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

жение коррозионно-усталостной прочности с увеличением плот­

в противоположных направлениях, а именно: торможение корро­

а значит и длительность защиты, при циклическом деформирова­ нии образцов примерно в 10 раз выше, чем это имеет место для случая, когда к детали не приложены нагрузки [177]. В качестве материала протектора можно использовать любой металл, имею­ щий электродный потенциал более отрицательный, чем защищае­ мая деталь. Наиболее часто для углеродистых сталей применяют цинк или магний. Разновидностью электрохимической защиты является анодная, основанная на пассивации поверхности металла. Д л я защиты от коррозии применяются анодные, катодные, орга­ нические и другие замедлители коррозии. К сожалению, работ, посвященных исследованию влияния ингибирования сред на вы­ носливость сталей, имеется весьма ограниченное количество.

168

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Коррозионно-усталостное разрушение является весьма распространенным видом разрушения, встречающимся практиче­ ски во всех отраслях техники. Оно приводит, как правило, к су­ щественному понижению несущей способности деталей и наносит большой материальный ущерб народному хозяйству. Несмотря на то что процессы коррозионно-усталостного разрушения металлов вот уже около полвека являются предметом интенсивных исследо­ ваний, в настоящее время еще не имеется единой теории коррози­ онно-усталостной прочности металлов.

Наибольшее распространение получила электрохимическая ги­ потеза коррозионно-усталостного разрушения, предложенная Эвансом, а также более универсальная адсорбционно-электрохи- мическая гипотеза, разработанная Г. В. Карпенко. Наличие этих и некоторых других теоретических разработок позволяет в опре­ деленной степени вскрыть механизм коррозионно-усталостного разрушения и наметить основные пути повышения коррозионной выносливости металлов.

На несущую способность деталей, находящихся в условиях одновременного воздействия циклических нагрузок и коррозион­

К числу таких факторов необходимо отнести относительную агрес­ сивность среды и характер ее взаимодействия с металлом (с кис­ лородной или водородной деполяризацией, с химическим раство­ рением, образованием новых соединений и т. п.), частоту, вид и уровень нагружения, изменение температуры среды, размер и форма детали, ее структурно-напряженное состояние, чистоту по­ верхности и т. д. Однако часть факторов, которые в воздухе вы­ полняют основную роль в усталостном процессе (чистота поверх­ ности, наличие концентраторов напряжений, прочность металла, обусловленная его химическим составом и термической обработ­ кой и т. п.), в коррозионной среде перестают быть решающими. С учетом этого для деталей, предназначенных для работы в такой коррозионной среде, как морская вода, использование низко- и

169

стве, не переводящем сталь в класс нержавеющих, не повышает коррозионно-усталостной прочности стали, а иногда даже сни­ жает ее. Необходимо оговориться, что речь идет о базах испытания, превышающих 5—10 млн. циклов нагружения, т. е. когда решаю­ щим в коррозионно-усталостной разрушении будет уже электро­ химический фактор. Пр и больших уровнях прикладываемых на­ пряжений, т. е. при относительно малом впемени воздействия среды, некоторый эффект от повышения прочности стали за счет

грузок и коррозионной среды, не всегда экономически оправдано повышение их чистоты, если это не диктуется особыми условиями. Дело в том, что изменение чистоты поверхности детали в пределах 3—12 класса не оказывает существенного влияния на условный предел коррозионной усталости углеродистых и легированных сталей при больших базах испытания (например, в 3%-ном раство­ ре NaCI), если изменение чистоты поверхности не является сопут­ ствующим фактором изменения структурно-напряженного состоя­ ния поверхностных слоев детали. Кроме того, при циклическом

20—50 млн. циклов нагружения их чистота существенно уменьша­ ется (до 5—б класса и ниже) вследствие протекания локализован ­ ных коррозионных процессов, обусловленных структурной неод­

щих сталей коррозионная среда ослабляет отрицательное влияние концентраторов напряжения на изменение выносливости стали, что, как было показано А. В . Рябченковым и Г. В. Карпенко, связано с более интенсивным растворением металла дна концент­ ратора напряжения как более анодного по отношению к соседним объемам металла, а также появлением сетки трещин у дна концент­ ратора, являющихся как бы дополнительными концентраторами напряжения, ослабляющими эффективность действия основного концентратора. В первом приближении разгружающее действие

170

уменьшению концентрации напряжений . Необходимо отметить, что если острота концентраторов напряжений будет высокой (как это имело место при предварительной коррозии сталей Х17Н2, Х17Н5МЗ), то в воздухе усталостная прочность значительно вы­ ше, чем в коррозионной среде, т. е. нивелирующее действие кор­ розионной среды сказывается слабее. Можно допустить, что для весьма острых концентраторов напряжений типа трещин, в кото­

сплавов Г. В . Карпенко, А. В . Карлашовым и другими исследова­ телями установлена инверсия масштабного фактора при усталости деталей в присутствии коррозионной среды, т. е. детали больших размеров (с большим опасным сечением) в коррозионной среде имеют выносливость выше, чем детали меньших размеров. Частота нагружения во всем реально используемом диапазоне значительно больше сказывается на прочности стали в коррозионной среде, чем в воздухе. С увеличением частоты нагружения детали вслед­ ствие увеличения термодинамической активности металла абсо­ лютное время службы детали уменьшается, хотя число циклов до разрушения может увеличиваться. Таким образом, при опреде­ лении влияния частоты нагружения в коррозионной среде на дол­ говечность детали нужно учитывать, в каких единицах изменяет­ ся долговечность.

Коррозионная выносливость сталей существенно снижается при наличии на поверхности деталей контактирующих тел или очагов трения. Если в воздухе величина снижения усталостной прочности определяется, главным образом, величиной контактных давлений и природой контактируемых деталей, то в коррозионной среде,

171

как показал Г. В . Карпенко с сотрудниками, указанные факторы не будут иметь решающего значения. Коррозионно-усталостная прочность будет существенно снижаться в любом случае — важно только наличие контакта, благодаря которому постоянно удаляют­ ся окисные пленки, идет активация тонких слоев металла и соз­ даются условия для проявления щелевой коррозии. Эффективными методами борьбы с вредным влиянием фретинг-коррозии при усталости в воздухе являются установка более мягких прокладок в зону контакта деталей, а также поверхностное упрочнение и на­ несение защитных покрытий. Т а к , диффузионное насыщение уг­

леродистой стали ванадием или алюминием больше чем на по­ рядок уменьшает фретинг-кор- розию.

сталей, не оказывают заметного влияния на их коррозионную вы­ носливость. Таким образом, как для углеродистых сталей, корро­ зионная стойкость нержавеющих сталей в ненапряженном состоя­ нии не может служить критерием д л я оценки их коррозионноусталостной прочности.

Изменить в 1,5—2 раза коррозионную выносливость нержавею­ щих сталей можно подбором режима термической обработки. Наиболее приемлемой температурой отпуска, обеспечивающей наилучшее сочетание прочностных и электрохимических свойств указанных выше мартенситных нержавеющих сталей, является температура в интервале 570—600° С. Более высокие температуры

172

(660—700° С) за счет разупрочнения твердого раствора снижают механические характеристики сталей.

С целью повышения усталостной и коррозионно-усталостной прочности дл я нержавеющих сталей в качестве финишной опера­ ции (после механической обработки) целесообразно применять повторный отпуск деталей при 500° G. Этот отпуск не меняет струк­ туру стали и приводит к снятию остаточных напряжений, возник­ ших при предшествующей механической обработке.

Влажный воздух (иммитация тропического климата) вызывает существенное снижение усталостной прочности сталей, в том числе нержавеющих на 20—35%, хотя для последних в ненапряженном состоянии коррозионных потерь в аналогичных условиях не об­ наружено.

Д л я углеродистых и низколегированных сталей наивысшим ус­ ловным пределом коррозионной усталости обладают образцы с пер- лит-ферритной или сорбитной структурой. Причем различие в ве­ личине коррозионной выносливости стали с разной структурой

нологии оказывает положительное влияние как на их усталостную,

ности в рабочих средах для стали Х17Н2 малоэффективен, а при больших усилиях обкатки даже оказывает отрицательное влияние. В то же время он является весьма результативным методом повы­ шения усталостной и особенно коррозионно-усталостной прочности мартенситных сталей, причем степень упрочнения возрастает с уве­ личением усилия обкатки до значительных величин. Причина низ­ кой эффективности поверхностного наклепа для повышения уста­ лостной прочности стали Х17Н2 заключается в том, что в стали содержится около 30% мягкой составляющей (б-феррита), распо­ ложенной в виде крупных, вытянутых вдоль оси прокатки зерен. В этой составляющей и происходит, в основном, локализация пла­ стической деформации, что приводит к большой неравномерности упрочнения по поверхности деталей.

- Д л я мартенситных нержавеющих сталей при оптимальных ре­ жимах обкатки предел усталости возрастает на 10—15%, а в кор­ розионной среде — в 1,5—2 раза. Эффект поверхностного ,наклепа сохраняется на этих сталях при температурах до 400° С. С целью увеличения эффективности поверхностного наклепа после обкатки