Файл: Похмурский, В. И. Коррозионно-усталостная прочность сталей и методы ее повышения.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 104

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

прикладываются механические нагрузки или нет, металл поверх­ ностных слоев образцов будет подвержен усталости вследствие резкого циклического изменения его температуры с большим гра­ диентом. К сожалению, на основании имеющихся данных еще нельзя оценить влияние термической усталости на выносливость

сталей при повышенных температурах с учетом

воздействия на

них циклических нагрузок и коррозионных сред. Хотя

на осно­

вании результатов определения коррозионной стойкости

сталей

при периодическом их смачивапии коррозионной

средой

нельзя

судить

об их коррозионно-усталостной прочности, все же на наш

взгляд

этот метод может дать качественную картину в л и я н и я хи­

мического состава и структуры стали на ее коррозионно-механи- ческую прочность при повышенных температурах.

Установлено, что характер поражения поверхности металла точечной коррозией зависит от степени легирования и режимов термической обработки, в частности от температуры отпуска за­ каленной стали. Некоторые характерные коррозионные пораже­ ния нержавеющих сталей показаны па рис. 27. Сталь 2X13 наи­ более сильно из всех исследуемых сталей поражена точечной коррозией, что следует отнести за счет повышенного содержания углерода (0,22%). Выделившийся углерод при отпуске стали рас­ ходуется на образование карбидов, которые за счет собирательной диффузии хрома из близлежащих зон повышают гетерогенность структуры стали и тем самым увеличивают склонность ее к коррози­ онному поражению. Повышение степени легирования, особенно вве­ дение в состав стали молибдена, несколько снижает склонность стали к точечному поражению. Введение в сталь 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А сильно карбидообразугощих элементов, например ниобия, умень­ шает ее восприимчивость к коррозионному поражению, так как образование карбидов ниобия способствует удержанию хрома в твердом растворе. С увеличением содержания хрома до 16% по­ вышается коррозионная стойкость стали 15Х16Н2М.

Структура стали оказывает существенное влияние на изме­ нение коррозионной стойкости. Отпущенные стали при низкой тем­ пературе обладают высокой химической неоднородностью из-за выделения большого количества мелкодисперсных карбидов, ко­ торые увеличивают активную площадь микрогальванопар. Напри ­ мер, сталь 1Х12Н2ВМФ после закалки и отпуска при 570° С имеет сравнительно высокую степень поражения поверхности точечной коррозией в среде 3%-ного раствора NaCl. Повышение темпера­

туры

отпуска до 660° С несколько снизило коррозионное пораже­

ние

поверхности образца за счет коагуляции карбидов, т. е. за

счет

уменьшения количества поверхностных микрогальванопар.

Аналогичная картина наблюдается и для стали 1 Х 1 2 Н 2 М В Ф Б А . С повышением температуры отпуска с 600 до 700° С увеличивается сопротивляемость стали к коррозионному поражению. Оценка коррозионной стойкости по потере веса (табл. 9) согласуется с дан­ ными визуальных наблюдений.

58

Автором монографии совместно с В. С. Замиховским изучалась циклическая прочность стали 0Х18Н10Т при повышенных тем­ пературах и периодическом смачивании коррозиониой средой. Результаты исследования показали (рис. 28), что периодическое смачивание 3%-пым раствором NaCl нагретых до 250° С образцов

приводит к существенному снижению предела

выносливости стали

0Х18Н10Т . Условный предел вы­

I

 

 

 

 

 

носливости при базе

5

X

107

цик­

 

 

 

 

 

лов составляет 14,5

кГ 1мм2.

Диф­

 

 

3

 

 

фузионное

алитирование в порош­

1С

 

РФ

 

 

ковой смеси, состоящей из

1 вес. ч.

о"

2

 

 

 

У"

 

 

алюминиевого порошка, 1 вес. ч.

+| о

 

 

 

 

 

—-К

 

железного

порошка,

2

вес.

ч.

20

 

 

 

ч

 

окиси алюминия, 3%

хлористого

 

 

 

SJ

 

 

Т а б л и ц а

9

19

 

 

 

Коррозионная стойкость сталей при пе­

 

 

' Л

риодическом нагреве образцов

до

250°С

18

 

 

 

 

и смачивании 3%-ным

раствором

 

NaCl

 

 

 

 

Марка стали

2X13

1Х12Н2ВМФ

1Х12Н2МВФБА

15X16Н2М

Температура отпуска, °С

Потеря веса за 30 суточ­ ных циклов,

600

20,2

570

10,0

660

7,9

600

9,5

660

7,0

700

5,2

570

2,9

660

1,8

17

 

 

 

 

 

V

1В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

14

0,05

0,1

0,5

1

5

10 Ы,млн.

 

Рис.

28.

Кривые усталости сталей

0Х18Н10Т

(1, 2,I,

II)

и 20 (3, III)

при

230—250° С:

 

 

 

1, 2,

з — в

воздухе; I , I I ,

I I I — при

периодическом смачивании 3%-ным

раствором

NaCl; 2,

II — образцы али-

тированные.

 

 

 

 

аммония, повышает предел выносливости стали в воздухе, а также условный предел при периодическом смачивании 3%-ным раство­ ром NaCl. Если сталь 0 Х 1 8 Н 1 0 Т при 250° С не имеет истинного предела выносливости, то для алитированных образцов кри­

вые выносливости выходят на горизонтальный

участок (см. рис. 28).

Х а р а к т е р коррозионно-усталостного разрушения стали

типичен

для таких испытаний. Поверхность образца

покрывается язвами,

перерастающими в коррозионно-усталостные

трещины,

которыми

покрывается

поверхность образцов. Алитирование приводит к

уменьшению

количества коррозионно-усталостных трещин. Рез­

кое снижение

выносливости под воздействием высоких темпера­

тур, 3%-ного раствора NaCl и циклических

н а п р я ж е н и й

наблю­

дается и для стали 20, рафинированной В Д П

(см. рис. 28).

Необ­

ходимо отметить, что интенсивность снижения выносливости с изменением величины циклических н а п р я ж е н и й у сталей 20 и

0Х18Н10Т при воздействии

3% - ного раствора NaCl одинакова.

Это свидетельствует о том,

что в присутствии хлор-ионов окисные

59

пленки, образующиеся на нержавеющей стали,

слабо

 

защищают

сталь от коррозионно-усталостного

разрушения .

 

 

 

 

 

 

При исследовании выносливости сталей в дистиллированной

воде

установлено, что для стали 0Х1810Т

кривая

выносливости

 

 

 

 

Т а б л п ц а

10

идет

 

почти

параллельно

и

 

 

 

 

несколько выше кривой в воз­

Влияние среды на усталость трубчатых

духе,

 

что подтверждает по­

образцов

из стали

0Х18Н10Т

(испыта­

ложительное

влияние

окис-

ние при

осевом растяжении — сжатии,

ной

 

пленки

как

барьера,

база

5хЮ° циклов)

[87]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«

а

 

препятствующего

взаимодей­

 

 

 

 

 

Условм предел усталост —1а р.с-

ствию

 

коррозионной

 

среды

 

 

 

 

 

его,

по

всей

вероятности,

 

 

Среда

 

 

 

 

 

с металлом

и

упрочняющем

 

 

 

 

 

 

 

 

вследствие

торможения

вы­

Воздух, 230° С

 

 

 

17

 

хода

на

поверхность

дисло­

3%-ный раствор NaCl, 230° С

 

15

 

каций. Д л я стали

20 интен­

42%-ный

раствор

NgCl,

 

7

 

сивность

снижения

выносли­

160° С

 

 

 

 

 

вости

 

в

дистиллированной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воде

 

значительно

 

больше,

что обусловлено

меньшей

стойкостью окисных

пленок

на

угле­

родистых сталях

по сравнению

с

нержавеющими.

 

 

 

 

 

 

В работе [87] также показано

существенное

снижение

уста­

лостной прочности образцов из стали 0Х18Н10Т

при

пульсирую­

щем

растяжении

и

циклическом растяжении — сжатии

в

усло­

виях

воздействия

хлоридов

 

при

повышенных

температурах

(табл. 10). Причем повышение

концентрации

хлор-иона

с 20 до

300

г/л

при осевом

растяжении — сжатии

 

приводит

 

к

сниже­

нию условного предела коррозионно-усталостной

прочности

с

15

до 7

 

кГ/мм2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Концентрация напряжений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку влияние

концентрации

напряжений на вы­

носливость стальных изделий в воздухе достаточно подробно при­ ведено в литературе, в настоящей работе данные о пределе вынос­ ливости образцов с концентратором напряжений в воздухе будут

использованы

лишь для сравнения. Напомним,

что в воздухе вы­

носливость стальных образцов

с увеличением

остроты надреза,

как правило,

уменьшается. В

[211] установлено существование

определенной остроты надреза, обеспечивающей максимальное сни­ жение усталостной прочности. Наименьший радиус надреза, соот­

ветствующий

экстремальному

значению

предела

выносливости

при

изгибе

или растяжении — сжатии

образцов

сечением

30—

60

мм2 из малоуглеродистой

и низколегированной сталей,

со­

ставляет 0,2—0,5 мм. Что же касается

совместного

влияния

кон­

центрации напряжений и коррозионной

среды, то

в этом вопросе

нет единого мнения. А. И. Самохоцкий [180], А. В. Рябченков [177] и другие авторы указывали, что коррозионная среда успли-

60

вает действие концентратора напряжений . Такое представление основывалось на разности электродных потенциалов металла дна

концентратора и его

берегов.

 

Т а б л и ц а

11

П р и

нагружении

 

образца

 

 

Влияние

агрессивности

среды

на

уста­

вследствие

концентрации

на­

лостную

прочность образцов

с

концен­

п р я ж е н и й

дно

концентрато­

траторами напряжений

из

улучшенной

ра является анодом и рас­

стали 45

(база испытаний

2x10'

цик­

творяется

сильнее,

чем

дру­

лов) [67J

 

 

 

 

 

 

гие участки металла

образца.

 

Предел

усталости

 

Г. В . Карпенко, Ф. П. Ян -

 

a _ i

, кГ/лыи». образ­

 

 

 

 

 

цов

 

чишин

[67, 90]

и

другие

ис­

Среда

 

 

 

 

 

с

концен­

следователи изучали влияние

 

гладких

тратором

 

напряже­

концентраторов

напряжений

 

 

 

 

 

ний

в

виде

кольцевых

канавок

Воздух

52,0

 

 

16,5

на

цилиндрических

образцах

 

 

диаметром

около

10 мм

из

Вода

15,5

 

 

13,5

3%-ный

раствор

 

 

 

 

 

среднеуглеродистых

сталей

 

 

 

 

 

NaCl

11,5

 

 

10,5

на их выносливость в раз­ личных средах. Было пока­

зано, что влияние концентрации напряжений зависит от агрес­ сивности среды (табл. 11). Чем выше агрессивность среды, тем меньше влияние концентрации напряжений . При коррозионной

24

20

16

12

8

О

0,1

1

10 р,мм

Рис. 29. Зависимость предела усталости образ­ цов диаметром 5 мм от

радиуса закругления надреза при испытаниях в воздухе (1) и 3%-ном растворе NaCl (2) [142].

усталости изменение угла раскрытия кон­ центратора в пределах 30—45° не отрази­ лось на выносливости образцов. Ослабле­ ние отрицательного влияния концентра­ торов напряжений на выносливость об­ разцов в присутствии коррозионной среды

Г.В . Карпенко объясняет возникновением

удна концентратора напряжений сетки коррозионно-усталостных трещин, высту­ пающих как дополнительные концентра­ торы напряжений, уменьшающих действие основного концентратора, а также изме­ нением геометрических размеров за счет преимущественного разъедания дна кон­ центратора.

Исследуя влияние остроты надреза на усталостную и коррозионно-усталостную прочность образцов диаметром 5 мм из отожженной стали 40Х (рис. 29), авторы работы [142] показали резкое снижение коррозионно-усталостной прочности об­ разцов с концентраторами напряжений в широком интервале радиусов закругления по сравнению с испытаниями в воздухе. На образцах малых диаметров очень слабо проявляется разгружающее действие

61

коррозионной среды за счет разъедания дна концентратора напря­ жений. Наличие острого концентратора приводит к существенному-

снижению

выносливости углеродистых

и низколегированных ста­

лей (рис 30) [205]. Относительное снижение предела

выносливости

тем больше, чем прочнее сталь,

хотя для исследуемых

сталей пре­

дел усталостной прочности

образцов

с концентратором

напряже ­

ний находится на уровне 7—9 кГ 1мм2.

Испытания проводили при

чистом

изгибе образцов с минимальным

диаметром

рабочей

части

50 мм.

Нанесение

плавного

надреза

(галтели) практически

не по­

влияло

на снижение предела усталости

образцов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о s i '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч

 

к///

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5 1,0

 

0,51,0

5

0,51,0

5

10 Ы,млн.

 

 

 

 

 

 

Б

 

 

 

 

в

 

 

Рис.

30.

Кривые

выносливости

гладких (1, I ) , с выточкой

радиусом

50 мм (2,11)

и

надрезом

радиусом

0,5

мм (3, I I I ) образцов

из

стали

35

(а), 35ХНМА (б) и 38ХНМА (в) [205] (1—3 — испытания в

воздухе,

/ — / / / — в 3%-ном

растворе

NaCl).

 

 

 

 

В коррозионной среде

отрицательное влияние

концентратора

напряжений

резко уменьшается

независимо от его остроты, а при

острых

концентраторах напряжений

 

условный предел

 

коррозион­

ной усталости в случае больших баз испытания может быть боль­ шим, чем у гладких образцов или образцов с плавным надрезом. При высоких амплитудах напряжений образцы с острым концент­ ратором напряжений имеют несколько меньшую выносливость. Поскольку влияние коррозионной среды на выносливость образ­ цов с концентраторами напряжений ослабевает с увеличением их диаметра, авторы работы [205] рекомендуют за характеристику работоспособности крупных деталей (диаметром 200—600 мм) с концентраторами напряжений принимать предел усталости с

предельно острым надрезом в обычных атмосферных

условиях.

Вывод, что отрицательное влияние концентраторов

напряжений

на выносливость в коррозионной среде значительно

уменьшается,

подтвержден также результатами исследований плоских

образцов

10

X 10 X 1 мм из армко-железа с концентратором

напряжения

в

виде отверстия диаметром 0,6 мм [34].

 

 

Характер зависимости числа циклов до разрушения от ампли­ туды пластической деформации при малоцикловой усталости для образцов с концентратором напряжения в воздухе, коррозионной

62

Смотрите также файлы