Коррозионное растворение

Коррозионное повреждение глубиной до 0,55 мм

Рис. 15.14. Общий вид (а) амортизатора правой опоры шасси самолета Ту-154 (стрелкой указано место расположения усталостных трещин), (б), (в) его излома в зоне зарождения трещины и (г) коррозионное повреждение поверхности в зоне зарождения трещины

Рис. 103. Коррозионное повреждение поверхности детали из сплава ВМ65 (а), Х2; излом (б), Х13. Испытание в водопроводной воде

Влияние коррозионных повреждений на усталостную прочность в сильной степени определяется свойствами материала. Наблагоприятное влияние фреттинг-коррозии увеличивается с ростом прочности материала и размера детали. Было показано J65, 66], в частности, что более существенное коррозионное повреждение на стали 11Х11Н2ВМФ (применяемой на лопатках компрессора авиадвигателя) в состоянии отпуска при 680°С привело к меньшему падению усталостной прочности, чем меньшие повреждения на той же стали с отпуском при 580°С. В тех же работах было показано, что контактная коррозия в титановых сплавах может происходить не только при комнатной, но и при повышенных до 400°С температурах.

Покрытия типа бронза—никель—хром и медь—никель—хром по стали при одинаковой суммарной толщине 30 мкм ведут себя по-разному: при наличии подслоя бронзы после трехлетнего испытания коррозионное повреждение больше, чем при подслое меди.

3. Коррозионное повреждение (порча). Коррозионный эффект, несовместимый с назначением металла, среды или технической системы, частью которой они являются.

Третье предельное состояние определяется допускаемой коррс-зией металла под покрытием. Полимерные защитные покрытия проницаемы для таких агрессивных сред, как кислород, вода и электролиты. Поэтому под любым полимерным покрытием имеют место коррозионные процессы, характер и скорость которых регулируются проницаемостью покрытий. Коррозия металла под покрытием может вызвать отказ конструкции, если коррозионное повреждение металла достигает допустимого предела без нарушения сплошности и падения адгезионной прочности.

Условия, в которых находятся элементы -паровых котлов во время эксплуатации, чрезвычайно разнообразны. Коррозионное повреждение их преимущественно зависит от температуры и давления воды и пара, причем в одних случаях характер и размер коррозии определяются значительным изменением лишь некоторых свойств среды и неизменностью остальных, в других — соизмеримым влиянием на него всех основных свойств среды, изменяющихся с ростом температуры и давления примерно одинаково.

Рис. 8. Коррозионное повреждение трубы экрана нижней радиационной части 0 42X5 мм, выполненной из стали 12Х1МФ, парогенератора ТГМП-114.

Рис. 10. Коррозионное повреждение трубы 042X3,5 мм, выполненной из стали 12Х1МФ, настенного радиационного пароперегревателя парогенератора ТГМ-96.

Рис. 11. Коррозионное повреждение трубы нижней радиационной части парогенератора ТПП-110 после 17 тыс. ч эксплуатации.

Изучение характера распространения трещин показало, что они развиваются хрупко от внешней поверхности трубы с вязким доломом на ее внутренней поверхности [23, 29]. В сечении стенки трубы часто наблюдалось ветвление трещин. Следует отметить, что они развиваются в направлении, перпендикулярном плоскости действия кольцевых растягивающих напряжений, являющихся максимальными в сложном напряженном состоянии трубы под действием внутреннего давления. Микроструктурные исследования характера распространения трещин показывают, что зарождающаяся микротрещина имеет меж- или транскристаллитный характер развития. То же самое наблюдается и в местах их ветвлений. В процессе своего развития характер распространения трещин трансформируется. Фрактографическими исследованиями установлено, что трещина развивается в три этапа: 1) меж- или транскристаллитно на стадии зарождения и дискретного подрастания; 2) коррозионное растворение металла в полости зародившейся

Отсутствие влияния давления на время до разрушения может быть объяснено характером развития КР. Фрактографическими исследованиями [2, 29] установлено, что трещина развивается в три этапа: 1 - межкристаллитное зарождение и дискретное подрастание; 2 - коррозионное растворение металла в полости зародившейся трещины; 3 - механический долом. На первом этапе под воздействием коррозионной среды образуется межкристаллитная трещина, а на втором - происходит увеличение полости трещины за счет коррозионного растворения ее стенок и воздействия меха-

Многие сосуды и аппараты в процессе эксплуатации испытывают малоциклвое нагружение. При одновременном действии коррозионно-активных рабочих сред и переменных во времени нагрузок процессы разрушения металлов заметно ускоряются. Ниже дана методика оценки остаточного ресурс элементов оборудования при малоцикловом нагружении. Вначале рассмотрим случай, когда контролирующим параметром циклического нагружения является заданная деформация (жесткое нагружение). Характерное поцикловое нагружение деформаций и напряжений в образце в условиях коррозионного воздействия рабочих сред показано на рис.5.2. Характер изменения напряжений зависит от циклических харктеристик стали. Для циклически упрочняющихся сталей отмечается по-цикловой рост напряжений (до определенной наработки), а для циклически разупрочняющихся - их снижение (см. рис.5.2,д). В конструктивных элементах из циклически стабилизирующихся сталей напряжения от цикла к циклу должны оставаться неизменными, несмотря на коррозионное растворение металла. В образцах из разупрочняющихся сталей наблюдается тенденция снижения цикловых напряжений.

дует, что в условиях многоциклового нагружения коррозионная среда не влияет на процессы накопления повреждений. Дело в том, что поликристаллическим металлам характерны различная ориентировка, анизотропия физико-механических свойств, дефекты строения кристаллической решетки отдельных зерен (кристаллитов), а также наличие различных дефектов и примесей между ними. В таком случае в напряженном металле даже при напряжениях, намного меньших макроскопического предела текучести ат, возникают локальные участки всестороннего растяжения или сжатия и очаги микроскопических деформаций, ускоряющих коррозионное растворение. Поэтому есть основания полагать, что при высоко-частотном (многоцикловом) нагружении МХЭ может проявляться еще в большей степени, чем при малоцикловом.

В условиях жесткого нагружения образцов без концентрации напряжений процессы коррозионного и малоциклового (усталостного) разрушения идут практически независимо друг от друга, поскольку заданный цикл деформации при нагружении (рис. 6.5, а и б) сохраняется неизменным. Общее коррозионное растворение даже способствует снижению номинальных деформаций. Однако равномерное коррозионное растворение металла обычно реализуется лишь при воздействии сильно агрессивных сред. В большинстве случаев, в силу гетерогенности свойств поверхности образца, коррозия происходит локализованно. При этом в результате повышения напряжений в ослабленных коррозией участках происходит интенсификация механохимиче-ских эффектов и малоциклового разрушения вследствие повышения местных пластических деформаций.

Рассмотрим случай, когда контролирующим параметром циклического нагружения является заданная деформация s (жесткое нагружение). Характерное поцикловое изменение деформаций и напряжений в образце в условиях коррозионного воздействия рабочих сред показано на рис. 6.5. Характер изменения напряжений зависит от циклических характеристик стали (рис. 6.5, в и г). Для циклических упрочняющихся сталей отмечается поцикловой рост напряжений (до определенной наработки), а для циклически разу-прочняющихся - их снижение (см. рис. 6.5, д). В конструктивных элементах из циклически стабилизирующихся сталей напряжения от цикла к циклу должны оставаться неизменными, несмотря на коррозионное растворение металла.

Изучение характера распространения трещин (рис. 1.3) показало, что они развивались хрупко от внешней поверхности трубы с вязким доломом. В сечении трещин часто наблюдались кх ветвления. Следует отметить, что трещины развиваю1. :я в направлении, перпендикулярном плоскости действия кольцевых растягивающих напряжений, являющихся максимальными для напряженного состояния трубы. Мик-рсструктурные исследования характера распространения трещин показали, что зарождающаяся ь. лфотрещина имеет межкристаллитный механизм развития. То же самое наблюдается и в местах их ветвлений. В процессе своего развития характер распространения трещин транс -формируется. Фрактографическими исследованиями установлено, что трещина развивается в три этапа: 1 - межкристаллитно на стадии зарождения и дискретного подрастания; 2 - коррозионное растворение металла в полости зародившейся трещины; 3 - механический долей . На первом, под во действием коррозионной среды, образуется межкристадлитная трещина, а на втором - происходит увеличение полости трещины еа счет коррозионного растворения ее стенок и воздействия ,.-.еханических растягивающих напряжений, увеличивающихся за счет уменьшения живого сечения стенок трубы. Межкристаллтаый механизм зарождения трещин связан с выявленной значительной повреждаемостью границ зерен карбонат-бикарбонатной средой (КБС). образующейся в приэлектрсдном слое катоднополяризуемои поверхности трубы. Как это было показано в результате проведенных в УГНТУ и за рубежом исследований, прямое воздействие содей угольной кислоты на сталь при наличии поляризации вызывало селективное травление на гпаницах зерен. На втором этапе, при растворении металла, трещина развивается, в основном, перпендикулярно поверхности трубы. Причем следует отметить, что первый и второй этаы обратимо чередуются, подготавливая основу для их попеременного проявления. На третьем этапе разрушение происходит по вязкому механизму под углом примерно 45° к поверхности трубы (плоскость действия максимальных касателы._и напряжений). Причем на МТ. подвергнутых переиспытаниям избыточным давлением, разрушение может происходить

Многие сосуды и аппараты в процессе эксплуатации испытывают малоцикловое нагружение. При одновременном действии коррозионно-активных рабочих сред и переменных во времени нагрузок процессы разрушения металлов заметно ускоряются. Ниже дана методика оценки остаточного ресурса элементов оборудования при малоцикловом нагружении. Вначале рассмотрим случай, когда контролирующим параметром циклического нагружения является заданная деформация (жесткое нагружение). Характерное поцикловое изменение деформаций и напряжений в образце в условиях коррозионного воздействия рабочих сред показано на рис. 3.1. Характер изменения напряжений зависит от циклических характерно гик стали. Для циклически упрочняющихся сталей отмечается поцикловой поп напряжений (до определенной наработки),,а для циклически разупроч-няющихся - их снижение (см.рис. 3.1. д). В конструктивных элементах из циклически стабилизирующихся сталей напряжения оч цикла к циклу должны оставаться неизменными, несмотря на коррозионное растворение металла. В образцах из разупрочняющихся сталей наблюдается тенденция снижения цикловых напряжений.

го не следует, что в условиях многоциклового нагружения коррозионная среда не влияет на процессы накопления повреждений. Дело в том, что поликристаллическим металлам характерны различная ориентировка, анизотропия физико-механических свойств, дефекты строения кристаллической решетки отдельных зерен (кристаллитов), а также наличие различных дефектов и примесей между ними. В таком случае в напряженном металле даже при напряжениях, намного меньших макроскопического предела текучести етт, возникают локальные участки всестороннего растяжения или сжатия и очаги микропластических деформаций, ускоряющих коррозионное растворение. Поэтому есть основания полагать, что при высокочастотном (многоцикловом) нагружении МХЭ может проявляться еще в большей степени, чем при малоцикловом.

Электрохимические реакции контролируют скорость процесса коррозионно-механического воздействия среды, особенно в начальный период роста трещины, когда происходит коррозионное растворение металла с образованием, например, поражений в виде питтингов [138]. Так в холоднодеформированных сталях типа 18-8, испытываемых в растворе MgCl2 при 154° С, образуются специфические туннели субмикроскопических размеров, которые располагаются вдоль плоскостей скольжения в направлении, соответствующем сидячим дислокациям Коттрелла—Ломера. Как указывается в работе [139], одной из стадий коррозионного растрескивания является «туннельная» коррозия на выходах ступенек скольжения на поверхность. Наличие каналов (туннелей) распространяющихся в глубь металла, было показано при выдержке сплава Си—25% Аи в 10%-ном растворе FeCl3, сплава Mg—7% А1 — в растворах NaCl с К2Сг2О7, нержавеющей стали типа 301 в 42%-ном растворе MgCl2 при 140° С и алюминия в растворе NaCl. Поперечный размер образующихся микрополостей обычно значительно меньше их глубины, что придает им капиллярные свойства, обусловливающие быстрое заполнение электролитом. Поэтому можно принять в качестве модели микрополости тонкий цилиндрический капилляр или тонкую щель прямоугольного сечения, внутренняя поверхность которых поляризуется коррозионными токами или от внешнего источника.

График функции / (х) показывает, что участки, прилегающие к вершине, хорошо защищаются катодным током, тогда как устье трещины не испытывает заметного действия анода вершины. Поскольку при появлении питтинга в начальный период образования трещины неповрежденная поверхность металла пришла в относительно катодное состояние, то стенки в устье трещины становятся относительно анодными и ускоряется коррозионное растворение металла, расширяющее устье. Зона защитного дей; ствия анода вершины (как протектора) * в процессе роста трещин перемещается в глубь металла, образуя полость неизменной ширины [2].