Коррозионное растрескивание под напряжением

СОДЕРЖАНИЕ

 С.

Введение                                                                                                                   3

1 Общие сведения о коррозии  под напряжением                                                 4

2 Этап зарождения трещин коррозии под механическим напряжением           7

3 Методы защиты металлов от коррозии под напряжением                             12

3.1 Термообработка                                                                                               12

3.2 Поверхностный наклеп                                                                                   14

Заключение                                                                                                             16

Список использованных источников                                                                   17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 подрастания трещин на различных периодах коррозионно-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 - это коррозия металлического материала при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений. Мерой устойчивости материала к коррозии под напряжением является коррозионно-механическая 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 [4].

Основные виды разрушения: коррозионно-усталостное 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 растворах 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 адсорбционным 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 - коэффициент 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. [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Этап зарождения трещин коррозии под механическим напряжением

Трещины коррозионной усталости зарождаются  в местах деформационного выхода на поверхность металла дислокаций, скопление ступенек от вышедших дислокаций создает полосу скольжения. Локальный электродный потенциал по месту полосы скольжения более отрицателен в сравнении с потенциалом остальной поверхности металла. Поэтому на поверхности металла возникает коррозионный гальванический элемент, в котором полоса скольжения становится анодом и активно растворяется, а катодный процесс (восстановление кислорода, а в кислых средах - водорода) реализуется на остальных участках поверхности.

Трещины коррозионного растрескивания, как и трещины усталости, зарождаются по месту стойких полос скольжения. Также они могут зарождаться по месту локального деформационного разрыва поверхностных пленок на металле, что приводит к местному оголению металла. Оголенный металл во всех случаях имеет более отрицательное значение электродного потенциала и в гальванопаре с остальной поверхностью служит анодом, т. е. растворяется.

Однако разрывы поверхностных  пленок и стойкие полосы скольжения на поверхности металла появляются не сразу. Для их появления необходимы при усталостном нагружении хотя бы несколько десятков циклов деформирования. Таким образом, время до появления на поверхности металла стойких анодных образований, на которых сосредоточивается локальная коррозия, можно считать первым (инкубационным) периодом зарождения трещин. Определяющий фактор на этом периоде - механическое воздействие (деформация). Роль среды сводится лишь к адсорбционному облегчению разрыва пленок и выхода на поверхность дислокаций, ступеньки от которых складываются в анодные полосы скольжения.

Зарождение трещин растрескивания и усталости имеет преимущественно коррозионно-электрохимическую природу и связано с деформационной локализацией коррозии, при которой на поверхности металла появляются гальванопары, т. е. наступает второй (уже коррозионный) период зарождения трещины. Для таких гальванопар площадь локальных анодных участков несоизмеримо меньше остальной катодной поверхности металла, кроме того, гальванопары - короткозамкнуты по металлу. Согласно теории короткозамкнутых гальванических элементов, подобным гальванопарам характерно следующее:

- катод гальванопары практически неполяризуем, поскольку его поверхность несоизмеримо больше поверхности анодного участка;

- гальванопара обеспечивает в данном режиме своей работы максимальную силу коррозионного тока.

Проанализируем физико-химические и механохимические аспекты зарождения трещин растрескивания и усталости вследствие работы гальванопары на поверхности металла.

Сила коррозионного тока гальванопары формально описывается уравнением

 

 ,

 

где - разность потенциалов между катодными и анодными ее участками (эд.с. элемента);

- сопротивление электролита между ними;

 и Р_к - удельные (на единицу площади) поляризуемости анодного и катодного процессов;

S_a и S_K - площади анода и катода.

Учитывая, что сопротивление электролита  в коррозионной гальванопаре весьма мало по сравнению с поляризационным , а площадь анодного образования (в этом случае - место деформационного разрыва пленок или полоса скольжения) несоизмеримо меньше площади катодных участков, которыми служат близлежащие неактивированные поверхности, первым и третьим членом в знаменателе пренебрегаем. Тогда уравнение, применительно к гальванопаре, обусловливающей коррозионное возрождение трещины, принимает следующий вид:

 

 ,

 

Отсюда плотность коррозионного тока D на поверхности анодного участка, с которого зарождается трещина, определится уравнением:

 

 ,

 

а скорость V₁ глубинного подрастания зародышевой трещины на первом этапе развития, учитывая законы Фарадея, уравнением:

 

 ,

 

где - плотность металла;

 Э_ме ^- электрохимический эквивалент металла.

Электрохимическая гетерогенность металла (сплава) - важная характеристика поверхности. Ее следует понимать, как статическое распределение потенциальных катодных и анодных участков на металлической поверхности. Однако при помещении металла в электролит вследствие короткого (через металл) замыкания всех гальванопар его поверхность в электролите становится практически эквипотенциальной. Тем не менее ранее (до помещения всего металла в электролит) фиксируемые разности электродных потенциалов отдельных участков поверхности металла обуславливают при контакте с электролитом дифференциацию поверхности на анодные и катодные участки. Уровень естественной условной, т. е. не фиксируемой в процессе коррозии, электрохимической гетерогенности поверхности можно определить как разность наибольших (по абсолютной величине) и наименьших значений локальных потенциалов на некотором участке поверхности. Этот важный параметр корродирующей поверхности назовем общим (фоновым) уровнем условной электрохимической гетерогенности поверхности металла и обозначим .

Этот параметр важен, поскольку  коррозионное зарождение трещины возможно только при эд.с. локально-коррозионной гальванопары превышающей , т.е > Если это условие не выполняется, анодными участками на поверхности будут, наряду с линиями и полосами скольжения, и остальные участки поверхности с наиболее отрицательным значением их локальных электродных потенциалов, т. е. жесткой локализации коррозии не произойдет. Из этого следует парадоксальный, на первый взгляд, вывод: чем выше фоновая условная гетерогенность поверхности металла, тем большим сопротивлением зарождению коррозионно-механических трещин он должен обладать.

Более строго условия локально-коррозионного  зарождения питтинга (зародышевой трещины) можно сформулировать следующим образом: деформационное локальное образование площадью S должно быть центром некоторого региона поверхности металла.

Для деформационного локального образования характерно следующее:

- все значения электродных потенциалов поверхности региона S_p более положительны, чем потенциал поверхности ,. т.е. поверхность S_p заведомо катодна по отношению к S;

- площадь региона S_p > S (не менее, чем в 100 раз), значит поверхность S_p по отношению к поверхности S - заведомо неполяризуемый катод.

Таким образом, зарождение трещины по месту полосы скольжения или разрыва пленок возможно только в случае, если превышает общий уровень электрохимической гетерогенности металла (соблюдается неравенство S_k > S_a). Это - основное условие появления зародыша трещин коррозии под напряжением.

Для стали У8А (мартенсит), приняв равным 20 мВ, а (по данным нашего эксперимента) - 1,9 • 10⁴ Ом/м¹, определяют величину скорости локальной коррозии полосы скольжения в 3 %м водном растворе NaCl, равную 3,1 • 10 ^-5 кг/(м²-с) или 4 • 10 ^-9 м/с, что почти на четыре порядка выше скорости общей коррозии дайной стали (8,6 • 10^-9 кг/(м² • с)). Таким образом, после нескольких десятков циклов усталостного деформирования в среде на поверхности металла возникают хорошо заметные невооруженным глазом коррозионные язвы - будущие трещины. Отметим, что даже очень малые количества воды в среде способствуют зарождению трещин. Так, при усталостных испытаниях сталь 20 в технических смазочных маслах появ-ление зародышевых трещин отмечалось после нескольких десятков циклов нагружения. При испытаниях в "сухих" маслах (после удаления из них следов влаги) коррозионно-механические трещины не возникали вообще [7].

Следовательно, зарождение трещин коррозии под механическим напряжением можно разделить на два этапа: инкубационный, определяющийся временем до появления на поверхности материала локальных анодных участков (линий и полос скольжения), и коррозионный. Роль среды на инкубационном этапе сводится, как уже отмечалось, к адсорбционному (за счет эффекта Ребиндера) облегчению формирования анодных участков, а на коррозионном - к собственно их электрохимическому (коррозионному) растворению [2].

 

 

 

3 Методы защиты металлов от коррозии под напряжением

Существуют следующие  методы защиты металлов от коррозии под напряжением:

- ингибирования агрессивных  сред;

- электрохимическая защита;

- влияние гальванических  и лакокрасочных покрытий на  коррозионно-механическую стойкость  сталей;

- влияние диффузионного насыщения поверхности на коррозионно-механическую стойкость сталей;

- термообработка;

- поверхностный наклеп;

- рациональные методы выплавки и очистки;

- защита сталей фосфатными покрытиями.

Ниже рассмотрим некоторые из них [5].

 

3.1 Термообработка

Термообработка, как способ защиты от коррозионно-механического  разрушения, сводится к получению  в материале структур, более устойчивых в данных условиях, а также снятию внутренних напряжений.

Прочностные свойства углеродистых сталей возрастают в результате закалки и последующего низкотемпературного отпуска.

В процессе отпуска закаленных углеродистых сталей содержание углерода в мартенсите (пересыщенном твердом растворе углерода в решетке о-железа) уменьшается, при выделении углерода из мартенсита уменьшаются внутренние напряжения, снижается скорость растворения стали в агрессивных средах, а стойкость стали против коррозии под напряжением увеличивается. Однако для некоторых углеродистых сталей отпуск при определенных температурах может не улучшить, а ухудшить их стойкость к коррозионному растрескиванию. Установлено, что в кислых средах (растворы кислот) наиболее склонны к коррозионному растрескиванию углеродистые не отпущенные стали, а также стали, подвергнутые низкотемпературному отпуску. Растрескивание закаленных сталей в кислых средах объясняется в основном водородным охрупчиванием.

Эффективным методом повышения стойкости сталей к коррозионному растрескиванию служит поверхностный отпуск, препятствующий зарождению коррозионно-механических трещин [2].

Большую опасность представляет коррозионное растрескивание швов сварных соединений. Для защиты сварных конструкций необходимо снизить уровень растягивающих остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки. Одним из рациональных путей снижения уровня напряжений может быть отжиг, практически полностью снимающий остаточные сварочные напряжения, однако для крупногабаритных конструкций этот способ неприемлем. В таком случае рекомендуется местный нагрев зоны термического влияния по обеим сторонам шва газовыми горелками с последующим охлаждением водой [6].

Для обеспечения стойкости сварных конструкций к коррозионному растрескиванию сварного шва очень важно правильно подобрать марку стали. Углеродистые стали недостаточно стойки, а в сварных швах сталей с повышенным содержанием углерода возможно образование "холодных трещин". Наиболее эффективно использование стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3 %.

В настоящее время для  повышения стойкости швов к растрескиванию эффективно используются и другие методы:

- пластическая деформация  сварных соединений для снятия  внутренних сварочных напряжений;

- создание в зоне сварного  соединения напряжений сжатия  путем поверхностного наклепа накаткой роликами, дробеструйной обработкой или проковкой шва;

- подогрев металла непосредственно  перед сваркой;

- обработка поверхности  сварного шва металлическими щетками с ударными элементами. При этом в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, микронеровности поверхности сглаживаются, а в наклепанном поверхностном слое образуется специфическая мелкодисперсная структура;

- вибрационная, а также  ультразвуковая обработка поверхности.

Перспективным методом получения сварных швов, устойчивых к коррозионному растрескиванию, является сварка низколегированных сталей электродами из специального аустенитного сплава, причем предварительный нагрев и последующая термообработка уже излишни.

Сопротивление сталей коррозионной усталости можно повысить, создавая на их поверхности "белый слой", возникающий при определенных режимах механической обработки в результате вторичной поверхности.

Путем повышения коррозионно-механической стойкости сталей является электромеханическое упрочнение, сущность которого заключается в нагреве поверхности электрическим током и в последующем силовом воздействии на разогретый металл. Например, с помощью этого метода значительно упрочняются бурильные трубы в буровом растворе и при этом полностью устраняются их поломки по резьбе . 

 

3.2 Поверхностный наклеп

При коррозии под напряжением  трещины зарождаются преимущественно с поверхности металла. Поэтому поверхностный наклеп (обкатка поверхности роликами, обдувка дробью, виброгалтовка, гидродробеструйная обработка и т. д.) во многих случаях существенно тормозит зарождение трещин, т. е. повышает коррозионно-механическую стойкость сталей и сплавов. Поверхностный наклеп наиболее эффективен для углеродистых и низколегированных сталей.

Есть основание полагать, что положительное воздействие  поверхностного наклепа обусловлено в основном упрочнением поверхностного слоя металла и частично появлением в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Одной из разновидностей поверхностного наклепа является абразивная ультразвуковая обработка металла. При этом поверхность в процессе обработки подвергается бомбардировке частицами абразива, получающими энергию от ультразвукового магнитостриктора. Повышение коррозионно-механической стойкости сталей в результате ультразвуковой обработки обусловлено наклепом поверхностных слоев металла, т. е. появлением в этих слоях остаточных сжимающих напряжений, и улучшением чистоты поверхности.

Эффективным методом повышения сопротивления усталости стали в нейтральных средах является также поверхностно - пластическое деформи-рование (ППД) накаткой роликами. ППД, повышая сопротивление стали, существенно снижает влияние эффекта частоты нагружения, его оценивают по величине коэффициента Kw, представляющего собой отношение пределов выносливости при высокой и низкой частотах циклов нагружений [10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В последнее время очень  остро встала проблема разработки и  повсеместного использования именно комплексных методов антикоррозионной защиты. При выборе оптимального комплекса противокоррозионных мероприятий необходимо учитывать не только его эффективность, но и экономические аспекты использования.

Один и тот же комплекс противокоррозионных мероприятий в разных условиях реализуется с различной эффективностью. Оптимальное решение вопроса сводится к поиску варианта, при котором предприятие несет минимальные потери, слагающиеся из убытков от коррозии и затрат на организацию антикоррозионной защиты.

Делая выводы, можно сказать, что использование неметаллических материалов и покрытий из них - это наиболее перспективное направление защиты металлов от коррозии и коррозии под напряжением в настоящее (и ближайшее будущее) время. Противокоррозионные проблемы могут быть решены благодаря применению не отдельных методов, а комплексов известных методов и средств противокоррозионной защиты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1 Стеклов О.И. Стойкость  материалов и конструкций к  коррозии под напряжением: Научное  издание. – М. : Машиностроение, 1990. – 384 с.

2 Сергеева Т.К., Тарлинский В.Д., Болотов А.С. Влияние состояний водорода на коррозионное растрескивание под напряжением. Строительство трубопроводов.1993. – № 10-11. – с. 35 – 37.

3 Гареев А.Г., Худяков М.А., Абдуллин И.Г. Разрушение материалов в коррозионных средах: учебное пособие. – Уфа: УГНТУ, 2005. – 124 с.

4 Гареев А.Г. Прогнозирование  и диагностика коррозионного  растрескивания магистральных трубопроводов : Учебное пособие / А.Г. Гареев; УГНТУ, 1995. – 69 с.

5 Гутман Э.М. Защита  нефтепромыслового оборудования  от коррозии, 1983. – 150 с.

6 Пестриков В.М. Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел. СПб.: Профессия, 2002. – 320 с.

7 Конакова М. А., Теплинский Ю.А. Коррозионное растрескивание под напряжением трубных сталей: научное издание, 2004. – 358 с.

8 Стеклов О.И. Стойкость  материалов и конструкций к  коррозии под напряжением. 1990. – 384с.

9 Петров Л.Н. Коррозия  под напряжением, 1986. – 142 с.

10 Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии, 1981. – 270 с.