Технічні науки/

Галузеве машинобудування

К.т.н. Вольчев А.В.

Одесский национальный морской университет

К.т.н. Бершак С.В.

Одесский национальный политехнический университет

Влияние окружающей среды на сопротивление усталости

Совместное действие механических нагрузок и коррозионных сред приводит

к значительному сокращению срока службы деталей машин и аппаратов. Причины этого явления видят в том, что при работе в коррозионных средах увеличивается скорость распространения усталостных трещин [1—3]. Независимо от индивидуальных свойств металлов, чем агрессивнее среда, тем больше скорость развития усталостной трещины, следовательно, меньше сопротивление усталости и ниже предел ограниченной выносливости (Табл. 1, 2).

Таблица 1

Влияние коррозионной среды на сопротивление усталости

Группа сталей	Характеристики коррозионной стойкости	Предел выносливости в воздухе, σ-1, МПа	Предел ограниченной выносливости σ^N-1, МПа					База испытаний Nб, цикл
			Водо-провод-ная вода	Морс-кая вода	3% р-р NaCl	Аэро-золь NaCl	Насы-щен- Ный р-р NaCl
Углеродистые и малолегированнные	Сильно подвержены коррозии	200-600	100-200	50-150	50-150	-	-	10^7-10^8
Коррозионно-инертные строительные	Корродируют при определенных условиях	200-300	100-200	-	-	-	-	10^7-10^8
Высоколегированные нержавеющие	То же	250-500	200-300	100-200	-	150-300	120-250	10^7
Кислотоустойчи	Весьма стойкие	250-400	200-300	150-250	-	-	-	5х10^7

Вместе с тем следует отметить, что сопротивление усталости в воздухе можно рассматривать как частный случай коррозионной усталости.

Таблица 2

Влияние коррозионной среды на предел ограниченной выносливости

Сталь	σB МПа	σ-1 МПа	σ^N-1 при Nб=5х10^7 циклов
			в прес- ной воде	в солее- ной воде
Углеродистая, улучшенная, 0,14%С	440	250	140	65
Углеродистая, 0,24% С	490	165	120	-
Углеродистая, 1,09% С	720	280	150	-
Меднистая, 0,98%Cu и 0,14%С	420	220	140	60
Никелевая, 3,7%Ni. 0.26%Cr. 0.28%C	630	340	155	115
Хромованадиевая, 0,88%Cr. 0.14%V	1050	465	130	1
Хромоникелевая, 1,5%Ni. 0.73%Cr. 0.28%C	970	470	115	95
Кремненикелевая, 3,1%Ni. 1.6%Si. 0.5%C	1760	770	120	-
Нержавеющая, 12,9%Cr. 0.11%C	620	380	260	210
То же, 14.5%Cr. 0.23%Ni. 0.38%C	650	360	250	250

Исследования сопротивления усталости материалов в среде воздуха показали, что наличие в нем различных загрязнении, повышенная влажность существенно изменяют его агрессивность. Так, повышение относительной влажности воздуха с 58% до 100% вызывает понижение предела ограниченной выносливости на 12% .Влажный воздух с примесью сернистого газа снижает выносливость на 19 % .

Комнатный воздух практически не вызывает видимой коррозии. В атмосфере, насыщенной парами воды, образцы заметно корродируют. В этом случае тонкий слой продуктов коррозии легко удалялся, что свидетельствует о слабой их сцепляемости с металлом. Более интенсивной коррозии подвергаются образцы во влажном воздухе в присутствии сернистого газа. На образцах за время испытания успевал образоваться сравнительно толстый слой продуктов коррозии, имеющий заметную разрыхленность в зоне максимальных напряжений.

Ряд металлов в вакууме обладает более высокими характеристиками сопротивления усталости, чем в воздухе. При переходе от инертной среды к атмосфере воздуха снижение сопротивления усталости сплавов на основе железа может достигать 5%—10%, а на основе магния и свинца эта величина может быть значительней [1]. Например плоские образны из стали 10 при симметричном изгибе в вакууме обладают заметно большим сопротивлением усталости, чем в атмосфере воздуха. Между тем сопротивление усталости образцов из кремнистого железа, стойкого к атмосферной коррозии, в воздухе и в вакууме одинаковое. Это связывается с коррозионным воздействием влаги воздуха на металл, проявляющимся как в период зарождения, так и в период развития усталостных трещин.

Приведенные данные позволяют утверждать, что атмосфера воздуха является не инертной средой. Следовательно, понятие «чистая усталость», которое иногда относится к испытаниям в воздухе, является условным. Тем не менее сопротивление усталости в атмосферных условиях можно принять за эталонное, по отношению к которому оценивать действие более агрессивных коррозионных сред

В процессе эксплуатации деталей машин на циклически деформируемый металл могут воздействовать различные среды: 1) поверхностно-активные; 2) электрохимически активные; 3) расплавы электролитов; 4) расплавы металлов; 5) газообразные. Такое деление эксплуатационных сред не бесспорно, так как можно выделить следующие три основных процесса, происходящих на границе раздела фаз «деформируемый металл — агрессивная среда», свойственных всем перечисленным выше группам сред: адсорбционный, диффузионный и коррозионный. При оценке работоспособности детали в агрессивных средах

эти процессы обычно можно оценить лишь интегрально.

В свою очередь, электрохимически активные среды, к которым относятся растворы электролитов, можно разделить на нейтральные, щелочные, кислые, окислительные и др.

Нейтральные растворы электролитов являются переходным звеном от относительно мягких атмосферных условии к наиболее агрессивным. Разграничение усталостных процессов в атмосферных условиях и нейтральных растворах электролитов в некоторой степени условно, так как коррозионные процессы, протекающие на поверхности напряженного металла в этих средах, имеют в ряде случаев близкий механизм. Вместе с тем возможное влияние обычной коррозии на сопротивление усталости металлов сближает нейтральные растворы электролитов с более агрессивными средами.

Каждая категория сред имеет характерные особенности воздействия на металл в процессе эксплуатации. Так, в растворах поваренной соли. относящихся к нейтральным средам, заметное снижение сопротивления усталости связано с увеличением эффективности действия хлор - ионов, которые разрушают относительно слабую защитную пленку, возникшую на дне и внутренних стенках коррозионных трещин. Кроме того, увеличение скорости разрушения может быть связано с большим проявлением эффекта накопления продуктов коррозии в щелях, т.е. их расклинивающим действием [4].

Проведенные исследования позволили установить, что локализация коррозионного процесса способствует зарождению и развитию коррозионно - усталостных трещин, а рассредоточение очагов коррозии (более равномерная коррозия) активизирует процесс разрушения в меньшей степени.

Литература

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

2. Бару Р.Л. О соотношении процессов локального растворения при коррозионном растрескивании сталей // Свойства конструкционных материалов при воздействии рабочих сред. – К.: Наук. думка, 1980. – С. 190 – 197.

3. Карпенко Г.В. Избранные труды: В 2 т. Т. 1. Физико-химическая механика конструкционных материалов. – К.: Наук. думка, 1985. – 228 с.; Т. 2. Работоспособность конструкционных материалов в агрессивных средах. – К.: Наук. думка, 1985. – 240 с.

4.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.