных материалов при воздействии коррозионной среды находится на низком уровне (20—100 МПа) и для сталей с различным значением временного сопротивления меняется несущественно.
3. Многоплоскостной характер разрушения, четко выраженный у всех углеродистых и низколегированных сталей в нейтральных коррозионных средах. Кроме того, существенно меняется микрорельеф поверхности разрушения.
4. Значительно более высокая, чем в воздухе или нейтральных средах, чувствительность к частоте и форме цикла нагружения металла;
5. При усталости углеродистых и низколегированных сталей, сплавов на основе алюминия и титана с увеличением сечения испытываемого объекта, независимо от природы металла, предел выносливости заметно снижается вследствие проявления масштабного эффекта.
6. Коррозионная среда при большой базе циклов нагружения снижает чувствительность стальных изделий к микрогеометрии поверхности и концентрации механических напряжений вследствие их анодного растворения и уменьшения эффективности действия.
3. Коррозия под напряжением и чувствительность алюминиевых сплавов к коррозии под напряжением
3.1. Коррозия под напряжением
Повреждение металлических изделий под действием коррозионной среды зависит в первую очередь от свойств среды, материала детали и внешних нагрузок. Повреждение может иметь вид постепенного разрушения поверхностного слоя, хрупкого разрушения при одновременном действии коррозионной среды и постоянных растягивающих напряжений и коррозионной усталости при одновременном действии коррозионной среды и переменных напряжений.
1. Постепенное коррозионное разрушение поверхности. Скорость коррозионного разрушения зависит от наличия напряжений в поверхностном слое металлической детали. Эта скорость увеличивается при повышении уровня напряжений, независимо от их знака. Поскольку коррозионные реакции металлов основаны на химических и электрохимических процессах, факторы, влияющие на снижение электродного потенциала, способствуют увеличению скорости коррозии.
2. Коррозионное растрескивание. Хрупкое разрушение металлических изделий при одновременном действии коррозионной среды и напряжений связано с растягивающими нормальными напряжениями от внешних сил или с растягивающими остаточными напряжениями. Хорошо, например, известно коррозионное растрескивание латунных деталей под действием коррозии и растягивающих остаточных напряжений. В литературе описаны случаи коррозионного растрескивания сталей в присутствии горячих растворов едких веществ, расплавленного олова, алюминия или меди. Эффективным методом борьбы с коррозионном растрескиванием является уменьшение растягивающих остаточных напряжений путем соответствующей термической обработки или создание в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений одним из методов поверхностного наклепа.
3. Коррозионная усталость. Благоприятное действие сжимающихся остаточных напряжений на повышение коррозионно-усталостной прочности показано в работах В. И. Лихтманом, П. А. Ребиндером и Г. В. Карпенко при испытании образцов из стали 20X в поверхностно-активной и коррозионной среде было выявлено, что растягивающие остаточные напряжения увеличили адсорбционный эффект снижения усталостной прочности в 3 раза. Сжимающие остаточные напряжения, полученные в результате упрочняющей обкатки роликами, не только ликвидировали неблагоприятное действие поверхностно-активной и коррозионной сред, но и сделали выносливость стали в этих средах выше, чем выносливость неупрочненных образцов на воздухе.
Активное воздействие сжимающих остаточных напряжений проявляется при весьма небольших глубинах их проникновения, соизмеримых с глубиной проникновения субмикротрещин. Поэтому, например, столь эффективным оказалось антикоррозионное азотирование углеродистой стали, которое повысило предел выносливости в 2—3 раза при работе в 3%-ном водном растворе НС1.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 612; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!