Короткі теоретичні відомості. У процесі експлуатації металеві конструкції піддаються одночасному впливові корозійних середовищ і механічних напружень

У процесі експлуатації металеві конструкції піддаються одночасному впливові корозійних середовищ і механічних напружень. За походженням механічні напруження поділяються на внутрішні і ззовні прикладені [10-13].

Внутрішні напруження — це напруження, виникнення яких зв'язано з термічною обробкою, зварюванням або деформацією в процесі виготовлення деталей. Варто мати на увазі, що в окремо узятій деталі поряд із внутрішніми напруженнями розтягу, завжди є і напруження стиску, причому сума напружень розтягу, дорівнюється сумі напружень стиску.

Ззовні прикладені напруження за своїм характером можуть бути статичними і такими що багаторазово змінюються (змінними).

Механічні напруження можуть впливати на електрохімічну поведінку, швидкість і характер корозійного руйнування сплавів.

Величина і знак зміни електродного потенціалу при прикладанні напружень розтягу, визначаються такими основними факторами: а) підвищенням вільної енергії і зв'язаним з ним зниженням термодинамічної стійкості металу; б) руйнуванням захисних плівок; в) зміною адсорбції компонентів розчину на поверхні металлу [10-13].

Зниження термодинамічної стійкості металу

Як відомо, величина і знак рівноважного електродного потенціалу металу визначаються зміною енергії Гіббса анодного процесу: Me = Ме ^Z+ + zē.

При наявності напружень розтягу, енергія Гіббса металу збільшується, а енергія гідратованих катіонів металу в розчині залишається постійною. У результаті цього зміна енергії Гіббса анодного процесу зменшується, а електродний потенціал зміщується в негативний бік.

Розраховані величини зміни рівноважного електродного потенціалу метала при наявності напружень розтягу, в області пружних деформацій невеликі - не перевищують декількох мілівольтів. Варто мати на увазі, що в місцях концентрації напружень і локалізації механічних деформацій зсув електродного потенціалу при наявності напружень розтягу може досягати декількох десятків мілівольтів.

Руйнування первинних захисних плівок

За даними Г.В. Акімова, первинні захисні плівки можуть зміщувати електродний потенціал металу на сотні мілівольтів. При механічному порушенні суцільності таких плівок за наявності напружень розтягу, електродний потенціал металу зміщується в негативний бік. Якщо в процесі корозії під напруженням утвориться вторинна захисна плівка, то електродний потенціал металу буде облагороджуватися і через якийсь час може досягати первісного значення.

Адсорбція поверхнево-активних компонентів розчину

На процес адсорбції ПАР (див. лаб. роб. №3, с.19, 20) на поверхні металу у водному розчині електроліту можуть впливати механічні напруження. При наявності напружень розтягу вільна енергія металу збільшується, а при нерівномірному їхньому розподілі може відбуватися також зміна заряду поверхні. Підвищення вільної енергії в загальному випадку полегшує процес адсорбції.

З фізики металів відомо, що при нерівномірному розподілі механічних напружень стиснуті області кристалічних ґраток металів унаслідок перерозподілу електронів заряджаються позитивно, а розтягнуті — негативно. Тому, наприклад, при вигині зразка металу в пружній області розтягнута сторона заряджається негативно, унаслідок чого адсорбція аніонів на ній утруднюється, а катіонів — полегшується. При пластичній деформації металів у кристалічних ґратках утворюються лінійні дефекти — дислокації, стиснута частина яких заряджена позитивно, а розтягнута — негативно. Тому при наявності пластичної деформації полегшується адсорбція і катіонів, і аніонів.

При адсорбції поверхнево-активних компонентів розчину електроліту та наявності напружень розтягу, електродний потенціал металу може зменшуватися, збільшуватися або залишатися без зміни. Так, наприклад, якщо поверхнево-активний компонент гальмує анодний процес, а напруження розтягу, утруднюють його адсорбцію, то електродний потенціал зміщується в негативний бік. При полегшенні ж адсорбції такого поверхнево-активного компонента при прикладанні напружень розтягу, електродний потенціал металу зміщується в позитивний бік.

Таким чином, при прикладанні напружень розтягу, електродний потенціал металу внаслідок збільшення термодинамічної нестійкості і механічного руйнування плівок зменшується, а при адсорбції поверхнево-активних компонентів розчину може збільшуватися, зменшуватися і залишатися без зміни. У залежності від того, які з зазначених факторів виявляються більш ефективними, електродний потенціал металу при прикладанні напружень розтягу може зменшуватися, залишатися без зміни або збільшуватися.

Прикладання напружень розтягу особливо в пластичній області, звичайно полегшує анодний процес, а в ряді випадків і катодний процес.

Одним з найбільш небезпечних видів корозійного руйнування металів є корозійне розтріскування, тобто розтріскування при одночасному впливі корозійного середовища і напружень розтягу (зовнішніх або внутрішніх). Воно відбувається внаслідок посилення процесу корозії, локалізованого на вузьких ділянках поверхні металу при корозії під напруженням – мехаізм ЛАШ (локалізація корозії по активних шляхах). Варто мати на увазі, що при корозії під напруженням розтріскування може відбуватися й у результаті наводнювання. Тоді механізм корозійного розтріскування пов’язаний з водневою крихкістю) [10-13].

Для корозійного розтріскування характерні такі особливості:

а) відсутність пластичної деформаціх в макрооб’ємах металу;

б) напрямок тріщин перпендикулярний розтягуючим напруженням;

в) утворення міжкристалітних, транскристалітних або змішаних тріщин із значним розгалуженням;

г) залежність часу до розтріскування від рівня ззовні прикладених напружень розтягу.

Корозійному розтріскуванню піддаються сталі, алюмінієві, магнієві, мідні, титанові, нікелеві й інші сплави. Варто мати на увазі, що корозійне розтріскування сплаву виникає при впливі не всіх, а тільки специфічних корозійних середовищ.

Процес розвитку тріщин при корозії під напруженням, за даними Н.Д. Томашова, складається з трьох періодів (рисунок 6.1):

I - інкубаційний — поступове утворення на поверхні металу первинних корозійно-механічних тріщин;

II - розвиток корозійної тріщини;

III - кінцеве лавиноподібне руйнування.

Вивчення кінетики розвитку тріщини при корозії під напруженням високоміцних сталей показало, що на стадії І відбувається поступове утворення корозійної тріщини. На стадії ІІ відбувається стрибкоподібний розвиток тріщини; перехід від стадії І до стадії ІІ супроводжується значним збільшенням швидкості розвитку тріщини. На стадії ІІІ відбувається лавиноподібне механічне руйнування. Для більшості сплавів час розвитку тріщини на стадії І становить понад 85% від загального часу розтріскування. Більшість дослідників вважають, що процес корозійного розтріскування має електрохімічну природу і звичайно зв'язують його з роботою корозійних елементів, що виникають унаслідок [10-13]:

1) нерівномірного розподілу напружень розтягу: концентратор напружень працює анодом, а решта поверхні (бічні стінки тріщини, зовнішня поверхня металу) - катодом;

2) місцевого механічного порушення захисної плівки: метал у місцях руйнування плівки працює анодом, а поверхня металу, покрита плівкою, — катодом;

3) прискорення розпаду пересичених твердих розчинів під дією місцевих напружень розтягу: надлишкова фаза, що випадає, працює анодом стосовно іншої поверхні металу і т.д.

Безсумнівно, що утворення тріщин при корозії під напруженням в загальному випадку відбувається лише при наявності, принаймні, наступних умов [10-13]:

1. Якщо прикладені напруження розтягу, розподіляються нерівномірно: концентруються по границях зерен, скупченням дислокацій, місцях вибіркової (селективної) корозії і т.п.

2. Якщо корозійне середовище забезпечує збільшення швидкості корозії при наявності напружень розтягу, і сприяє локалізації анодного процесу.

3. Можливість утворення корозійних тріщин при даних напруженнях розтягу, визначається співвідношенням швидкостей корозії в місці концентратора напружень k₁ і на іншій поверхні k₂. Корозійна тріщина може утворитися тільки в тих випадках, якщо k₁ > k₂. Швидкість розвитку корозійної тріщини визначається різницею швидкостей корозії k₁ - k₂. Всі умови, що сприяють збільшенню швидкості корозії k₁ і зменшенню швидкості корозії k₂ (утворення фазових, адсорбційних захисних плівок), приводять до підвищення схильності сплаву до корозійного розтріскування.

На підставі цих положень було встановлено, що залежність часу до розтріскування t від величини ззовні прикладених напружень розтягу s описується рівнянням:

(s — s_кр) t = К, (6.1)

де К— константа;

s_кр—критичне або граничне напруження, нижче якої сплав у даному корозійному середовищі не виявляє корозійного розтріскування.

З рівняння (6.1) випливає, що із збільшенням ззовні прикладених напружень розтягу, час до розтріскування сплаву зменшується. Графічне зображення залежності часу до розтріскування від рівня напружень розтягу, у координатах s-t являє собою гіперболу, зміщену по осі s на величину s_кр (рисунок 6.2) [10-13].

Рисунок 6.1 – Розвиток тріщини при корозії під напруженням високоміцної сталі		Рисунок 6.2 – Крива корозійного розтріскування

Воднева крихкість (ВК) – корозійно-механічне руйнування сталі під дією поглиненого водню та напружень розтягу. ВК знижує статичну міцність (s_в) та плстичність (d, y), останнє більш характерно для пластичних маловуглецевих сталей. Воднева крихкість відноситься до числа найбільш небезпечних корозійно-механічних руйнувань конструкцій.

Відповідальним за руйнування конструкційних сталей у кислих середовищах є наводнювання металу. Особливо чутливі до водню високоміцні сталі, що у кислих середовищах швидко окрихчуються (розтріскуються) [24,34].

Одним з методів захисту конструкційних металів від ВК є інгібіторний захист [24-34].

Експериментальна частина

Порядок виконання роботи:

1.Знежирені зразки (57х 12 х 2,5мм) закріплюють з допомогою болтів у трьохопорних присроях (рисунок 6.3, 6.4).

t	Основні розміри, мм t В R Lроб 2,5 Допоміжні розміри H L1 d Ld L 12
Рисунок 6.3 - Зразок для дослідження корозійного розтріскування

Рисунок 6.4 - Пристрій для вивчення корозії сталі під напруженням		Рисунок 6.5 - Схема для визначення відносної деформації зразка
	1 - текстолітова державка, 2 - зразок, 3-6 - стаціонарне болтове кріплення з гайкою

2. Ступінь деформації ε , визначають за формулою 6.5.

Для визначення відносної деформації за допомогою індикатора вимірюють максимальний прогин (рисунок 6.5) із точністю до 0,01 мм. Потім розраховують R_max за формулою:

R_max=(a²+4×f²)/8×f (6.2)

де а - відстань між вістрями вилки пристрою, мм; f - максимальний прогин, мм.

Проведені тензиометричні виміри за допомогою тензостанції 8-АН4-7М і осцилографа Н-700 [7,13,37,38] показали, що в межах точності досліду (+2%) дотримується умова чистого згину зразка, тобто по всій довжині робочої частини зразка, при заданій деформації, напруження є однаковими. Оскільки робоча частина зразка по всій своїй довжині має однакові напруження, що забезпечується чистим згином і постійним поперечним перетином, із достатнім наближенням, лінію згину зразка можна прийняти за дугу обводу. Вважаючи, що довжина дуги, утворена середньою лінією зразка, не змінюється при згині, відносна деформація крайнього волокна (e) буде виражатися відношенням довжини дуг, утворених поверхнею зразка і середньої лінії:

e=(l_max - l_ср)/l_cp (6.3)

e=(R_max - R_cp)/R_cp (6.4)

e=(t/2·R_cp)·100, % (6.5)

де t - товщина зразка.

3. Парафінують неробочі частини зразка і текстолітової опори, залишаючи робочу частину, l = 2 см (рисунок 6.3).

4. Опускають закріплені зразки в склянки з електролітами і негайно вмикають секундомір:

1) 1н. НСl (без інгібітору) 2) 1н. НСl (з інгібітором)

а) маловуглецева пластична сталь з різним ступенем деформації - e (за завданням викладача), досліджуючи при цьому залежність К_m = f (e).
К_m визначають за методикою описаною в лабораторній роботі №4;

б) високоміцна сталь (за завданням викладача).

5. Реєструють час до розтріскування зразків. Розраховують ступінь інгібіторного захисту за формулою:

(6.6)

де τ' і τ - час до розтріскування зразків у інгібованій і неінгібованій кислоті, хв.

6.4 Висновки: експериментально визначено, що маловуглецева пластична сталь (не) піддається корозійному розтріскуванню, а високоміцна сталь (...), час до розтріскування зразків у інгібованій і неінгібованій кислоті становить відповідно (...), ступінь інгібіторного захисту К = ... . Із збільшенням e зразків з пластичної сталі швидкість їх корозії за К_m – (...).

6.5 Тестові запитання для контролю СР

1. Які руйнівні фактори впливають в процесі експлуатації на металеві конструкції (МК)?

2. Які за походженням механічні напруження ви знаєте?

3. Чим обумовлені внутрішні напруження в МК?

4. Як класифікують ззовні прикладені до МК напруження?

5. На що можуть впливати механічні напруження в МК?

6. Чим визначаються величина і знак зміни електродного потенціалу при прикладанні напружень розтягу?

7. Що таке корозійне розтріскування?

8. Назвіть особливості, характерні для корозійного розтріскування.

9. Охарактеризуйте процес розвитку тріщин при корозії під напруженням.

10. За яких умов відбувається утворення тріщин при корозії під напруженням в загальному випадку?

11. Як залежить час до розтріскування від величини ззовні прикладених напружень розтягу?

12. Що розуміють під терміном „воднева крихкість”? Які сталі більш чутливі до водневої крихкості? В чому це проявляється?

Лабораторна робота №7