Растрескивание титановых

Согласно другой гипотезе, водородное растрескивание происходит вследствие диффузии и адсорбции водорода на дефектах в вершине трещины, что снижает поверхностную энергию атомов напряженного металла [35] (адсорбционное растрескивание).

Иногда считают, что КРН высокопрочных сталей с твердостью HR > 40 (см. табл. 7.1) в воде или влажном воздухе вызвано водородом, образующимся в результате реакции Н2О с железом. Однако зависимость времени до разрушения от приложенного потенциала (рис. 7.13) показывает, что в кипящем 3 % растворе NaCl растрескивание происходит только при потенциалах выше критического —0,4 ± 0,02 В и ниже —1,1 В; внутри этой области потенциалов металл сохраняет устойчивость к растрескиванию. По некоторым причинам разрушение при высоких потенциалах легче объяснить КРН, вызванным, например, адсорбирующейся водой, разрушающей металлические связи, тогда как разрушение

В щелочных растворах растрескивание происходит при относительно высоких концентрациях ОН", поэтому в щелочной котловой воде обычно не наблюдают растрескивания стали 18-8. Однако оно может происходить над ватерлинией в зонах разбрызгивания, где концентрация щелочей увеличивается вследствие испарения воды. В таких случаях разрушения имеют место и при отсутствии в щелочи растворенного кислорода [48]. Нет сведений, указывающих, что транскристаллитное коррозионное растрескивание под напряжением может происходить в чистой воде или чистом паре.

В кислых растворах, как и в подкисленных растворах хлоридов, кор-розионное'растрескивание происходит более интенсивно, чем в растворах с более высокими значениями рН. Известны случаи, когда растрескивание появляется при рН<1 у сплавов, которые не склонны к коррозионному растрескиванию при более высоких значениях рН. Этому вопросу

Более наглядное представление о механизме образования ручьевого узора дают Пикеринг, Свен и Эмбери. По их мнению, транскристалл ит-ное коррозионное растрескивание происходит вследствие образования на ступеньках скольжения туннельной коррозии. Туннели растут в на^ правлениях наиболее плотной упаковки. 6 дальнейшем происходит вязкое разрушение перемычек между туннелями, как показано на рис. 37. Туннели такого типа наблюдали в сплаве Си—25 % Аи после выдержки в 10 %-ном растворе хлористого железа; в сплаве Мд — 7 % AI после выдержки в растворе NaCI и К2СгО4, в аустенитной нержавеющей стали после контакта с 42 %-ным раствором MgCI2 при 140°С, в алюминии, находившемся в водном растворе NaCI. Условием для образования туннелей является грубое скольжение, возникающее при наличии ближнего порядка и низкой энергии дефектов упаковки.

Практически коррозионное растрескивание происходит только тогда, когда к детали или конструкции приложены напряжения, превышающие некоторый критический для данных условий предел. Существует мнение, что важен, не столько уровень приложенных напряжений, сколько скорость их приложения, вернее скорость деформации. Снижение скорости деформации ведет к снижению скорости развития трещин [27]. В реальных условиях, когда общая нагрузка на деталь или конструкцию во многих случаях постоянна, растрескивание возможно в связи с ростом интенсивности напряжений перед вершиной трещины по мере ее коррозионно-механического подрастания.

Аустенитные стали имеют, как правило, однофазную микроструктуру. Основными исключениями являются присутствие б-феррита (при наличии в достаточном количестве стабилизирующих его элементов, таких как хром, кремний или титан) и образование (в некоторых сталях) индуцированного деформацией мартенсита. Мартенсит может быть представлен или о. ц. к. «'-фазой, или г. п. у. е-фазой, или обеими фазами вместе в зависимости от стали. Согласно некоторым данным присутствие б-фазы повышает стойкость против КР [66, 91, 96], хотя этот вывод мог быть более однозначным, если бы одновременно были исследованы и стали без феррита [66, 91]. При испытаниях в водороде, где основным эффектом является уменьшение параметра относительного сужения, наличие б-феррита влияет на морфологию разрушения: растрескивание происходит по границам аустенита и б-фазы [97]. В сталях 304Z, и 309S такое изменение морфологии разрушения не сопровождалось дополнительным уменьшением относительного сужения по сравнению со сплавом без феррита [72, 97, 98]. Можно предположить, что б-феррит способен оказывать влияние на распространение трещины либо как менее «растрескивающаяся» фаза, либо как фаза, в которой затруднен процесс электрохимического заострения вершины трещины (этот процесс будет более подробно рассмотрен в дальнейшем) [60, 64]. Поскольку при испытаниях в водороде этот процесс не происходит, в этих условиях (потери вязкости) роль б-феррита должна быть другой.

Пример определения плоскостей скола показан на рис. 38 [220], где наряду с названными выше видны и другие плоскости (некоторые с ориентацией, близкой к базисной). Подобные данные принято использовать, чтобы убедиться в отсутствие влияния гидридов на процесс разрушения [186, 220], поскольку предполагается, что при наличии массивных гидридов растрескивание происходит Не по базисной или близкой к ней плоскости, а по {1010} [221] (плоскость преимущественного выделения гидридов в чистом титане [222]). Однако есть два обстоятельства, которые не позволяют, по-видимому, считать полностью оправданными выводы, сделанные на основании таких данных.

Одно время полагали, что сплавы, упрочненные выделениями, такие как Рене 41 и Инконель 718, не склонны к водородному охрупчиванию, так как даже сильное катодное наводороживание вызывало очень малые потери пластичности [278, 282]. Однако растрескивание происходит несмотря на малые значения этих потерь [283]. Это позволяет, по-видимому, объяснить сочетание хорошей стойкости сплава Инконель 718 к КР [241, 269] с очень слабой стойкостью к охрупчиванию в водороде, предположив, что в этом случае одновременно протекают процессы растворения и водородного охрупчивания. Потенциал катодного наводорожи-вания может находиться в области минимального проникновения, как показано на рис. 28, либо поверхностные условия могут препятствовать поглощению значительного количества водорода. Последний случай соответствует малой эффективной подвижности водорода; сплав Инконель 718 не охрупчивается в водороде при давлении ниже 0,7 Па [284]. Кроме того, если скорости репасси-вации у вершины трещины [99] препятствуют ее заострению в результате растворения металла, то протекание КР становится невозможным.

Тип А: межкристаллитное разрушение, которое встречается в чистом титане и во всех сплавах. Такое растрескивание происходит при наличии галоидов, в количестве, например, 0,3-10~4% (по массе) С1~.

Не сообщались данные о поведении чистого титана в безводных: спиртах. В работе [128] показано, что растрескивание происходит на гладких образцах сплавов Ti—8 А1—1 Мо—1 V и Ti—6 А1—4 V

5. Растрескивание титановых сплавов в прочих средах............ 55

Растворы, содержащие ионы хлора, брома и иода, являются важнейшими природными (например, морская вода) и многими промышленными средами, поэтому поведение титановых сплавов в этих средах представляет наибольший интерес, тем более, что именно эти среды наиболее опасны для титана в отношении коррозионного растрескивания. Естественно поэтому, что коррозибнное растрескивание титановых сплавов в галогенидах наиболее изучено.

На коррозионное растрескивание титановых сплавов в водных растворах галогенидов существенное влияние оказывает потенциал (поляризация). В общем случае .зависимость средней скорости роста трещины от потенциала в растворах, содержащих ионы хлора, брома или иода, примерно линейна, а другие факторы (состав и термообработка сплавов, рН раствора, размер зерна, текстура и др.) влияют на эту зависимость (рис. 24), усиливая или ослабляя ее.

Изменение рН раствора существенно влияет на коррозионное растрескивание титановых сплавов. В общем случае при увеличении кислотности раствора склонность к растрескиванию повышается, а при увеличении рН щелочных растворов чувствительность к растрескиванию снижается. Оценка влияния рН раствора на коррозионное растрескивание усложняется потому, что рН раствора в развивающейся трещине отличается от среднего рН раствора. Это объясняется отсутствием достаточной циркуляции внутрищелевого раствора с окружающей средой и интенсивным гидролизом солей в трещине. Поэтому при более или менее длительном развитии трещины у ее вершины устанавливается рН = 1,5 ^3,5, малозависящая от среднего рН раствора хлорионов. Все определяется

Растрескивание титановых сплавов под напряжением под слоем соли при повышенных температурах называют солевой коррозией. Это явление в 1955 г. открыл Бауэр. Сущность процесса сводится к тому, что на поверхности напряженных образцов, контактирующих с солью при температурах более 250°С, возникают трещины, которые значительно сокращают долговечность образца при данном напряжении или уменьшают его пластичность при последующем испытании на разрыв. В настоящее время горячесолевое растрескивание достаточно хорошо изучено в лабораторных условиях [12]. Однако многие вопросы не выяснены. В частности, в практике применения титановых сплавов прямых катастрофических фактов солевой коррозии не наблюдается, хотя условия, которые могут привести к горяче-солевому растрескиванию, типичны для многих узлов современных авиационных

В настоящее время выявлены основные факторы, влияющие на горячесолевое растрескивание титановых сплавов [21, 44—46 и др.]. К ним относятся: а) факторы внешней среды —состав соли, температура испытания, уровень растягивающих напряжений, наличие окисляющей среды (воздух и влага), цикличность или непрерывность условий нагружения и действия соли; б) факторы материала — состав и структурное состояние сплава (его термомеханическая предыстория и конечная термообработка), состояние поверхности (особенно характер оксидных пленок и диффузионных окисленных поверхностных слоев).

Учитывая изложенное, рассмотрим основные способы, позволяющие исключить горячесолевое растрескивание титановых сплавов.

центраторов напряжений, хотя вообще этот сплав достаточно стоек к коррозионному растрескиванию в других средах. Заметное усиление растрескивания обнаружено и на титановом сплаве Ti — 5 % AI—2,5 % Sn, испытанном в метиловом спирте с примесью 1,5 % HCI и 1,06% Н2О. Многочисленными исследованиями установлено, что анодная поляризация ускоряет и активирует коррозионное растрескивание титановых сплавов в метиловом спирте, а катодная поляризация приводит к устойчивому торможению коррозионных процессов и растрескивания. Стойкость к коррозионному растрескиванию титана в метиловом спирте зависит также от катионов, вводимых в раствор хлорных солей. При одинаковом значении рН раствора обнаружено, что из исследованных катионов ингибирующим действием обладают AI3*, Zn2+, Cd2*, In2+, Sn" и Th4*. Катионы других элементов оказали слабое влияние [ 49].

Коррозионное растрескивание титановых сплавов может наблюдаться не только в метиловом спирте как жидкости, но и в его парах. В газовой среде метанола подвержены коррозионному растрескиванию и технически чистый титан, и многие его сплавы, в частности Ti-6 %А)-4% V^ Ti-8 % AI -1 % V-1 % Mo, Ti-4,5 % Al-

5. РАСТРЕСКИВАНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ПРОЧИХ СРЕДАХ

Установлены некоторые специфические среды, в которых также происходит коррозионное растрескивание титановых сплавов. Однако пока еще нет достаточных сведений о закономерностях растрескивания в этих средах.