Локальных деформаций

Согласно более ранней, имеющей почти полуторавековую историю, гетерогенной трактовке процессов электрохимической коррозии металлов (теории локальных элементов), участки анодной и катодной реакций пространственно разделены и для протекания коррозии необходим переток электронов в металле и ионов в электролите. Такое пространственное разделение анодной и катодной реакций энергетически более выгодно, так как они локализуются на тех участках, где их прохождение облегчено (энергия активации реакции меньше).

Основателем теории микрогальванических (локальных) элементов принято считать де для Рива (1830 г.), хотя еще в 1813 г. аналогичная теория была сформулирована Ф. И. Гизе. Теория микрогальванических элементов получила признание и свое дальнейшее развитие в XX в. благодаря трудам многих ученых и прежде всего Н. А. Изгарышева, Г. В. Акимова и его школы. А. И. Голубевым и Г. В.Акимовым были исследованы реальные микроэлементы. Т

тивление локальных элементов невелико (потенциалы катодной и анодной фазы выравниваются благодаря полной поляризации), можно написать следующие три уравнения:

Рис. 2.2. Схематическое изображение расположения локальных элементов на поверхности металла

Поскольку примеси в металле играют роль локальных элементов, можно ожидать, что их уменьшение значительно повысит коррозионную стойкость металла. Поэтому, например, алюминий или магний высокой чистоты более устойчивы к коррозии в морской воде или кислотах, чем технические металлы, а специально очищенный цинк менее растворим в соляной кислоте, чем технический. Однако ошибочно полагать, что чистые металлы вообще не подвержены коррозии, как считалось много лет назад, когда была предложена первая электрохимическая теория. Как мы увидим далее, локальные элементы возникают также при изменениях температуры или других параметров среды. Например, на поверхности железа или стали, покрытой пористым слоем ржавчины (оксиды железа), в аэрированной воде отрицательными электродами являются участки поверхности железа в порах оксидного Ълоя, а положительными — участки ржавчины, открытые для соприкосновения с кислородом. Отрицательные и положительные электродные участки меняются местами и перемещаются по поверхности в ходе коррозионного процесса.

Таким образом, высокочистое железо корродирует в насыщенной кислородом воде практически с той же скоростью, что и техническое. Однако в кислотах наблюдается разница в скоростях коррозии, так как здесь примеси в металле выступают в качестве электродов локальных элементов. Этот вопрос мы рассмотрим в разделе 6.2.

Сопротивление электролита и поляризация электродов ограничивают ток в гальваническом элементе. Для локальных элементов на поверхности металла, электроды которых тесно сближены, сопротивление электролита обычно является второстепенным фактором по сравнению с более значимым — поляризацией. При доминирующей поляризации анодов считается, что коррозион-

Влияние термической обработки на скорость коррозии углеродистой стали в разбавленной серной кислоте представлено данными Хейна и Бауэра [49] (рис. 6.16) и подтверждено более поздними работами Клиари и Грина [33]. Углеродистая сталь, закаленная с высоких температур, имеет структуру, называемую мартенситом. Это однородная фаза, в которой атомы углерода занимают межузельные пространства тетрагональной объемно-центрированной решетки железа. Случайное распределение атомов углерода и их взаимодействие с соседними атомами железа ограничивает их эффективность как катодов локальных элементов, поэтому в разбавленной кислоте скорость коррозии мартен-

Кроме того, аэрация грунтов может влиять на коррозию не только' за счет прямого участия кислорода в образовании защитных пленок, но и косвенно — в результате снижения концентрации реагирующих с кислородом органических комплексообразовате-лей или деполяризаторов, присутствующих обычно в некоторых почвах и усиливающих работу локальных элементов. В этом отношении положительное влияние аэрации распространяется и на грунты, содержащие сульфатвосстанавливающие бактерии, которые в присутствии растворенного кислорода теряют активность.

Почвы, содержащие органические гуминовые кислоты, отличаются агрессивностью по отношению к стали, цинку, свинцу и меди. Общая кислотность такого грунта точнее характеризует его агрессивность, чем только значение рН. Заметные концентрации NaCl и Na2SO4 придают трудноосушаемым почвам, встречающимся на юге Калифорнии, высокую агрессивность. Помимо увеличения активности локальных элементов при повышении электропроводимости почвы большое значение приобретают макро-гальванические элементы большой протяженности, возникающие вследствие различий концентрации О2 в почвах разного состава или неоднородности поверхности металла. Аноды и катоды могут находиться на расстоянии нескольких километров друг от друга. Грунт с низкой электропроводимостью чаще всего менее агрессивен, чем высокоэлектропроводный, из-за малого количества влаги или наличия растворенных солей или и того и другого вместе. Однако электропроводимость сама по себе не является показателем агрессивности; немалую роль играет характеристика анодной или катодной поляризации металла в данном грунте .16].

Другим примером может служить поведение никеля, погруженного в расплав буры на глубину 3 мм при температуре 780 °С и давлении О2 0,1 МПа (рис. 10.6). В этих условиях скорость окисления низка вследствие ограниченного поступления кислорода из газовой фазы. При контакте никеля с платиновой или серебряной сеткой, выступающей над поверхностью расплава, коррозия никеля сильно ускоряется (в 35—175 раз при продолжительности опыта 14). При этом никель корродирует быстрее, чем в атмосфере чистого кислорода при той же температуре, так как здесь не образуется защитная окалина NiO. Вместо этого ионы Ni2+ растворяются в буре, а платина работает как кислородный электрод. В этой ситуации разность потенциалов между Pt и Ni составляет 0,7 В. Добавление в расплав буры 1 % FeO еще более ускоряет процесс окисления (возможно, ионы Fe2+ у поверхности электролита окисляются кислородом до Fe3+, а ионы Fe3+ снова восстанавливаются либо на катоде, либо в процессе работы локальных элементов на никелевом аноде).

При выборе сварочных материалов для сварки ферритных высокохромистых сталей необходимо учитывать возможное отрицательное проявление различия в коэффициентах теплового расширения основного металла и металла швов. Заметное различие коэффициентов теплового расширения основного металла и металла швов приводит к накоплению локальных деформаций после каждого цикла нагрева и охлаждения.

Наиболее значительную роль в повреждаемости оборудования при выполнении строительно-монтажных работ играют монтажные сварочные работы. Качество выполнения сварных швов по месту монтажа обычно ниже качества сварных соединений, выполненных в заводских условиях. В результате монтажные швы часто становятся одним из источников, инициирующих трещиноподобные дефекты. Для снятия напряжений, появившихся в результате сварки, детали должны подвергаться термообработке полностью или в зоне сварного шва. Недостаточная техническая культура выполнения монтажных работ может привести к появлению отдельных локальных деформаций элементов конструкций. Местные пластические деформации могут послужить причиной дальнейшего перенапряжения конструкции и ее разрушения.

Наиболее значительную роль в повреждаемости оборудования при выполнении строительно-монтажных работ играют монтажные сварочные работы. Качество выполнения сварных швов по месту монтажа обычно ниже качества сварных соединений, выполненных в заводских условиях. В результате монтажные швы часто становятся одним из источников, инициирующих трещиноподобные дефекты. Для снятия напряжений, появившихся в результате сварки, детали должны подвергаться термообработке полностью или в зоне сварного шва. Недостаточная техническая культура выполнения монтажных работ может привести к появлению отдельных локальных деформаций элементов конструкций. Местные пластические деформации могут послужить причиной дальнейшего перенапряжения конструкции и ее разрушения.

Выполненные на поликристаллических сплавах исследования при пульсирующем цикле нагружёния (/?= 0) в области малоцикловой усталости показали достаточно устойчивое закрепление очагов локальной деформации и накопление односторонней деформации с увеличением числа циклов. Распределение локальных деформаций при повторно-переменных нагружениях прослежено нами на сплаве ПТ-ЗВ, микронеоднородность деформации которого при статическом нагружений ранее была подробно исследована. Образцы испытывали при жестком симметричном цикле деформирования с .амплитудой деформации ±1 %. Как и при статическом нагружений, поверхность образцов перед нагружением подвергали многократной электрополировке, после чего на нее вдоль оси образца наносился ряд реперных точек уколами алмазной пирамиды с расстоянием между ними 10 мкм. Величина фрагментов составляла 130 — 180 мкм. Расстояния между реперными точками измерялись до нагружений, после нагружений и разгрузок.

Рис. 19. Распределение локальных деформаций е/ по микроучасткам в сплаве

Созданию высокой химической активности в вершине трещины содействует и механический фактор. Как известно, механические напряжения в вершине трещины очень высоки. Даже при низких значениях интенсивности напряжений материал в вершине трещины находится под действием напряжений, близких к пределу текучести. Это создает благоприятные условия для прохождения в вершине трещины локальных деформаций, в результате чего на кромках ступеней сдвига (в местах выхода дислокаций на поверхность) плотность анодного тока может резко увеличиваться. Оба фактора не только способствуют повышению плотности анодного тока, но и содействуют в этом друг другу. Например, если структура и состав сплава таковы, что в нем имеются выделения по границам зерен, отличающиеся по электрохимическим характеристикам от матрицы, то потенциальная чувствительность к межкристаллитной коррозии может быть реализована путем прохождения в вершине трещины пластических деформаций, разрушения пассивной пленки и активации анодных процессов по границам зерен. Это же положение относится в полной мере и к сегрегациям внутри твердого раствора, когда суще-

На рис. 88, а показано распределение коэффициента локальных деформаций Ке вдоль реперной линии образца сплава ВТ5-1 с газонасы-

На рис. 124 показано изменение локальной относительной деформации е//еср по длине реперной линии образцов сплава ВТ5-1 с исходным состоянием поверхности и после поверхностного упрочнения обкаткой. Исследования показали, что у образцов с исходным состоянием поверхности наблюдается резко выраженная микронеоднородность протекания пластических деформаций (К"~0,7), связанная со структурной неоднородностью. Пики деформаций расположены, как правило, на стыке разно-ориентированных зерен а-фазы. У образцов, поверхность которых подвергали обкатке, протекание микропластических деформаций происходит значительно равномернее (К= 0,2-=-0,5). Специальные электрон-номикроскопические исследования показали, что в поверхностных слоях этих образцов наблюдается диспергированная структура с высокой плотностью дислокаций. При этом чем более эффективно образцы подвергали ППД, тем меньше была выражена микронеоднородность деформации. Последнее хорошо иллюстрирует рис. 125, на котором приведена зависимость коэффициента вариации локальных деформаций от степени средней деформации образцов с различным состоянием поверхности. Самый низкий коэффициент вариации оказался у образцов, подвергнутых обкатке с усилием на ролик 1200Н (К= 0,2). Снижение давления на ролик до 9QO Н приводит к возрастанию коэффициента вариации до К =0,5. Аналогичное значение К наблюдается у образцов после обдувки поверхности стальной дробью.

Аналогичные соотношения имеют место и в модели Ахенбаха и Сана. Условия связи локальных деформаций были введены для слоистой среды в более ранней работе Сана и др. [167].

Для того чтобы большие локальные деформации не вызвали .локальных разрывов, обычно выбирается связующее с большими деформациями разрыва (как показано на рис. 1). Локальное пластическое течение в областях высоких концентраций напряжений позволяет перераспределить напряжения (сгладить эпюры). Эта «выравнивающая» способность больших локальных .деформаций играет важную роль также в окрестности разрыва .линии действия нагрузки, например вблизи углов дискретных армирующих элементов: срезанных волокон, усов (нитевидных кристаллов) и макрочастиц.

где GI, С2, Eo,i, Е0,2 — постоянные. При этом /с>1, а значения E0,i и Е0,2 существенно зависят от выбора спектральной области стимулирующего эмиссию света. Когда деформации малы, преобладает первый член суммы, а в последующем — второй. Это соотношение справедливо и для локальных формаций е, измеренных по изменению расстояния между рисками, нанесенными на рабочую часть образца через 0,5 мм. Предельные значения средних и локальных деформаций, до которых соблюдается линейная зависимость между эмиссией и деформацией, приведены ниже: