Технічні науки/

Галузеве машинобудування

К.т.н. Бершак С.В.

Одесский национальный политехнический университет

К.т.н. Вольчев А.В.

Одесский национальный морской университет

Анализ процессов в коррозионно-усталостной трещине

В случае усталостного разрушения конструкционных материалов в водных коррозионных средах в качестве характерных параметров предлагается принять водородный показатель среды рН_в и электродный потенциал металла φ_в, которые интегрально описывают электрохимическое состояние в вершине трещины и морфологию ее поверхности. Тогда для определения скорости роста усталостной трещины в материале, находящемся в контакте с коррозионной средой, для которой условия на поверхности испытываемого образца характеризуются параметрами рН_в и φ_в, можно записать

Электрохимические условия в вершине усталостной трещины непрерывно изменяются по мере ее развития. Это изменение зависит от начальных условий и длительности испытаний, а также от коэффициента интенсивности напряжений.

Если характеризовать физико-химическую ситуацию в трещине уровнем рН и величиной электродного потенциала металла в окрестностях ее вершины, то можно отметить, что значение рН в вершине, влияя на защитные свойства поверхностных пленок на металле, сказывается на кинетике локальной коррозии металла [54]. Кроме того, с уменьшением рН должна расти и доля водородной деполяризации в общем ходе катодного процесса. Следовательно, величина рН

должна определять также и степень водородного охрупчивания [31; 54].

В вершине протекает комплекс последовательно-параллельных реакций, в результате которых водород в виде ионов, появившихся вследствие гидролиза продуктов коррозии, пройдя процесс восстановления на металле до атомарной формы, частично удаляется в атмосферу, а частично поглощается металлом. Таким образом, рН в трещине будет зависеть не только от интенсивности гидролиза продуктов коррозии, поставляющего ионы водорода, но и от интенсивности их потребления, контролируемой в основном протеканием катодного процесса с водородной деполяризацией. Следовательно, рН в вершине, определяемая константами скоростей реакции гидролиза продуктов коррозии, с одной

стороны, и константой скорости восстановления водорода — с другой, не может служить однозначным критерием интенсивности протекания там физико-химических реакций, поскольку сам уровень рН зависит от таковой.

В условиях воздействия среды процесс развития усталостных трещин может рассматриваться с двух позиций: первая — коррозионная усталость в условиях, когда максимальное значение интенсивности напряжений в цикле оказывается больше критического значения K_1scc отражающего сопротивление материала коррозионному растрескиванию при статическом нагружении; вторая - коррозионная усталость в условиях, когда K_max=K_1scc.

В первом случае обычно принимают допущение, что в материале происходит одновременно образование новой поверхности в вершине трещины, обусловленное циклическим нагруженном, и коррозионное растрескивание статического типа в той части цикла нагружения, где K_max>K_1scc. Во втором случае при коррозионной усталости в условиях, когда K_max<K_1scc, трещина растет быстрее, чем в отсутствие среды. Дополнительный рост трещины происходит

в течение той части цикла, которая соответствует растяжению в результате образования чистой поверхности металла в вершине трещины во время пластической деформации при каждом цикле. Чем медленнее образуется такая поверхность в результате пластического деформирования материала у вершины трещины при каждом цикле, тем длительнее время, в течение которого среда может активно воздействовать на чистый металл, каким бы ни было это воздействие. Рост трещины приобретает скачкообразный характер [4].

В результате докритического скачкообразного роста трещины, т. е. микронадрыва металла, возникает коррозионно-активная свежеобразованная поверхность (СОП) [57]. Активность ее обусловлена, по-видимому, отсутствием в момент создания пленок продуктов коррозии и частичной пассивации, а также появлением полос скольжения. Исследованию электрохимических свойств СОП уделяется большое внимание, так как они чрезвычайно важны для понимания механизма разупрочняющего действия сред при коррозионной усталости. Традиционные электрохимические исследования металлов без учета особенностей электрохимического поведения СОП для выяснения механизма коррозионно-механических разрушений практически бесполезны [49—51].

Анализ процессов. совершающихся в трещине (см.рисунок) при условии, что за каждый цикл трещина длиной l скачкообразно подрастает на величину Δl₁, дает возможность полагать, что в момент

пика растягивающей деформации происходит механический микронадрыв металла в вершине трещины по месту, ослабленному водородным охрупчиванием и адсорбционным разупрочнением, и трещина продвигается вперед [52; 53]. В результате скачка трещины

возникает свежеобразованная активная поверхность СОП₁, где усиленно протекает анодный процесс вследствие работы гальванопары

с электродами СОП — «бывшая» СОП, а также реализуется подкисление нейтральной среды по причине гидролиза продуктов коррозии [52; 53; 72]. Активное протекание локального анодного процесса по всему фронту СОП₁ обусловливает расширение трещины, а также ее коррозионное подрастание на размер Δl₂ в направлении движения трещины, т. е. чисто коррозионное увеличение.

В процессе усталости возможно взаимное трение стенок трещины на отдельных участках ее поверхности. Это трение, зачищая поверхность активно соприкасающихся участков, может привести к возникновению СОП₂. Таким образом в трещине создается еще одна гальваническая пара, где анодным электродом служат участки СОП₂, а катодным — участки «бывшей» СОП, т. е. стенки трещины.

При исследовании свойств поверхностей, получаемых непрерывным обновлением металла под раствором, и сопоставлении результатов со свойствами обычных поверхностей было показано, что обновляемая поверхность малополяризуема, т. е. перенапряжение анодной ионизации металла на ней сведено до нуля [75—78]. Последнее обусловлено удалением адсорбированных анионов раствора, являющихся основным тормозящим фактором для протекания анодного процесса. При этом поляризация электродных процессов за счет диффузионных и адсорбционных ограничений также устраняется. В момент появления свежего скола поверхности в течение времени до 10^-2с сохраняется максимальное значение поляризуемого тока 10 А/см² [82]. В дальнейшем происходит его спад. По истечении 2—3 с устанавливается плотность тока, характерная для пассивного состояния поверхности (меньше 10^-6 А/см²). Период активности СОП, определяющийся формированием поверхностных

пленок и уходом с поверхности наиболее активированных атомов

металла, составляет 60—90 с [52; 53]. На свежей поверхности возможно достижение плотности тока 10⁶ А/см². Потенциал СОП

и ток гальванической пары СОП — старая поверхность спадают во

времени практически по экспоненциальной зависимости. Установившееся затем стационарное значение потенциала СОП во всех

случаях более отрицательно (на 80—150 мВ), чем таковое для «старой» поверхности, т. е. произошла существенная необратимая активация поверхности. Следовательно, «бывшая» СОП анодна по отношению к «старой» поверхности. Экстремальное и стационарное значения потенциала СОП, как показали измерения, определяются составом и структурой стали и средой.

Анализируя все сказанное о свойствах СОП, можно сделать вывод о том, что СОП являются весьма коррозионно-активными, но эта активность существует короткий промежуток времени. Все это затрудняет создание методик, пригодных для практических расчетов долговечности деталей машин, подвергающихся действию коррозионной среды. Поэтому сохраняют значение феноменологические подходы, основанные на анализе интегральных характеристик сопротивления коррозионной усталости. Но прежде чем накопленные экспериментальные данные найдут практическое приложение, они должны быть систематизированы с единых позиций.

Литература

1.Бабей Ю.И., Сопрунюк Н.Г. Защита стали от коррозионно-механического разрушения. – К.: Техніка, 1981. – 126 с.

2.Панасюк В.В., Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. Зависимость скорости роста усталостной трещины в водной коррозионной среде от электрохимических условий в вершине трещины // физ.-хим. механика материалов.— 1983.— № 4.— С. 33—37.

3.Панасюк В.В., Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. К вопросу определения электрохимического состояния в развивающейся трещине при исследовании трещиностойкости материала в коррозионной среде//физ.-хим. механика материалов.— 1982.— № 3.— С. 42—49.

4.Панасюк В.В., Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. О некоторых задачах исследования циклической трещиностойкости материалов в жидких средах // Физ.-хим. механика материалов.— 1982.— № 6.— С. 42—49.

5.Петров Л.Н. К вопросу о физико-химическом механизме разупрочняющего действия агрессивных сред при коррозионной усталости // Физ.-хим. механика материалов.— 1982.— № 2.— С. 42—47.

6.Петров Л.Н., Олейник Н.В., Магденко А.Н. Об оценке физико-химической ситуации в вершине коррозионно-механической трещины // Физ.-хим. механика материалов.— 1983.— № 5.— С. 13—17.

7. Чаевский М.И. Введение в физику прочности, пластичности и разрушения материалов, деформируемых в агрессивных средах // Сопротивлении материалов в агрессивных средах.— Краснодар, 1977.— Вып. 240/6.— С. 5—17.

8. Черепанов Г. П., Ершов Л. В. Механика разрушения.— М.: Машиностроение, 1977.— 224 с.

9.Schmitt-Thomas Kh.g., Simon R., Meisel H. Vergleichende Untersuchungendes SwRK – Verhaltens verschiedener Dampfturbinenschaufelstähl // Werkst und Korros. – 1986. – Vol. 37. – No 5. – S. 215 – 222.