Файл: Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1.pdf

Опыты проводили (совместно с И. Г, Абдуллиным) в специаль­ ной электрохимической ячейке, снабженной платиновыми элек­ тродами и устройством для механического нагружения образца. Резистометрическая установка была собрана на основе потенцио­ метрической схемы и включала генератор звуковой частоты (20 кГц) со стабилизирующим дискриминатором, потенциометр, детек­ тор и самописец с усилителем постоянного тока типа Н37. Плати­ новые электроды располагались в непосредственной близости к поверхности образца, что позволило проводить измерения в не­ стационарных условиях диффузионной кинетики.

Измеренная разность потенциалов между электродами прибли­ зительно пропорциональна удельному электрическому сопро­ тивлению околоповерхностного слоя электролита, которое в свою очередь зависит от концентрации продукта коррозии.

Специальными измерениями была установлена линейная за­ висимость убывания разности потенциалов от концентрации рас­ творенного карбоната кальция в 0,1%-ной уксусной кислоте вплоть до 400— 500 мг/л с наклоном 2,2 мг/(л-мВ) при поддержи­ ваемой силе переменного тока 125 мкА (аналогичные результаты получены и для других концентраций раствора уксусной кислоты вследствие ее слабой диссоциации). Все измерения проводили в линейной области указанной зависимости. Поэтому регистра­ ция во времени уменьшения разности потенциалов позволяет судить о росте концентрации уксуснокислого кальция в приле­ гающем к образцу слое электролита, т. е. о кинетике растворения. Механическое нагружение монокристалла осуществляли по схеме свободно опертой балки сосредоточенным усилием, которое прикладывали к его середине через стеклянный шток с призмой. Напряжения в поверхностном слое прямоугольного образца зависели от величины усилия и геометрических размеров об­ разца.

Растворение образца в электролите привело к уменьшению напряжения на электродах вследствие появления в нем продук­ тов растворения. Скорость изменения напряжения характери­ зует скорость реакции (рис. 3). Приложение нагрузки характе­ ризуется изломом на кинетической кривой, соответствующим скачкообразному увеличению скорости растворения в несколько раз (механохимический эффект).

Чувствительность метода к изменению скорости растворения кристалла обусловлена нестационарным режимом диффузии про­ дуктов реакции через область электролита между измеритель­ ными электродами. Наклон кинетической кривой зависит от скорости растворения: ее скачкообразный рост при включении нагрузки ведет к скачкообразному увеличению наклона, а скачко­ образное уменьшение при снятии нагрузки обусловливает рез­ кое уменьшение скорости поступления вещества вплоть до из­ менения знака результирующей суммы (поступление и отвод вещества), т. е. изменения знака наклона кривой, поскольку

36

Рис. 3. Кинетика изменения разности потенциалов в ячейке при растворении деформи­

ky — 7 (кривая /); ka = 3 н /гр = 4 (кривая 2):

/ — в 50%-ном растворе уксусной кислоты; образец размером 8Х4.3Х 1,5 мм (шкала А); 2 — в растворе уксусной кислоты концентрацией 0,05%; образец размером 6Х 6x2,5 мм

(шкала Б)

(как видно из кинетической кривой на участке действия нагрузки) к моменту разгрузки устанавливается режим повышенной ско­ рости диффузии. Однако из-за недостатка поступления вещества из зоны реакции скорость диффузии быстро падает до прежних значений и устанавливается прежний режим, т. е. знак наклона кривой снова изменяется, но уже не.столь быстро вследствие

участия диффузионного процесса.

Многократное повторение циклов нагрузка—разгрузка (см. рис. 3, кривая 2 ) на различных образцах сопровождалось соот­

ветствующим ускорением и замедлением реакций, что свидетель­ ствовало- о механохимическом растворении, обусловленном ме­ ханическим напряжением.

4. ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НАПРЯЖЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ

РАВНОМЕРНОЙ КОРРОЗИИ

В настоящее время, имеется прогрессивная тенденция исполь­ зования сталей повышенной прочности. В связи с этим особое значение приобретают вопросы коррозионно-механической стой­ кости таких конструкций против ускоренных разрушений (корро-

37

зионное растрескивание), а также с точки зрения взаимного вли­ яния механических напряжений и общей коррозии металла [27].

В реальных металлических конструкциях и сооружениях на­ пряженное состояние изменяется в процессе эксплуатации даже при постоянных внешних нагрузках вследствие изменения се­ чения силонагруженных элементов в результате коррозионного износа. В свою очередь концентрация напряжений усиливает механохимическую коррозию, что может привести к ускоренной потере несущей способности.

Рассмотрим прямоугольный элемент объема металлической

к границе раздела металл—жидкость, приложено постоянное растягивающее или сжимающее усилие Р, распределенное на пло­ щади грани S = hi, где h — толщина элемента по нормали к гра­

нице раздела (одноосное напряженное состояние). Предположим, что приложенное усилие не нарушает равномерного характера коррозии, а лишь изменяет ее скорость.

Тогда скорость изменения напряжения вследствие уменьше­ ния толщины элемента при постоянстве усилия будет опреде­

чала коррозионного процесса). Скорость уменьшения толщины стенки равна скорости коррозии (в единицах глубинного показа­ теля коррозии), которая определяется ускорением анодного рас­ творения в результате действия механических напряжений и

Сравнивая формулы (68) и (67), получаем дифференциальное

получаем формулу для расчета относительной долговечности конструкции:

38

Здесь 0 np — предельно допустимое напряжение, выбираемое

в зависимости от конкретных условий (например, по пределу текучести металла с некоторым запасом). Величина Т 0, назван­

ная относительной долговечностью, представляет собой отно­ шение фактической долговечности t (срок безопасной эксплуата­

ции конструкции) к максимальному «времени жизни» ненапряжен­ ного металла t0. Напряжение а (t) соответствует моменту вре­ мени t.

увеличение начального коэффициента использования несущей способности FH приводит к потере долговечности, причем тем

большей, чем выше прочностные характеристики металла (апр). Поэтому при заданном уровне относительной долговечности, т. е. определенном сроке безаварийной эксплуатации, более вы­ сокопрочная сталь требует меньшей начальной относительной нагрузки FH. Это необходимо учитывать при расчетах и проекти­

ровании конструкций. При заданном начальном коэффициенте использования несущей способности («коэффициенте запаса») дол­ говечность ниже также у высокопрочных сталей. Это обусло­ влено резким усилением механохимического эффекта при высо­ ких механических напряжениях.

Таким образом, решая вопрос о применении высокопрочных

1 Следует также принимать во внимание повышенную склонность высоко­ прочных сталей к локальным разрушениям — коррозионному растрескиванию, что еще раз подтверждает необходимость тщательного анализа коррозионно­ механических факторов.

39

Рис. 4. Зависимость относитесь* ной долговечности Г0 от на­ чального коэффициента исполь­ зования несущей способности Пунктирная прямая соот­

ветствует независимости скоро­ сти коррозии от напряжения. Предельно допустимые напря­ жения сгПр в килограммах на

1 мм2 (I0-1 МН/м1) указаны на кривых

в) начальную толщину напряженного элемента (например, стенки трубы) -для обеспечения заданного срока службы при за­

В случае объемного напряженного состояния величина а в ура­

внении (68) означает шаровую часть тензора напряжений. Строго говоря, это же следовало бы сделать и для одноосного напряжен­ ного состояния, но выше принималась полная величина напря­ жения, так как в локальных областях вокруг дефектов струк­ туры возможны такие значения давления. Поэтому при объем­ ном напряженном состоянии можно вести расчет по максималь­ ному главному напряжению.

Допустим, закрытый цилиндр находится под действием внут­ реннего давления. Тогда на элемент стенки цилиндра оказывают воздействие окружные и осевые главные напряжения, при этом первые по величине в два раза больше вторых, а шаровая часть тензора напряжений равна значению осевого напряжения. Тем не менее лучше принимать в расчет величину окружного напря­ жения. Если вдоль оси цилиндра действует дополнительная внеш­ няя сила и увеличенное ею осевое напряжение окажется больше окружного напряжения (обусловленного внутренним давлением), то в расчет следует брать суммарное осевое напряжение. Такой выбор отвечает использованию третьей теории прочности (Ку­

40