Растрескивания материала

18.5.3. Способы уменьшения или предотвращения растрескивания аустенитных сталей .................. 324

18.5.3. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ИЛИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ' РАСТРЕСКИВАНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Этот метод находит наибольшее распространение при сравнительных массовых испытаниях различных материалов. В частности, его применяют в исследовании коррозионного растрескивания аустенитных сталей при сверхкритических параметрах среды (давление 300 кгс/см2, температура 380 и 550 'С). Пластинка размером 6 х 50 х 2 мм выгибалась при комнатной температуре до диаметра DBH, связанного с заданной остаточной деформацией е, % и толщиной образца б, мм, соотношением

61. Рябченков А. В., Герасимов В. И., Сидоров В. П. О природе коррозионного растрескивания аустенитных сталей и основных факторах, влияющих на этот процесс. •— Защита металлов, 1966, № 3, с. 257—278.

Для уменьшения возможности коррозионного растрескивания аустенитных хромоникелевых сталей и растрескивания в зонах швов и наплавок осуществляется дополнительное микролегирование и специальные режимы термообработок.

Как уже указывалось выше, явление коррозионного растрескивания аустенитных нержавеющих сталей в растворах хлоридов рассматривается двояко: во-первых, с точки зрения воздействия ионов хлора и напряжений на защитные свойства пассивной пленки,, образующейся на поверхности металла, и во-вторых, с точки зрения распада аустенита под воздействием напряжений и активного растворения образующейся при этом а-фазы в растворах, содержащих ионы хлора. Оставаясь в рамках первого направления, трудно объяснить интенсификацию процесса коррозионного растрескивания при наличии в растворе кислорода. Ведь с точки зрения пленочной теории пассивности присутствие кислорода в растворе должно способствовать пассивации металла и увеличению защитных свойств пленки. С этих же позиций непонятно отсутствие влияния механических напряжений и хлоридов на скорость катодного процесса ионизации кислорода. Если ионы хлора и напряжение в металле способствуют разрушению пассивной пленки, то оба эти фактора должны: изменять скорость и анодного, и катодного процессов. Ниже будет показано, что напряжения не влияют на скорость катодного процесса в растворах хлоридов и других анионов. Об отсутствии влияния напряжения на скорость катодного процесса на сталях 18-8 и 18-10 в кипящем растворе насыщенного хлористого магния указывали Т- П. Хор и Ж- Г. Хайнес[ II 1,133]. С точки зрения пленочной теории, увеличение стойкости сталей к коррозионному растрескиванию трудно увязать с ростом содержания никеля в них и практически невозможно объяснить, почему аустенитная нержавеющая сталь, практически одинаковая по составу (особенно по хрому и никелю), но в силу тех или иных причин становится магнитной, является значительно более стойкой к коррозионному растрескиванию, нежели та же сталь, не обладающая магнитными свойствами [111,12?;

5-1 ХАРАКТЕРИСТИКА КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

Внутрикристаллитный характер коррозионного растрескивания аустенитных сталей связывается с выделением по кристаллическим плоскостям при деформации металла новой фазы, которую именуют квазимартенситом.

Предотвращение присосов охлаждающей воды в конденсаторах турбин путем герметизации их трубных досок и предупреждения коррозии конденсаторных труб не исключает необходимости осуществления обессоливания всего конденсата турбин с целью практически полного удаления из него основных стимуляторов коррозионного растрескивания — хлоридов и едкого натра. Для предотвращения коррозионного растрескивания аустенитных сталей, из которых изготовлены элементы прямоточных котлов, питательная вода практически не должна содер-

15. Рябченков А. В., Никифорова В. М. Роль электрохимических факторов в процессе коррозионного растрескивания аустенитных сталей.— В кн.: Коррозия и защита металлов в машиностроении. М., Машгиз, 1959, с. 348.

На возникновение коррозионного растрескивания аустенитных сталей и его развитие сильное влияние оказывают примеси, растворенные в воде. Наличие ионов хлора, «ислорода, свободной щелочи и сероводорода совместно с растягивающими напряжениями и обусловливает возникновение коррозионного растрескивания. Разрушение происходит по участкам металла, находящимся в активном состоянии. Остальная поверхность остается пассивированной. Это типичный случай электрохимической коррозии [Л. 119]. Наклеп ускоряет коррозионное растрескивание. \

В работе [766] рассматривается ряд случаев коррозионного растрескивания аустенитных сталей под напряжением и для различных случаев применения и технологической обработки даются рекомендации по термической обработке для снятия напряжений, способствующих устранению коррозионного растрескивания. Подчеркивается, что наиболее полное снятие напряжений для аустенитных сталей наблюдается при температурах выше 820—900° С. Более низкий отпуск, иногда применяемый в практике при 200— 650° С, может снять только пики напряжений и снизить склонность к коррозионному растрескиванию. Такой отпуск помогает уменьшить склонность к растрескиванию под напряжением только в случае применения сплавов в менее агрессивных в коррозионном отношении средах. В сильно агрессивных средах следует применять более высокие нагревы.

без пластической деформации. Поверхность или приповерхностные слои границ зерен являются главным местом сосредоточения различного рода неоднородностей в строении металлов и сплавов. К числу этих неоднородностей относятся и дефекты производства (при литье, при обработке давлением, при термообработке), способные в ряде случаев резко снизить зерногра-ничную прочность и вызвать охрупчивание материала (рис. 2.2). Возможно создание значительного уровня объемных остаточных напряжений, которые в совокупности с эксплуатационными нагрузками релаксируют путем создания первоначально зон хрупкого межзеренного растрескивания материала, предшествующих усталостной трещине (рис. 2.3). Концентрация выделений может быть ничтожно малой, так что поверхность разрушения не содержит никаких признаков гетерогенности, связанной с присутствием охрупчивающих примесей. Помимо того возможно разупрочнение приграничных объемов металла за счет "выгорания" основных элементов, например при наличии в материале поверхностных повреждений в виде прижогов. Возникающая межзеренная трещина характеризуется таким же состоянием поверхности границ в изломе (рис. 2.4), как и при малой концентрации охрупчивающих примесей. Механизм образования межзеренных трещин при наличии примесных выделений или, напротив, при выгорании основных элементов может быть следствием замедленного хрупкого разрушения [33, 34], а также может быть результатом кратковременной перегрузки материала и хрупким надрывом по приграничным зонам с пониженной вязкостью разрушения.

Выявленные особенности формирования рельефа излома соответствовали не только усталостным бороздкам. Имели место растрескивания материала, формирование участков без усталостных бороздок, а также ступеньки на границе раздела фаз и межзеренных границ. Тем не менее были проведены оценки среднего шага по участкам с устойчивым рельефом в виде усталостных бороздок (рис. 4.9). Периодическая структура небороздчатого рельефа была отфильтрована. На представленных двумерных Ф-спектрах имеет место не один,

Межзеренные растрескивания материала возникают в момент нанесения повреждений и свидетельствуют о высокой неравномерности нагрева и охлаждения материала. В пределах поврежденной зоны материала имеет место сочетание объемов с перегретой и неперегретой структурой. Это создает остаточные напряжения растяжения, которые приводят к растрескиванию материала. Да и глубина растрескиваний находится в широких пределах. Происходит резкая смена теплоотвода, возникает высокий градиент напряжений в момент охлаждения, что и сопровождается растрескиваниями материала. Причем следует подчеркнуть, что для жаропрочного сплава тепловое воздействие не может проникать на значительную глубину. Кратковременность происходящего искрового воздействия не может вызывать более существенного по глубине деструктирующего действия на материал. Поэтому зона явного изменения упрочняющей фазы и граница разнотравимо-сти находятся в пределах 0,1 мм в наиболее разветвленной по поверхности зоне повреждения.

одного из сосредоточенных очагов разрушения, который образован в результате коррозионного растрескивания материала (рис. 11.7).

Первоначально на поверхности лопатки в разных ее местах произошло коррозионное растрескивание материала. В зонах наибольшей концентрации нагрузки от изгибной формы колебаний произошло зарождение и распространение усталостных трещин по двум сечениям около наружной полки и бобышки лопатки. Первоначальное разрушение на все сечение произошло около наружной полки лопатки, а разрушение у бобышки произошло в результате резкого возрастания нагрузок при уже развившихся усталостных трещинах от нескольких очагов, имевших место в результате коррозионного растрескивания материала. Длительность процесса разрушения всей лопатки составляет не менее 285 полетов после сформирования коррозионных изъязвлений поверхности.

Обе лопатки имеют первоначальную зону межзеренного растрескивания материала, которая располагается в объеме материала по входной кромке (рис. 11.33). Зона начального разрушения одной из лопаток была сильно повреждена. Однако на прилегающих к этой зоне участках материала имеются межзеренные растрескивания, отражающие первоначально развитие процесса ползучести. Этот факт подтвердили исследования излома на электронном микроскопе.

Рис. 11.33. Общий вид (а), (6) первоначально разрушившейся лопатки рабочего колеса Турбины двигателя ТВ2-117А соответственно № С95101365 и С98101005, (в) общий вид излома этих лопаток и (г) растрескивания материала по границам зерен в зонах, прилегающих к изломам этих лопаток у входной кромки (указаны стрелками)

Итак, при существующей технологии сборки рассеяние напряженности лопаток будет приво-i дить к низкой и высокой интенсивности протека-^ ния начального процесса ползучести, что выразит-1 ся в минимальном и максимальном размере зоны1 первоначального растрескивания материала. Далее от этой зоны будет происходить более медлен-! ное или более быстрое зарождение и распростране-1 ние усталостной трещины. Оценить к какому из^ указанных случаев относятся лопатки по позиции № 4 (см. табл. 11.7) не представляется возможным. Отсутствуют данные по напряженности лопаток для указанных выше двух крайних случаев по их' сборке. Вместе с тем проведенный анализ позволил заключить, что наработка лопаток в эксплуатации при существующей технологии их сборки; в колесе турбины была достаточной для исчерпа-; ния их ресурса. Поэтому при возрастании наработ-1 ки лопаток в эксплуатации за пределами 8000 ч число случаев появления в них трещин будет уве-; личиваться. !

зионного растрескивания материала и формирования полуэллиптической зоны у стыка нижней полки лонжерона с его задней стенкой по наружной поверхности с размерами малой и большой оси соответственно 1,3 х 3,0 мм. Межзеренные растрескивания материала по поверхности лонжерона и в его изломе не имели признаков существенного формирования продуктов коррозии.

В результате расчета числа усталостных линий, выявленных наиболее четко с расстояния от очага разрушения около 5,5 мм, длительность роста трещины составила около 210 полетов. Имея в виду, что рост трещины происходил при последовательном возрастании расстояния между усталостными линиями, можно считать, что от очага разрушения трещина развивалась за каждый полет на величину не более 0,056 мм, что соответствовало средней ее величине на последующей длине 5,5-7 мм. Тогда количество полетных циклов нагружения лопасти с развивающейся усталостной трещиной составляет на интервале длины 1,5-5,5 мм не менее 70. Глубина трещины была взята несколько больше глубины залегания очага разрушения от коррозии под напряжением на глубину около 1,3 мм, поскольку граница зоны очага была неровной. В результате выполненных оценок длительности роста усталостной трещины видно, что от зоны коррозионного растрескивания материала до перехода к нестабильному разрушению длительность роста трещины составила около 280 (210 + 70) полетных циклов ее нагружения.

Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что зарождение усталостной трещины в лонжероне имело место в результате создания в нем высокого уровня концентрации напряжений из-за коррозионного растрескивания материала, а не в результате его перенапряжения.