Коррозионно-усталостная прочность сталей

В процессе эксплуатации многие конструкции, в том числе судовые, подвергаются воздействию коррозионно-агрессивной среды одновременно с действием переменных напряжений. Сопротивление усталости при этом резко падает. При коррозионной усталости поверхность металла покрывается трещинами коррозионной усталости, в основном внутрикристаллитными.

Сочетание циклического нагружения с действием коррозионной среды приводит к ряду принципиально новых эффектов. На первой стадии дополнительно развиваются первичные коррозионные углубления. На их дне в местах повышенной концентрации напряжений имеет место более отрицательный по сравнению со смежными участками потенциал; здесь начинают работать специфические коррозионные пары (рис. 5.3.1, а). Трещина появляется в тот момент, когда дно первичного углубления продвигается настолько, что концентрация напряжений вызывает локальный чисто механический микронадрыв. На дне надрыва вновь активизируются коррозионные пары с последующим надрывом. Чередование этих процессов и слияние отдельных микронадрывов вызывает развитие коррозионно-усталостной трещины.

Рис. 5.3.1. Схема развития трещины коррозионной усталости по Г. В. Акимову (а) и схема гидравлического дорыва трещины при малоцикловой усталости в жидкой среде (б):

1 — трещина малоцикловой усталости; 2 — область захвата среды при закрытии трещины; 3 — образец; 4 — жидкая среда Смена знака деформаций (растяжение — сжатие), как и при обычной усталости, сопровождается трением внутренних сторон трещин и механическим разрушением защитных пленок. Во время сжимающего полуцикла коррозионная среда выдавливается из трещин, а при последующем растягивающем полуцикле свежие порции ее засасываются. Разрушение защитных пленок и перемешивание раствора внутри трещин повышает эффективность электрических пар. Скопившиеся в коррозионно-усталостных трещинах продукты коррозии играют роль клина или рычага при действии сжимающих напряжений, что значительно облегчает стадию чисто механического развития трещин.

Для процесса малоцикловой усталости в условиях коррозионной среды характерно возникновение гидравлических надрывов. Трещины малоцикловой усталости в большинстве случаев имеют неправильную форму (рис. 5.3.1, б). При циклическом деформировании во время сжатия происходит захват жидкости в лабиринте трещины и гидравлический дорыв металла.

Одна из особенностей коррозионной усталости состоит в том, что, чем больше время пребывания конструкции в агрессивной среде и чем больше число циклов переменных напряжений в условиях коррозии, тем глубже и опаснее будут трещины усталости, тем меньше будет сопротивление усталости. В связи с этим кривая коррозионной усталости имеет все время ниспадающий характер, и предел выносливости, в обычном смысле слова, не существует. В качестве примера на рис. 5.3.2, а представлена кривая коррозионной усталости стали 20Х. Здесь же (рис. 5.3.2, б) приведены результаты экспериментального исследования коррозионной стойкости стали 10ХСНД, выполненные в ЦНИИМФе. Для стали 20Х почти до 1 млрд, а для стали 10ХСНД до 5−10⁷ циклов наблюдается систематическое падение кривых усталости. Поэтому под пределом коррозионной выносливости понимается ограниченный предел выносливости, соответствующий определенному числу циклов. Иначе говоря, пределом коррозионной выносливости называется то максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения от усталости до заданного числа циклов при условии одновременного воздействия коррозионной среды и переменных напряжений.

Установлено, что коррозионная среда существенно уменьшает долговечность только гладких образцов. Если на поверхности металла есть надрез, вредное влияние коррозии проявляется значительно меньше. Для стали 10ХСНД показано (рис. 5.3.2, б), что при амплитудах нагрузки, близких к пределу усталости на воздухе, наличие коррозионной среды практически не проявилось.

Положение коррозионной кривой усталости существенно зависит от частоты испытаний. Снижение частоты испытаний приводит к понижению долговечности и пределов коррозионной выносливости. Объясняется это тем, что при пониженной частоте для отработки определенного количества циклов требуется большее время, чем при более высокой частоте; увеличение же времени и числа циклов приводит к большему развитию трещин коррозионной усталости, что и вызывает дополнительное снижение выносливости. На рис. 5.3.3, а представлены результаты Мак Адама по коррозионной усталости кремне-никелевой стали (а_в = 1760 МПа). Видно, что циклическая прочность при испытании в воздухе в два раза и более выше, чем в воде.

Рис. 5.3.2. Кривая коррозионной усталости стали марки 20Х (а) и влияние коррозионной среды на предел усталости гладких образцов и образцов с надрезом из стали 10ХСНД (б):

1 — гладкие образцы на воздухе; 2 — гладкие образцы в 3%-ном растворе NaCl; 3 — образцы с надрезом на воздухе; 4 — образцы с надрезом в 3%-ном растворе NaCl.

Рис. 5.3.3. Влияние частоты нагрузки на коррозионно-усталостную прочность стали (я) и зависимость предела усталости от предела прочности для сталей (б) в различных средах:

1 — воздух; 2 — пресная вода; 3 — морская вода При IV = 10⁵ циклов увеличение частоты испытания с 5—8 до 1450 циклов в минуту приводит более чем к двукратному повышению ограниченного предела выносливости. Поэтому при анализе или сопоставлении результатов коррозионно-усталостных испытаний, а также при расчете конструкций необходимо учитывать частоту испытаний.

Обширные данные по влиянию коррозии на сопротивление усталости различных марок сталей и сплавов приведены во многих работах. А. А. Гликман приводит данные, показывающие, что для углеродистых, малои среднелегированных сталей снижение ограниченного предела выносливости при коррозии в пресной воде составляет от 1,5 до 9 раз, причем увеличение предела прочности стали не приводит к увеличению предела коррозионной выносливости (рис. 5.3.3, б).

В табл. 5.3.1 приведены характерные данные по коррозионно-усталостной прочности для некоторых сталей. Как видно из таблицы, снижение усталостной прочности сталей в результате коррозионного воздействия тем резче, чем прочнее сталь. При испытаниях в пресной воде углеродистые и легированные стали обладают приблизительно одинаковым сопротивлением усталости. Резко отличаются от этой группы по сопротивлению коррозионной усталости нержавеющие стали в силу их высокой коррозионной стойкости.

Таблица 5.3.7.

Коррозионно-усталостная прочность различных сталей.

Получив представление об основных закономерностях коррозионной усталости и влияющих на ее интенсивность факторов, обратимся к особенностям, присущим в этом аспекте основным судокорпусным сталям. Обширные экспериментальные исследования коррозионной усталости корпусных материалов выполнены в ЦНИИМФе. Достаточно подробная информация по этому вопросу содержится в работах А. И. Максимаджи.

Важнейшими факторами, влияющими на степень уменьшения усталостной прочности судостроительных сталей, как, впрочем, и других, являются время действия коррозионной среды и жесткость (острота) концентратора напряжений. С увеличением времени действия среды и уменьшением жесткости концентратора напряжений отрицательное влияние коррозионной среды увеличивается.

Опубликованы экспериментальные данные о влиянии морской воды на характеристики усталости судокорпусных сталей при плоском изгибе в условиях жесткого нагружения (испытания при постоянной амплитуде деформации). Для условий эксперимента, результаты которого показаны на рис. 5.3.4, примерное относительное уменьшение долговечности для гладких образцов и образцов со сквозным сверлением может быть охарактеризовано данными, приведенными в табл. 5.3.2. Меньшие значения отвечают стали 10ХСНД, большие — стали 09Г2.

Рис. 5.3.4. Результаты испытаний образцов корпусных сталей на «жесткий» изгиб.

Таблица 5.3.2

Влияние морской воды на усталостную долговечность образцов.

Образцам из стали СтЗ соответствуют промежуточные показатели, однако более близкие к показателям, характерным для стали 10ХСНД. Показатели для сварных образцов находятся между значениями для гладких и сверленых образцов.

Отрицательное влияние коррозионной среды на усталостную прочность гладких образцов существенно больше (примерно в два раза), чем на прочность образцов со сквозным сверлением. У последних уменьшение прочности по сравнению с таковой при испытаниях на воздухе для многих видов стали составляет 20—40%. Можно ожидать, что с усилением остроты надреза влияние среды проявится еще меньше.