Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 24
Текст из файла (страница 24)
10 в. а, партзв $24. Механьпа коррозпонного разрушения В па|ало 70-х годов началось пнтопспвпое развитие специального раздела метаппкп разрушения, посвященного вопросам трещиностойкостп металлов н сплавов в условиях совместного воздействия коррозпоппых сред и длитольпыт нагрузок. Первые исследования сопротивления росту коррозпоппых трещин с применением козффициоптов интенсивности напряжений касались длительного статпчоского натруженна (коррозпоппого растрескиваппя). Выло показано, что такпо (традиционно считающиеся малоактпвпымп) сроды, как вода, спирты н т.
п., вызывают докритическпй рост трещин в высокопрочпых сталях при зпачопиях козффициента интенсивности напряжений К, существенно меньших вязкости разрушения К„. В дальнейшем кардинальное воздействие коррозиопных сред па докритический рост трещины было подтворждопо и для ряда других высокопрочпых сплавов. Коррозиопптве среды сяльпо снижают усталостпую долговечность конструкционных материалов в первую очередь за счет ускорения процесса распространения имеющихся трещин. Это свидетельствует о необходимости учета влияния рабочих сред па усталостпый рост трещин при инженерном конструировании.
Па первых этапах развития мохаппкн коррозионпого разрушения трещипостойкость прн статических нагрузках обычно оценивали по зависимостям долговечности образцов с искусственными трощипами от значений коэффициента интенсивности папряжопий в начальный момопт испытания (Ке или К,о). Прп поппжшппл Кз время до разрушопия образцов увеличивается.
На основании такой диаграммы определяется зпачопие К„, или К„„, ппжо которого докрнтпчоскяй рост трегц1н|гя отсутствует. Величина К,.„, — важный параметр системы матерпал— среда ч), позволяющий рассчитывать допускаомые напряжения в конструкции, содержащей трещпновидпые дефокты определенных размеров н подвергаемой совместному воздействию длительных статических нагрузок и коррозионпых сред.
Эта величина являотся структурно-чувствительным параметром, низкие его зпачопия характерны для высокопрочпых пнзкопластических материалов (для *) Обозначение Км, связано с апглпйскпми словами з!газа соггоеюп сгасЫпя (коррозаоавое растресквваяве под напряжением). которык К„„, ьго>кет быть в несколько раз меньше значения К.). Со спишеппем прочности и повышением пластичности К„„повышаетгя (рис. 90) п достигает значения К„, что свидетельствует о нечувствительности материала к воздействию коррозпоппой среды. Долговечность образцов состоит кз шп;убацпоппого периода и периода докрптпческого раста трещин.
Инкубационный период — зто время от прплошеппя к образцу — 4 шо тит апп~, Рис. 90. Зависимость Кп. (пипия 1) и Кп„(пипия У) от предела текучеств стали Л181 4340 при испытаниях в морской вода (па ри- сунка показаны эксиерииеитальпыо точки) нагрузки до начала докрптпческого роста трещины, когда скорость превышает 4 40 " ьпм/с. Этот период, наблюдаемый, например, прп испытапкяк пластичпык материалов, зависят от начального кпзффпциепта интенсивности иапрпькепий и увели швается с его попп;кеппен.
Для высокопрочпык металлов процессы, обусловлнвающие докрптичоскпй рост трещнптя, локализованы в малой зоне у ее вершины, где папрпькоппо-деформированное состояние, как мы знаем, определяется одним параметром К— козффициептом интенсивности напри'кепий. Поэтому основной расчетной формулой для опроделоппя времени докрптпческого роста трощппы служит зависимость скоРости роста трещины и от козффтщнепта интенсивности 10* 147 напряжений К: — =- и(К), в! вс график которой называется кинетической диаграммой раврушессия. Коррозиоппая трощипостойкость металлов и сплавов при циклическом пагружопгыл оцешлвастся, тсак правило, на основании кинетических диагралслс усталости, на которых, как и в случае испытаний в инертных средах, строптся вависимость скорости распространения трещины как функции амплитудных значений козффсщиента интенсивности ЛК (нногда максимального значения козффициента интенсивности ча цикл пагруженпя К„,„,).
Из начального участка кинетической диаграммы опродоляют амплитудное пороговое значение ЛКв. исследуемой пары металл— среда для определенных условий испытания (частота гс форма цикла п агру жени я ) . В некоторых случаях склонностью к коррозионному росту трещин обладают и сравнительно нпзкопрочные конструкционные матернальс, для которых рекомендуется оценивать трещиностойкость с позиций нелинейной механики разрушения.
В настоящее время в качестве такого подхода для изучения коррозяоиного растрескнвания корпусных сталей применяется метод л-интеграла. Использование метода заключается в построении кривых длительной трещиностойкости в координатах «начальный уровень У,» — время до разрушения». По аналогии с К,.„ па основании такой зависимости определяется пороговое значение У-ссптеграла У„„, под которым подразумевается максимальный уровень У,в при отсутствии докритического роста трещины. Основные типы кпнетичессспт дстаграхс»с коррозионноусталостпого роста трещин представлены на рис.
01. Из рисунка видно, что коррозноппые среды могут сущестзонпо менять конфигурацию диаграмм, присущую испытаниям в инертной среде. Для сплавов, пе склонных к коррозпонному растрескнвапшо, кинетическая диаграмма имеет Я-образссый впд (рпс. 01, а), а поппжеш|е частоты пагружеппя сдвигает ео в сторону оолее высоких скоростей роста. Иа диаграммах сплавов, чувствительных к воздействию длительных статичестспх нагрузок и коррозяонных сред, прп К„,,„= К,„,, паблсодается резкое ускоренно роста трещины (рссс. 01, б, в) с последусощим выходом па пологий плн даже горизонтальный участок, в за- 148 висимости от того, какой вид диаграммы характерен для статического растрескнвапия данной системы.
Различают трн основных механизма влияния коррозионных сред па трещппостойкость конструкционных материалов: адсорбйионное понисиение прочности, водородное охррпчивание п коррозионное растворение, Адсорбция поверхностно-активяых веществ па поверхности высоконапряженного материала в копчике трещины приводит к понижению поверхностной зпергии и облегчению разрушения (аффект Ребиндера). Лдсорбционное воздействие можно успешно использовать для повышения зффективпости металлообработки. Об атом речь 19нтай — ~ а а Ряс.
91. Осповпыс тппы диаграмм коррозпоппо-усталостпого разрушения. 11упктпрзмв обозвачспы диаграммы в случае испытаний в впсртпой среде пойдет в далькейшем прн обсуждении полезных аспектов разрушения, а сейчас лишь отметим, что из трех основных механизмов именно адсорбционное воздействие является доминирующим прп больпшх значениях козффициепта интенсивности напряжений, когда в связи с высокими скоростями докрптпческого роста трещины другие механизмы пе успевают проявиться. Хорошо известно, что влияние влаги на металлы приводит к иоррозпп и разрушешпо. Эта старая проблема, возникшая уже тогда, когда человек научился выплавлить металл, приобрела в настоящее время особое значение в связи с мпогочпслеппымп аварками и катастрофамп, главной прп пшой которых было охрупчнвающее действко влаги па высокопрочпые стали.
По современным представлениям, основным нроцоссом, который ускоряет докритический рост трощпп, приводящий к аварияи, является водородное охрунчивапне малой области волизн вершин трещин. Атомарный водород, всегда содержащийся в чистом илн связанном с нейтральныл|к молекулами виде (наяример, в растворах электролитов и воде), в результате диффузии способен проникать в любые металлы. Растворимость водорода нрн нормальной температуре н давлении составляет от 10 до 100 смз на 1 кг металла, с ростом же температуры и давления растворимость существенно растет.
Охрупчизание наблюдается уже нри концентрации в 2 см' на 1 кг металла, а с 10 смз на 1 кг оно признается опасным. Наиболее уязвимым для проникяовекня водорода являются малые участки новой поверхности металла, не защищенные пленкой окисла. Малые размеры зоны водородного охруячивапия во многих случаях позволяют вести расчеты докритического роста трещины, а значит, и долговечности металлической конструкция, взаимодействующей с водородом, исходя нз бУС ~% б в йб бб луг,у б б йбл тзд т8,1 24,2 ббл гс б л зависимости скорости трещины от коэффициента интенб) сивности напряжений — п(К).
Такая завнснмосж, на- бС зываемая обычно диазрпмзтой растресвизаиия, определяется зкспернмеитальпо или теоретичесьи. Для теоретической оценки этой зависимости прежде всого проводятся расчеты накопления водорода в зоне предразрушения т1рилегающей к воршнне трещины. На рнс. 02 приведопы результаты интегрирования уравнения диффузии во- 100 Рис. 92, 11овцснтрацпв водорода в результате диффузии в вершину трещины: а) концентрация в конце пластической зоны прк л -= л,„=ь . Кз =- 1,22 —, б) распределение концентрации перед вершиной трсЕо.,' ганны (з = О) в мояззт з = 6,04 с дорода в окрестность веригины трещяяпы для стали 4340 (Е=2.10аН/аяаяс, п,=108! Н/аяая') при К=133 Н мм "', Уже в течение нескольких секунд в зоне предразрушепия достигается концентрация водорода С, существенно превышающая поверхностную концентрацию Со. Обычно предполагают, что прп достижении критической концентрации водорода С„па расстоянии ха перед вершиной трещяяпы происходит локальное разрушение, и трещина скачком подрастает па величину х,.
Используяя расчетные крпвые концентрации водорода, можно найти интервал меяяду скачяяамп, а затем рассчитать и средшою скорость р роста трещины. Конечно же, водородное олрупчнваппе далеко пе всегда проявляется в чистом виде, картину могут существенно изменить другие факторьг. Например, кислород уже в малой концентрации способен практически мгновешш прекратить докритическин рост трещины в среде водорода за счет образовании топкой окисной пленки, защищающей поверхность металла (рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
