Разрушение Металла коррозии под напряжением

СОДЕРЖАНИЕ

 С.

Введение                                                                                                                   3

1 Общие сведения о коррозии  под напряжением                                                 4

2 Влияние состава стали  на коррозию                                                                   6

3 Теоретические аспекты  коррозии под напряжением                                       9

4 Этап зарождения трещин  коррозии под механическим напряжением         17

5 Методы защиты металлов  от коррозии под напряжением                             22

5.1 Термообработка                                                                                               23

5.2 Поверхностный наклеп                                                                                   26

5.3 Рациональные методы  выплавки и очистки                                                 27

5.4 Защита сталей фосфатными  покрытиями                                                    29

Заключение                                                                                                             30

Список используемых источников                                                                      31

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Одна из наиболее распространенных и опасных разновидностей коррозии металлов и сплавов — коррозия, усиленная механическими (статическими и циклическими) напряжениями. Этот вид разрушения наименее изучен и весьма распространен, поскольку подавляющее большинство деталей и конструкций эксплуатируется в агрессивных средах (влажной атмосфере, морской и речной воде, влажных грунтах, средах химических и пищевых производств и т.д.)

Существуют два основных вида коррозии под механическим напряжением: коррозионное растрескивание (разрушение металлов под совместным воздействием статической нагрузки и агрессивной среды) и коррозионная усталость (разрушение под одновременным воздействием периодической нагрузки и агрессивной среды).

Предложено разделить  процессы коррозионного растрескивания и коррозионной усталости на ряд  периодов, выведены уравнения скорости подрасгания трещин на различных периодах коррозионио-механического разрушения в зависимости от свойств среды, материала и нагрузки, для каждого периода установлен механизм развития трещин. Выработаны критерии повышения коррозионно-механической стойкости материалов.

В данном реферате представлен аналитический обзор методов повышения сопротивления материалов коррозионному растрескиванию коррозионной усталости. Из обзора следует, что правильно используя уже известные методы, можно добиться существенного повышения коррозионно-механической стойкости деталей и конструкций

 

 

 

1 Общие сведения о коррозии под напряжением

Коррозия под напряжением, коррозия металлического материала при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. Мерой устойчивости материала к коррозии под напряжением является коррозионномех. прочность, определяемая как предел допустимых статических или циклических напряжений в металлена выбранной базе испытаний по времени (тыс. ч) или по числу циклов нагружения (103-106). Скорость коррозии, определяемая по потере массы металла, с ростом напряжений увеличивается несущественно.      Основные виды разрушения - коррозионноусталостное растрескивание при циклическом  нагружении  и коррозионное растрескивание под действием статических растягивающих напряжений (КРН). КРН, подобно хрупкому разрушению, происходит практически без пластической деформации макрообъемов металла. Непременное условие КРН-локализация коррозионного процесса на наиболее напряженных местах поверхности  дефектах поверхностной структуры металла. Это может быть трещины в оксидных пленках и защитных покрытиях, выходы дислокаций, ступени скольжения, границы зерен или неметаллических включений и т. п. Определенные для данного металла компоненты раствора вызывают активацию этих дефектов и растворение металла вблизи них при пассивном состоянии остальной поверхности. Поэтому КРН-процесс, специфический для данной системы металл – среда. Наиболее распространено КРН для следующих систем: латуни и бронзы в средах, содержащих NH₃ (сезонное растрескивание латуней); нержавеющие стали в горячих растворах хлоридов; конструкционные стали повышенной прочности в растворах: щелочей, нитратов, галогенов, HCN, H₂S; любые стали в газообразном Н₂ при высоких температурах (водородная хрупкость); титановые сплавы в ртути, маловодных расворах NO₂; высокопрочные алюминиевые сплавы в растворах хлоридов. В зависимости от особенностей структуры металла и состава коррозионной среды КРН может быть меж- или транс-кристаллитным. В общем процессе развития коррозионной трещины различают инкубационный период (до появления зародышевой трещины), периоды развития трещины и хрупкого разрушения при превышении локальной прочности материала. Инкубационный период определяется созданием условии для резкой локализации коррозионного процесса на дефектах поверхности напряженного металла. Он, как правило, сокращается с ростом действующих напряжений, температуры, концентрации специфически активирующих компонентов среды. Зарождение трещин может быть связано также с местным ад-сорбционным снижением прочности и пластичности микрообъемов металла в средах, содержащих ПАВ.

Развитие трещины определяется физико-химическими условиями, возникающими в ее вершине. Как правило, в вершине  трещины вследствие анодного процесса повышается концентрация активирующих компонентов, происходит существенное подкисление раствора. Факторами, определяющими скорость развития трещины, являются интенсивность поля напряжений, скорость и время анодного растворения металла, снижение локальной прочности в окрестности вершины трещины. Снижение прочности, как правило, происходит вследствие диффузии "коррозионного" атомарного водорода в наиболее напряженную зону металла впереди вершины трещины (водородное охрупчивание). Относительную роль анодного растворения и водородного охрупчивания может быть различна для разных систем металл - раствор. Напряженное состояние металла определяется с помощью коэффициента интенсивности напряжений К_l в рассматриваемой точке контура трещины в момент ее продвижения. Величина К_l является интегральной характеристикой поля напряжений в вершине трещины и для условий плоской деформации определяется из уравнения:  

,

где  - напряжение, l - длина трещины, v - коэф. Пуассона.

Коррозионная трещина  начинает расти при достижении некоторого критического для данной системы металл - раствор значения коэффициента интенсивности напряжений K_l. Рост трещины заканчивается хрупким разрушением образца или конструкции, когда достигается критического значение коэффициента К_l  для данного металла в инертной среде, равное К_lc.  

 

2 Влияние состава стали на коррозию

Стали и чугуны — наиболее широко используемые сплавы на железной основе. Содержание углерода в сталях не превышает 1,7 %; в чугунах оно может доходить до 4 %. Таким образом, эти материалы  в наибольшей степени подвержены коррозии под напряжением. Нелегированные железоуглеродистые сплавы используются в основном для изготовления строительных конструкций, а также различных аппаратов и емкостей. Для большей коррозионной стойкости эти сплавы легируют хромом, молибденом, кремнием, никелем, алюминием и другими элементами.

Известно, что углерод существенно  влияет на коррозионную стойкость сталей. С увеличением содержания углерода коррозионная стойкость сталей уменьшается, уменьшается она и при переходе к закалочным структурам. Так, например, скорость коррозии чистого железа в 1 н. растворе соляной кислоты приблизительно в сто раз меньше, чем серого чугуна и в десять раз меньше, чем Ст. 10. В нейтральных средах влияние содержания углерода на скорость коррозии уменьшается. Примесь марганца практически не влияет на коррозионную стойкость стали. Добавка кремния в количестве свыше 1 % несколько снижает коррозионную стойкость стали, очень большие добавки кремния (от 15 % и более) повышают коррозионную стойкость углеродистых сталей. Примеси серы в некоторой степени снижают коррозионную стойкость, фосфор, существенно влияющий на механические свойства сталей, почти не сказывается при этом на их коррозионных характеристиках.

Низколегированные конструкционные  стали содержат небольшие количества никеля, меди, хрома, кремния и алюминия и в слабоагрессивных средах, т. е. в морской и речной воде, в промышленной и морской атмосфере, обладают повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с углеродистыми сталями.

Наибольший интерес представляют углеродистые стали с добавкой хрома, который значительно повышает коррозионную стойкость материала. Хром относится к самопассивирующим материалам. Вследствие пассивации хрома, входящего в состав сплава, на поверхности последнего образуется пассивная пленка (защитный слой оксидов или адсорбированного кислорода), существенно Повышающая коррозионную стойкость сплава. Установлено, что для образования нержавеющей стали минимальное содержание хрома (по весу) Должно быть не ниже 13—15 %. Стали, содержащие 36 % хрома, приобретают коррозионную Стойкость даже в таких агрессивных средах, как царская водка. Однако в неокисляющихся агрессивных средах защитная пленка на поверхности хромистых сталей не образуется, поэтому в растворах серной и соляной кислот такие стали активно корродируют.

Следует отметить, что хромистые  стали склонны к межкрис- таллитной коррозии, протекающей по границам зерен в результате обеднения их хромом. Введение в эти стали титана и ниобия повышает стойкость их к межкристаллитной коррозии. Хромистые стали, наряду с высокой коррозионной стойкостью, весьма технологичны (хорошо отливаются, штампуются, протягиваются и прокатываются, поддаются механической обработке, в результате закалки и отпуска приобретают высокую твердость и прочность).

Широкое применение получили стали  системы Fe - Сг - Ni без присадок и с присадками меда, молибдена, титана и ниобия. Эти стали характеризуются хорошими механическими и технологическими свойствами и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Никель повышает пластичность стали, способствует формированию мелкозернистой структуры. Холодная деформация ведет к повышению прочности данных сталей. Однако эти стали склонны к межкристаллитной и точечной коррозии. Следует отметить, что хромоникелевые стали обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем хромистые стали, поскольку Введение никеля способствует образованию мелкозернистой однофазной структуры сплава, для которой характерна повышенная коррозионная стойкость.

Легированием хромоникелевых сталей молибденом, медью и марганцем  удается в определенной степени  повысить коррозионную стойкость сталей в неокисляющих средах, в том числе в растворах серной и соляной кислот и в средах, содержащих ионы хлора. Хромоникельмолибденовые стали применяются для изготовления аппаратуры, используемой в средах высокой агрессивности: в горячих серной, сернистой и фосфорной кислотах, а также в кипящих растворах муравьиной, щавелевой и уксусной кислот.

В настоящее время используются также хромомарганцевые стали с  содержанием никеля. Они обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью во многих средах с температурой 80-90 °С.

Все рассмотренные выше легированные стали недостаточно стойки к коррозии под механическим напряжением. В последнее время были разработаны так называемые мартенситно-стареющие стали, которые, будучи весьма стойкими против водородного охрупчивания, обладают вследствие этого и повышенной стойкостью против коррозии под механическим напряжением.

Мартенситно-стареющие стали - это высокопрочные стали с незначительным содержанием углерода. Упрочнение их достигается использованием элементов, заменяющих углерод: никеля, кобальта и молибдена. Эти элементы обусловливают дисперсионное твердение мартенситной железо-никелевой матрицы при старении, отсюда и название сталей. Такие стали можно применять в станкостроении, самолетостроении, космической технике. Они идут на изготовление корпусов ракетных двигателей, деталей шасси самолетов, штампованных узлов и крепежных деталей.

Чугунами называют широкий круг сплавов на основе железа, содержание углерода в которых превышает 1,7 %. В настоящее время улучшение качества чугунов позволяет все чаще использовать их для изготовления ответственных деталей, в частности, коленчатых валов автомобилей и тяжелых дизельных двигателей. Существенным преимуществом чугуна является свойство слегка расширяться при затвердевании. Это делает чугун идеальным материалом для изготовления литых деталей. Чугунные изделия отличаются повышенной стойкостью против коррозионного растрескивания, однако под действием циклических напряжений в агрессивной среде чугун разрушается от коррозионной усталости. Наименее стоек к коррозии под напряжением высокопрочный чугун.

 

         3 Теоретические аспекты коррозии под напряжением

В последние десятилетия, когда проблема коррозионно-механической стойкости материалов стала достаточно острой, появилась необходимость исследования механохимических аспектов зарождения и развития трещин коррозии под напряжением. Было предложено несколько теорий, скорее гипотез, для объяснения механизма коррозионного растрескивания и коррозионной усталости. Наибольший интерес из них представляют следующие: адсорбционного понижения прочности, водородного охрупчивания и электрохимическая.

В соответствии с адсорбционной  теорией разупрочняющее воздействие сред; при статическом и циклическом нагружении металла объясняется преимущественно снижением поверхностной энергии вследствие адсорбции компонентов среды на поверхности металла. Имеются весомые экспериментальные результаты, подтверждающие значительную роль адсорбционных явлений в разупрочнении сталей и сплавов. Так, между адсорбцией и склонностью сталей к растрескиванию в среде в ряде случаев просматривается определенная корреляция. Стали, обладающие высокой адсорбционной способностью по отношению к компонентам среды, характеризуются низким сопротивлением растрескиванию. Никель, например, уменьшая адсорбируемость ионов хлора на поверхности, повышает стойкость аустенитных сталей к растрескиванию. Высокомолекулярные спирты, активно адсорбирующиеся на поверхности стали, ускоряют рост трещин. Однако адсорбционная теория при всей ее важности не универсальна.