Г. В. Карпенко

ВЛИЯНИЕ

СРЕДЫ '

НА ПРОЧНОСТЬ И

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

МЕТАЛЛОВ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Г. В. Карпенко

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКОВА ДУМКА» КИЕВ — 1976

6П3.4

K26

УДК 620.17-620 193

В монографии описан ряд явлений, имеющих место при эксплуатации материала (главным образом стали) деталей машин, механизмов и сооружений в рабочих средах, а кроме того, некоторые явления, связанные с влиянием обработки, и методы борьбы с вредным влиянием среды.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся созданием машин и механизмов, работающих в различных средах, может быть полезна также студентам старших курсов

Ответственный редактор д-р техн наук И. И. Василенко

Рецензенты

доктора технических наук

В. И. Похмурский, С. К. Чучмарев

Редакция технической литературы

31302—007

К 258—76

М221(04)—76

© Издательство «Наукова думка», 1976

ОТ АВТОРА

Во многих случаях долговечность и несущую способность материала деталей современных машин, механизмов и сооружений контролирует не нагрузка, а химическое, физическое и физико химическое действие рабочей среды При воздействии среды на материал оказывают влияние силовые, электромагнитные, тепловые, радиационные н другие поля, их интенсивность и градиент. Задачи воздействия среды изучаются новым научным направлением ——физико-химической механикой материалов L

Возникновение указанных задач вызвало к жизни ряд новых понятий, связанных с эксплуатацией материала деталей машин, механизмов и сооружений, в связи с необходимостью объяснения действия среды на материал во время его работы в среде при высоких или низких температурах, давлениях, в движении и т п Кроме того, материал претерпевает изменения ® результате воздействия различных полей как во время эксплуатации, так и во время изготовления (наклеп, остаточные напряжения и т. п.). Воздействие сред и полей обычно оказывает вредное влияние на несущую способность и долговечность материала, однако имеются методы защиты от этого влияния. Основные понятия в этой области, к сожалению, не изучаются в вузах и относятся к физико-

1 Химическое сопротивление материалов выполняет только часть этой задачи.

химической механике материалов, которая еще мало освещена в литературе. Данная книга может частично восполнить этот пробел.

Основные понятия прочности и долговечности рассмотрены здесь под углом зрения возможных их изменений под влиянием действия на материал рабочих полей и сред. Эти данные еще нигде не собраны воедино, хотя их значение огромно. В монографии приведены краткие основные сведения по затрагиваемым вопросам, которые можно расширить по приведенным литературным источникам, поэтому ссылки иногда сделаны не на отдельные страницы и статьи, но и на целые монографии и сборники.

Автор выражает благодарность своим ученикам: докторам технических наук О. Н. Романиву, Г. Г. Максимовичу и «П. Н. Петрову, канд. техн, наук А. Б. Куслицкому, В. А. Сираку, а также А. С. Чучмареву, И. П. Пистуну, взявшим на себя труд написать отдельные разделы книги.

ВВЕДЕНИЕ

В эксплуатационных условиях под влиянием рабочей среды и действия поля меняются многие свойства материала. Прежде всего некоторые константы, характеризующие материал в нейтральной среде, изменяются и перестают быть константами. Далее, некоторые установившиеся представления о мероприятиях по повышению прочности и долговечности материала, базирующиеся на опытах, проведенных на воздухе в лабораторном помещении при нормальных температурах и давлениях, в эксплуатационных условиях изменяются. Действительно, вопреки сложившимся представлениям во многих средах прочность и долговечность высоко- отпущенных углеродистых сталей значительно выше, чем закаленных и низкоотпущенных, т. е. повышение прочности стали во многих средах дает отрицательные результаты. Наличие концентраторов напряжения и грубой обработки поверхности, столь опасных для высокопрочных сталей на воздухе, оказывается менее опасным при работе в агрессивных средах н т. п.

Силовое поле, вызывающее явление механической активации твердого тела при деформации, облегчает процессы взаимодействия этого тела со средой. При деформации часть механической работы идет на изменение формы и объема твердого тела и непосредственно связана с повышением его химического потенциала, причем работа упругой деформации увеличивает химический потенциал и разблагораживает электродный потенциал металла пропорционально напряжению. Особенно сильно механохимический эффект проявляется в процессе пластической деформации, когда он значительно увеличивает химический потенциал вследствие ослабления межатомных связей в местах скопления

дислокаций, которые разрежаются на поверхности и полосах скольжения. В результате этого, в частности, резко усиливается растворимость металла.

Другие поля влияют не только на твердое тело, но главным образом на среду. Так, облучение делает смазочные масла коррозионно-активными. Чрезвычайно важно различать случаи предварительного и одновременного действия среды и поля; в последнем случае их влияние обычно сильнее.

Влияние среды и поля носит временной характер и является структурно-чувствительным фактором. Только адсорбционное влияние требует относительно малого времени, тогда как все другие виды влияния в значительной мере зависят от длительности процесса.

Воздействие сред может вызывать обратимое или необратимое изменение свойств материалов. Лучше всего это влияние изучено на конструкционных метал- лах. При обратимом влиянии удаление среды восстанавливает исходные механические свойства материала, при необратимом — не восстанавливает.

Влияние среды начинается со смачивания (адсорбции) поверхности активными компонентами среды — это влияние первично и универсально. Далее может развиваться химическое или электрохимическое взаимодействие материала и среды: среда может образовывать с металлами новые системы внедрения и замещения, материал может набухать и растворяться, может происходить его деструкция, эрозионное и кавитационное поражение и т. п. Часто контролирующим факто> ром влияния среды является диффузия; большое значение имеет температура, давление и скорость среды.

По влиянию на механические свойства материалов среды можно классифицировать следующим образом [17]: неактивные среды — спектрально чистые инертные газы (аргон, гелий и т. и.), поверхностно-активные вещества (ПАВ), обычно химически неактивные или слабо активные (растворы ПАВ в углеводородах). Эти среды влияют на механические свойства через адсорбцию;

коррозионно-агрессивные среды, к которым относятся некоторые газы, вода, электролиты, расплавы

солей и т. п. Они вызывают химическую или электрохимическую коррозию;

среды, абсорбирующиеся объемом материала и этим изменяющие его механические свойства (например, водород), растворяющие материал, образующие твердые растворы с материалом (к ним относятся некоторые жидкие металлы, углерод, азот и др.1). Возникновение твердых растворов может привести к увеличению прочности и долговечности;

среды, образующие с конструкционным металлом новые химические соединения (к ним относятся некоторые жидкие металлы и химические вещества);

среды, влияющие на конструкционный материал радиационно, механически (кавитационно и эрозионно).

Особое универсальное и первичное свойство сред —— это, как уже говорилось, адсорбционное влияние. Далее необходимо выделить влияние водорода, так как оно часто входит в другие виды влияния, предопределяя его значение (например, сульфидная и щелочная хрупкость и т. п.).

ХАРАКТЕРНЫЕ ВИДЫ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Во введении уже говорилось об универсальности и первичности адсорбционного влияния среды на физикомеханические свойства материалов. Дадим характеристику этого вида влияния, опишем его типичные проявления (расплавы металлов) и теоретическое объяснение (эффект Ребиндера), а также новые представления о физико-химической механике материалов, первоначально базировавшиеся только на понятиях адсорбционного влияния.

Поскольку водород занимает особое место среди тех сред, которые влияют на физико-механические свойства материалов, дадим краткое описание существующих представлений о водороде в металлах.

Под влиянием адсорбции на поверхности твердых тел наблюдаются эффекты облегчения их пластическо-

Го течения и понижения прочности. Адсорбционное влияние ——явление универсальное и первичное, так как всякая среда (адсорбат) сначала адсорбируется на поверхности адсорбента, а затем уже может вступать с адсорбентом в химическое соединение, образовывать твердые растворы, растворять его и т. п.

Под адсорбцией понимают сгущение адсорбата на поверхности адсорбента; первый может быть газом и жидкостью, а второй — только веществом в конденсированном состоянии. Адсорбция требует весьма малого времени, тогда как абсорбция — проникновение внешней фазы внутрь твердого тела, связанное с диффузией, —требует значительно большего времени.

Адсорбция обычно реализуется в двойном электрическом слое и в значительной мере зависит от его характеристик. Адсорбция неионогенных ПАВ, т. е. веществ, не диссоциирующих на ионы, осуществляется за счет сил Ван-дер-Ваальса; при применении ионогенных ПАВ (диссоциирующих в растворе на ионы) основным фактором, определяющим адсорбцию, являются электростатические силы, обусловливающие притяжение или отталкивание органического иона к заряженной поверхности адсорбента. Наконец, существует так называемая специфическая адсорбция, осуществляющаяся путем химической связи адсор бтива с адсорбентом. Наличие электрического поля адсорбирующей поверхности существенно изменяет величину работы адсорбции, так что все адсорбционные явления тесно переплетаются.

Основным отличием адсорбции, обусловленной действием химических сил (химической адсорбции), является обычно ее необратимость и то, что она требует для своего течения большего времени, чем физическая адсорбция. Вещество, химически адсорбированное на поверхности, можно удалить при разрушении этой поверхности, в то время как при физической адсорбции удаление значительной части адсорбционного вещества может быть достигнуто в результате изменения потенциала поверхности, повышения температуры среды или длительного отмывания в активных растворителях. С повышением температуры адсорбция, носящая химический характер, возрастает, а адсорбция физического происхождения — падает. Химические адсорбционные

силы действуют на весьма малые расстояния, поэтому при химической адсорбции образуются обычно моно- молекулярные адсорбционные пленки, тогда как при физической адсорбции, которая обычно носит полимо- лекулярный характер, адсорбционные слои нередко переходят в сольватные. Энергия активации химической адсорбции значительно выше, чем физической. Между физической и химической адсорбциями располагается ряд переходных видов адсорбции, причем общим для них является большее или меньшее влияние на механические свойства твердого тела; хемосорбция обычно сильнее, чем физическая адсорбция, снижает поверхностную энергию, а стало быть и прочность твердого тела.

Адсорбция органических (ионогенных) ПАВ на металлах определяется в значительной степени зарядом поверхности металла. Неионогенные ПАВ адсорбируются при зарядах поверхности, близких к нулю (точка нулевого заряда), органические анионы и катионы —— соответственно при положительных и отрицательных зарядах. С увеличением заряда адсорбция ионогенных ПАВ возрастает до известного предела, после которого уже резко наступает десорбция. Причина десорбции заключается в том, что усиливающееся электрическое поле двойного слоя как бы выталкивает с поверхности металла элементы адсорбата с меньшей диэлектрической постоянной. Качественно этот эффект связан с заменой прослойки из органических элементов прослойкой из молекул воды, у которой диэлектрическая постоянная заметно больше. Эффект десорбции ПАВ с металла при больших наложенных потенциалах используется в промышленности для очистки металлических изделий от загрязнения.

Одним из видов химической связи при адсорбции органических ПАВ на металлах из электролитов является так называемое л -электронное взаимодействие, которое сводится к взаимодействию д-электронов молекулы ПАВ с незаполненными внешними электронными уровнями атомов решетки металлов.

Адсорбционное влияние на механические свойства твердого тела связано прежде всего со снижением уровня поверхностной энергии последнего, что облегчает (у кристаллических тел) выход и разрядку на

поверхности дислокаций. Эти места, которые называются «ямки травления», обладают повышенным уровнем энергии.

Снижение поверхностной энергии термодинамически обусловливает адсорбционную миграцию элементов адсорбата по поверхности адсорбента и проникновение его во многие дефекты поверхности типа щелей и их расклинивания. Эти элементы (атомы, молекулы или ионы) в процессе разрушения твердого тела проникают в зону предразрушения и включаются во взаимодействие с атомами (молекулами) твердого тела в момент разрыва или перестройки их связей у конца трещины, облегчая протекание процесса разрушения.

Связь между поверхностной энергией и прочностью (т. е. между эффективной поверхностной энергией) ?зе и усилием Рк (необходимым для роста трещины при хрупком разрушении) в трактовке Г. Гриффитса выра~ жается как Рк— ]/ 斗令虬,где Е — модуль Юнга; / —— длина трещины (дефекта).

Адсорбционное влияние необходимо учитывать при решении следующих инженерных задач: облегчении и улучшении процессов обработки давлением, резанием, тонким измельчением и т. п.; получении новых твердых тел с наперед заданными свойствами путем изменения их дисперсности; выявлении тех из существующих твердых тел, которые наиболее стойки к адсорбционному влиянию среды [17, 66].

Наиболее характерной средой, адсорбциопно влияющей на физико-механические свойства твердых тел, являются расплавы металлов. Расплавы металлов (легкоплавких) употребляются как теплоносители в реактивных двигателях и энергетических установках, при паянии и сваривании, при нанесении защитных метал- лических покрытий, в производстве металлокерамических изделий, при добыче благородных металлов из руд и т. п. Их влияние на физико-механические свойства твердых металлов связано с адсорбцией, а затем с растворением твердого металла жидким, образованием химических соединений или внедрением жидкого металла в твердый, образованием систем внедрения или замещения. В последних двух случаях возможно обра-

зование нового материала с механическими свойствами, отличными от свойств исходного металла.

Расплавы металлов вызывают растворение твердого металла, т. е. переход атомов твердого металла в жидкий. Растворение обусловлено разницей термодинамических потенциалов твердого и жидкого металлов. В процессе растворения эта разница постепенно уменьшается и исчезает совсем, в связи с чем скорость растворения падает до нуля.

Часто наблюдается межкристаллитное разрушение твердого металла под влиянием жидкого в связи с тем, что многие твердые металлы имеют более активное межзеренное вещество, чем матрица. То же наблюдается в некоторых сплавах, отдельные компоненты которых имеют высокую активность.

Расплав металлов обычно вызывает хрупкость твердых металлов, связанную с адсорбцией расплавов на поверхности твердого и, соответственно этому, со снижением поверхностной энергии. При этом необходимо учитывать малые размеры атомов расплавов и легкую возможность их проникновения внутрь твердого металла по дефектам, а также адсорбцию на поверхностях этих дефектов.

В тех случаях, когда присутствие расплава вызывает резкое понижение прочности твердого металла, соответствующая бинарная диаграмма принадлежит обычно к простому эвтектическому типу без каких-либо интерметаллических фаз и показывает, как правило, узкую область растворимости жидкого металла в основном металле при температуре плавления эвтектики [17, 48, 60, 70].

Объяснение адсорбционного влияния среды впервые дал советский ученый П. А. Ребиндер в 1928 г. [64]. Это явление, названное эффектом Ребиндера, заключается в адсорбционном понижении прочности и облегчении деформации твердого тела под влиянием адсорбции на его поверхности поверхностно-активных компонентов среды. Этот эффект является основой физико-химической механики материалов.

Вначале под эффектом Ребиндера понимали снижение прочности и облегчение деформации при снижении уровня поверхностной энергии вследствие обратимой физической адсорбции, теперь это представление рас-

ширилось и считается, что эффект Ребиндера обусловливается любыми факторами, приводящими к снижению уровня поверхностной энергии, к которым относятся все виды адсорбции (как физической, так и химической), а также поляризация поверхности тела. Эффект Ребиндера наблюдается у всех твердых тел, аморфных и кристаллических, с различной связью (металлической, ковалентной и молекулярной).

Различают [17] «внешний» и «внутренний» эффекты Ребиндера. Внешний вызывается адсорбцией на внешней поверхности деформированного материала или внутри его на поверхностях развитых дефектов. Благодаря снижению энергетического барьера это вызывает облегчение выхода на поверхность и разрядки там дислокаций, что приводит к пластификации материала, снижению предела текучести сгт и коэффициента упрочнения X, увеличению числа пачек скольжения г и измельчению их размеров у монокристаллов (рис. 1).

Внутренний эффект возникает при проникновении активных компонентов среды внутрь металла и образовании из них «облаков Котрелла», которые блокируют дислокации, охрупчивая металл. Этому содействует продвижение путем нерегулярной диффузии активных компонентов среды к вершинам зарождающихся трещин, что вызывает разрыхление в этом месте решетки в связи с ее хемактивацией г(од влиянием концентрации деформации в «зонах предразрушения》； при их наличии эффект Ребиндера наблюдается в усиленном виде. Термин «зона предразрушения» введен Ребиндером [43] и обозначает зону материала, разрыхленную деформацией, ослабившей связи в решетке и приведшей к образованию множества сдвигов, скопления дислокаций и даже возникновению субмикротрещин.

Внешний эффект Ребиндера имеет решающее значение при технологических процессах, облегчая протяжку, штамповку, вальцовку и т. п. Внутренний эффект Ребиндера приходится учитывать в связи с понижением прочности и долговечности материалов. Эффект Ребиндера способствует упрочнению материала при его наклепе, что используется на практике.

Эффект Ребиндера проявляется при определенных свойствах среды (ее активности, температуре, давлении, скорости), материала (химических, механических.

многие среды, не вызываю-многие среды, не вызываю-С%С%Рис 1 Кривые зависимости основных структурных и механических характеристик монокристалла олова от концентр ацив олеиновой кислоты в вазелиновом маслеРис 1 Кривые зависимости основных структурных и механических характеристик монокристалла олова от концентр ацив олеиновой кислоты в вазелиновом маслеструктурных, дефектностных и т. п。, видах нагружения (величине и градиенте напряжения, скорости деформации и т. п.). При наличии хорошо развитой дефектности типа трещин щие эффект Ребиндера у бездефектного твердого тела, начинают вызывать этот эффект, причем в таком случае его вызывают даже некоторые газообразные среды [26]. Отклонения от перечисленных оптимальных условий препятствуют проявлению эффекта Ребин- дера.

многие среды, не вызываю-

многие среды, не вызываю-

С%

С%

Рис 1 Кривые зависимости основных структурных и механических характеристик монокристалла олова от концентр ацив олеиновой кислоты в вазелиновом масле

Рис 1 Кривые зависимости основных структурных и механических характеристик монокристалла олова от концентр ацив олеиновой кислоты в вазелиновом масле

Эффект Ребиндера широко используется как наукой, так и практикой. Он позволил объяснить многие явления трения и изнашивания, фреттинг- коррозии, разрушения в средах; открыл возможности для создания ма~ териалов с наперед заданными свойствами. На его основе разработаны новые технологические процессы протяжки, штамповки и вальцовки, диспергирования твердого тела, составы технологических жидкостей, используемых при резании и штамповке и т. п.

Как уже говорилось, проблема водорода в металлах и влияние его на физико-механические свойства последних является часто общей проблемой влияния сред. Проблема《водород 〃 металлы^ состоит из трех частей: поглощение металлом (окклюзия) водорода, проницаемость водорода через металл, влияние водорода на свойства металла.

Все металлы окклюдируют водород из электролитов, газовой среды, при трибохимических процессах и т. п. Проникновение водорода в металл начинается с его

адсорбции на поверхности, далее процесс окклюзии определяется диффузией. Из электролитов происходит адсорбция ионов водорода (вернее гидратированных ионов); из газовой фазы адсорбируют как ионы, так и атомы. В ионизированном состоянии водород легко диффундирует в металл (в виде положительных ионов- протонов либо отрицательных Н~), в атомарном состоянии —только тогда, когда у металла расстояние между положительными ионами в решетке больше эффективного диаметра атома водорода. Металлы а・*е- лезо, алюминий, свинец, палладий, иридий, платина, молибден, тантал, вольфрам, цирконий, бериллий, титан, рений, осмий позволяют такую диффузию, а металлы калий, рубидий, цезий, барий, хром, медь, серебро, золото, литий, натрий оказывают стерическое препятствие диффузии, и она затруднена. Водород в молекулярном состоянии регулярной диффузии проникать в металл не может.

Кроме регулярной диффузии, водород в любом состоянии может проникать внутрь металла через дефекты, а иногда по границам зерен. Регулярная диффузия усиливается с повышением температуры и увеличением искаженности решетки; нерегулярная — зависит от загрязненности металла и протяженности границ зерен. Оба вида диффузии определяются градиентами полей плотности и концентрации.

Водород может находиться в металле, образуя твердые растворы «нового» типа, сегрегироваться в несовершенствах решетки (типа микропустот), вступать в химическое соединение с основным металлом либо с его примесями.

К металлическим гидридам относятся гидриды лантаноидов и актиноидов. Могут возникать гидриды углерода, бора, бериллия, галлия.

В дефекты типа микропустот диффундирует как ионизированный, так и атомарный водород, где он мо- лизируется, причем эта диффузия идет с нулевой концентрацией в микропустотах. По этой причине там повышаются концентрация н давление молекулярного водорода и он превалирует в металле. Часть водорода в ионном состоянии находится в междоузлиях решетки, создавая «протонный газ》， легко «перемещающийся в металле, хотя протоны частично экранированы элек-

тронами. Предполагают, что экран перемещается вместе с движущимися протонами. Так обстоит дело с железом и его сплавами; в щелочноземельных металлах водород ионизирован до отрицательного иона.

Водород, связанный в металле в виде гидридов, может иметь ионную, металлическую и ковалентную связь с гидрообразующими компонентами в металле. Обычно гидриды, хрупкие, рыхлые, порошкообразной консистенции, занимают больший объем, чем исходный металл, вследствие чего около них создается объемнонапряженное состояние в решетке. Объем гидридов превышает исходный на 10——20%. Кристаллические структуры гидридов, как правило, просты, прочность гидридов низкая.

Проницаемость металла водородом зависит от его растворимости и диффузии. Механическое напряжение усиливает проницаемость; в упругой зоне наблюдается линейная зависимость между проницаемостью и напряжением, в пластической зоне эта зависимость нарушается и проницаемость растет быстрее, чем напряжение. Зависимость проницаемости от напряжения проявляется тем сильнее, чем менее пластично состояние металла.

Чистота (рельеф) поверхности металла не влияет на проникновение в него водорода< Характер загрязненности поверхности влияет на проницаемость. При загрязненности неметаллическими включениями чем больше загрязненность, тем выше проницаемость. Размер зерен у загрязненных металлов влияет на проницаемость, а у чистых — не влияет, и она такая же> как у монокристаллов. Влияние водорода на механические свойства металла будет рассмотрено ниже.

В процессе трения при смазке консистентными смазками приповерхностный слой металла, особенно стали, наводороживается. Консистентные смазки часто содержат фосфорорганические и сероорганические добавки (RF и RS), способствующие окклюзии водорода внутрь металла, причем сложнонапряженное состояние приповерхностного слоя действует в том же направлении.

Исходя из адсорбционного влияния и влияния водорода на металл имеем предпосылку к рассмотрению позиций физико-химической механики материалов; на-

правления, изучающего влияние сред на прочность и долговечность материалов, механические свойства материалов в процессе их эксплуатации, т. е. при одновременном действии на материал поля (главным образом, поля напряжения) и среды, часто находящейся в условиях высоких температур и давлений и имеющей различные скорости движения. В задачи физико-химической механики материалов входит установление механических свойств существующих материалов в условиях действия поля и среды, обработки и защиты материалов от неблагоприятного влияния среды, а также создания новых материалов с наперед заданными свойствами.

Среды, как уже говорилось, прежде всего влияют на механические свойства материалов через адсорбцию, затем путем изменения свойств материалов при химических или электрохимических процессах, а также растворения и набухания материала в среде. У кристаллических материалов возможно образование новых свойств материалов при внедрении компонентов среды в решетку и получение новых систем внедрения или замещения и т. п. Все эти явления протекают с различной интенсивностью, в зависимости от активации материала и среды при воздействии поля (например, при деформации, нагреве, облучении и т. п.).

Существуют два представления, на которых базируется физико-химическая механика материалов. Согласно первому, наиболее распространенному и старому, ее базой является влияние эффекта Ребиндера при физической адсорбции молекул на поверхности, тогда как второе представление, кроме физической адсорбции молекул, рассматривает еще и хемосорбцию атомов и ионов (например, водородных), при которой наблюдается наибольшее снижение поверхностной энергии и разрыхление решетки.

Оба представления о физико-химической механике материалов подтверждают, что эффект Ребиндера первичен и универсален, так как всякая среда, смачиваю- щая твердое тело, адсорбируется на его поверхности, однако второе представление учитывает еще происходящие вслед за адсорбцией явления химического, физического и электрохимического воздействия среды на твердое тело.

Согласно второму предстайлению о физико-химиЧеС- ской механике материалов особенно неблагоприятно ■влияние среды на прочность и долговечность твердых тел гетерогенного характера, когда под действием среды в отдельных местах образуется новое твердое тело с иными, чем у исходного, физико-механическими свойствами. Возникновение трещин, каверн и тому подобных концентраторов напряжения в результате действия ноля, растворения или электрохимической коррозии -сильно изменяет физико-механические свойства твердых тел и протекание эффекта Ребиндера.

Физико-химическая механика материалов ——научное направление, лежащее на границе механики, материаловедения, физики твердого тела, физической химии и ряда других наук, в том числе наук о технологии. В СССР опубликовано больше всего исследований по физико-химической механике материалов [17, 24, 42, 43], причем преобладающее количество исследований касается металлов.

ПРОЧНОСТЬ

Прочность — это способность твердых тел сопротивляться разрушению до определенного, зависящего от многих факторов напряжения ——предела прочности. Прочность зависит от свойств (химического состава, структуры) твердого тела, от состояния поля (силового, теплового, электромагнитного, радиационного и т. п„), а также от среды и ее состояния (температуры, давления и скорости движения). Прочность в основном контролируют величина и скорость изменения напряжения, вид деформации и характер напряженного состояния. Различают прочность кратковременную, когда разрушение развивается в малый промежуток времени, и прочность длительную, последняя при статических нагрузках иногда называется статической усталостью, при циклических нагрузках — усталостью (см. стр. 78), при повышенных температурах 一 ползучестью и т. п.

У кристаллических твердых тел наблюдается анизотропия прочностных свойств в различных направлениях кристалла; в поликристаллических телах анизотропия уменьшается благодаря множеству хаотично расположенных кристалликов. Прочность поликристаллических

16

2—3723

17

тел —— структурно-чувствительный фактор (зависит от размеров кристалликов, их ориентации, включений, текстуры и т. п.).

Аморфные твердые тела также структурно-чувствительны. Их прочность может быть увеличена в десятки и сотни раз направленностью (ориентированностью) нитей и пленок по отношению к силовому потоку и подавлению дефектов.

Лучше всего изучена прочность кристаллических твердых тел. Их разрушение происходит по двум схемам: в первой разрушение связано с разрывом атомных связей по плоскости, перпендикулярной к силовому потоку, во второй — разрывом в плоскости действия силового потока. Первый тип разрушения называется отрывом, второй — сдвигом. Теоретически подсчитано» что прочность отрыва равна 5000—30 000 Мн)/^, а прочность сдвига — 2000—12 000 Мн/%% что объясняется наличием в реальном металле дефектов субмикроскопических и макроскопических размеров 口 7].

Разрушение может происходить тремя путями (рис. 2), но оно всегда заканчивается образованием и подрастанием трещины вплоть до разрушения, при котором обязательно наблюдаются элементы субмикро- пластической деформации; образование субмикротрещин носит дислокационный характер. Четыре модели этого образования представлены на рис. 3. Рис. 3, а поясняет первую модель: дислокации в плоскости скольжения сосредотачиваются перед препятствием, если они преодолеют его, то вызовут лавину сдвигов, если нет, — то слившись, они образуют один дефект — клинообразную полость, перпендикулярную к плоскости скольжения, из которой образуется трещина. Роль препятствия могут играть границы зерен, субзерен, включения, сидячие дислокации и т. п. Рис. 3, б иллюстрирует другую модель, по которой трещина возникает в соседнем зерне под углом 70° к линии скольжения. Для металлов с ОЦК решеткой трещины образуются дислокациями, которые перемещаются в пересекающихся плоскостях скольжения; трещины возникают в площадях, нормальных к максимальным растягивающим напряжениям (рис. 3,8). На рис. 3, г показан механизм образования трещины при пересечении деформационного двойника другими двойниками (69].

Распространено представление о хрупком и вязком разрушении. Первое наступает без существенной предварительной деформации и осуществляете^ нормальными напряжениями; второе сопровождается зна-

///

Рис 2. Схема деформации по ASTM:

/ — нагружение растяжением; II — нагружение сдвигом (плоская деформация), III ——нагружение сдвигом (антиплоская деформация)

чительной предварительной деформацией, за которую ответственны касательные напряжения. Хрупкое разрушение связано с малой работой и обычно не требует значительных затрат энергии [17].

Прочность зависит от состояния тонкого приповерхностного слоя, в котором обычно зарождаются трещины и который первым воспринимает воздействие среды. В этом слое задерживаются дислокации перед их выходом (разрядкой) на поверхности. Среда, адсорбирую- гцаясн на поверхности, снижает поверхностную энергию, нем облегчает разрядку дислокаций, но есть предположение, что она может также разблокировывать дислокации в тонком приповерхностном слое.

Прочность углеродистых сталей при закалке увели* чивается с возрастанием "содержания углерода, что приводит к образованию пересыщенных твердых раство- Ров углерода в железе, препятствующих движению дислокаций, но облегчающих образование трещин. V таких сталей образованию трещин могут способство- ватв включения мягкой фазы, например, остаточного аустеннта, которые в этом случае рассматриваются как подрастающие пустоты (трещины).

Прочность мягких сталей (С<0,2%) слабо зависит от содержания перлита, а контролируется размером ферритных зерен, что объясняется неспособностью перлита у этих сталей образовывать《корсет》в металле.

л — по Зинеру； б — по Стро; 6 ~ по Котреллу; а — по Холлу.л — по Зинеру； б — по Стро; 6 ~ по Котреллу; а — по Холлу.Рис. 3. Схема механизма образования микротрещин:Рис. 3. Схема механизма образования микротрещин:Для сталей с содержанием углерода свыше 0,3% влияние перлита увеличивается, однако ферритные зерна во всем диапазоне доэвтектоидных сталей (С^0,8%) остаются контролирующим прочность фактором, так как они составляют одну непрерывную фазу, выделяющуюся по границам бывших аустенитных зерен, тогда как перлит группируется внутри этих зерен. В эвтектоидных сталях зарождение трещин контролируется уже межкарбидным расстоянием в перлите. Размер зерна у металлов влияет на прочность, она оценивается величиной сопротивления отрыву Sotp= =翻弘 где d — размер зерна (эта зависимость

л — по Зинеру； б — по Стро; 6 ~ по Котреллу; а — по Холлу.

л — по Зинеру； б — по Стро; 6 ~ по Котреллу; а — по Холлу.

Рис. 3. Схема механизма образования микротрещин:

Рис. 3. Схема механизма образования микротрещин:

приближенная, и существует много поправок к этой формуле). Наука о прочности имеет хорошо разработанную теорию для случая нагружений в области упру- гости и при предположении о континууме твердого тела, т. е. о его однородности, изотропности, сплошности и отсутствии напряжений до нагружений. Однако эти допущения не дают возможности объяснить влияние среды и т. п. (критика этих допущений дана в [17]).

В настоящее время вопросы прочности изучают, главным образом исходя из теории дислокаций [14, 77], которая, в частности, помогает понять явления, связанные с влиянием среды на физико-механические свойства металлов [43].

Понижение прочности (хрупкое разрушение или растрескивание!) связано с дефектностью металла (чаще всего с наличием трещин) и действием среды. Это понижение может происходить как в упругой, так и упруго-пластической зоне. Раньше оно наблюдалось в основном у хрупких материалов, но в последнее время

стало встречаться в стальных конструкциях (судах, емкостях, трубопроводах и т. п.1) при толщинах металла более 20 мм. Объясняется это увеличением технологических трудностей получения качественного металла и его сварки при больших объемах металла.

Изучает прочность при наличии дефектности в виде трещин линейная механика разрушения, начало которой положили известные энергетические представления Гриффитса, связывающие критические размеры трещины с напряжением и поверхностной энергией. Дальнейшее развитие механики разрушения дало возможность связать разрушающее напряжение с размерами трещины через критерии Кс и KiJ, получаемые опытным путем на специальных образцах с трещинами (51, 61].

Условия разрушения при пластической нестабильности зависят от сопротивления развитию трещины и контролируются свойствами материала. Разрушения же при весьма малых упругих деформациях объясняются линейной механикой разрушения, основанной на предположении об исчезающе малом размере зоны пластической деформации около конца развивающейся трещины и использовании критерия Ли — сопротивления развитию трещины, определенного опытным путем. Разрушение в условиях общей текучести характеризуется квазихрупким изломом. Такие разрушения наиболее распространенные. В этом случае используется критерий раскрытия устья развивающейся трещины бс. Схематическое представление действия механики разрушения дает рис. 4 [4].

Кроме этих физических представлений о прочности на практике пользуются понятием технической прочности, которое способствует выбору металла для изделия. Оно характеризует способность металла сопротивляться разрушению и образованию остаточных (пластических) деформаций. Техническая прочность металлов зависит от способов получения металла (литье, прокатка, волочение, поковка) металлургической и технологической наследственности, а при циклическом нагружении ―■ от формы и размеров изделия.

〔Кс н Кс — критическое значение интенсивности напряжений в момент начала роста трещины (соответственно для плоскодефор- мированного н плосконапряженного состояния).

Рис. 4. Схематическое представление о воз- можности использования линейной механики разрушения для оценки материалов и склонности к развитию трещины До точки А используется критерий Kic, от Л до В — критерий критического раскрытия трещины 6с, за точкой В наблюдается пластический срез* / — область упругих разрушений, 2 — область плас тических разрушений, 3 — область подрастания трещины.Рис. 4. Схематическое представление о воз- можности использования линейной механики разрушения для оценки материалов и склонности к развитию трещины До точки А используется критерий Kic, от Л до В — критерий критического раскрытия трещины 6с, за точкой В наблюдается пластический срез* / — область упругих разрушений, 2 — область плас тических разрушений, 3 — область подрастания трещины.По техническим условиям на приемку——сдачу металла его прочность характеризуется пределом прочности Ов, М〃/%2, и пределом текучести <гт, Мн/м^, а пластичность относительным удлинением б, % и относительным поперечным сужением *ф, %, определенными в воздухе лабораторного помещения при простом одноосном растяжении кратковременно действующими статическими силами. Величины (Тв сгт, б, ф являются механическими характеристиками металла, и по ним судят

Рис. 4. Схематическое представление о воз- можности использования линейной механики разрушения для оценки материалов и склонности к развитию трещины До точки А используется критерий Kic, от Л до В — критерий критического раскрытия трещины 6с, за точкой В наблюдается пластический срез* / — область упругих разрушений, 2 — область плас тических разрушений, 3 — область подрастания трещины.

Рис. 4. Схематическое представление о воз- можности использования линейной механики разрушения для оценки материалов и склонности к развитию трещины До точки А используется критерий Kic, от Л до В — критерий критического раскрытия трещины 6с, за точкой В наблюдается пластический срез* / — область упругих разрушений, 2 — область плас тических разрушений, 3 — область подрастания трещины.

о прочности и пластичности, а гакже выбирают соответствующий сорт металла для создания деталей машин и сооружений. В большинстве случаев остаточные пластические деформации недопустимы, поэтому допускаемое расчетное напряжение должно быть меньше предела текучести. Для сталей это напряжение выбирается как часть предела текучести, а для более хрупких металлов (например, чугу-

на) — как часть пределаДля получения единыхнего изготовляютна) — как часть пределаДля получения единыхнего изготовляютпрочности.

на) — как часть пределаДля получения единых

него изготовляют

на) — как часть пределаДля получения единых

него изготовляют

механических характеристик металла из него изготовляют стандартные образцы круглого или прямоугольного сечения, причем сравнимые результаты получаются только у геометрически подобных образцов. Форма сечения образца не влияет на механические характеристики стали. В случае, если длина образца превосходит его диаметр в 5 или 10 раз, образцы называются нормальными (пяти- или десятикратными). Однако применяются образцы с другими соотношениями размеров, но в этих случаях желательно придерживаться ГОСТ 1497—42.

тические свойства металла.тические свойства металла.Техническую прочность металлов характеризуют также твердость поверхности и испытания на перегиб и закручивание; последнее хорошо характеризует плас-

тические свойства металла.

тические свойства металла.

Пригодность материала для деталей машин, механизмов и сооружений не всегда можно определять только по одним данным технической прочности. Возникает необходимость исследования 0нзнко・механръ ческих свойств материалов на протяжении их эксплуатации, т. е. определения их стабильности в это время L

В материалах изделий уже при незначительных уровнях нагружения и даже при отсутствии последнего могут происходить процессы, влияние которых на характеристики материалов, контролируемые механическими методами, не является монотонным. Кривые зависимости свойств материалов от величины напряжений предварительных нагружений, например, в условиях ползучести можно в некотором приближении аппроксимировать ломаными линиями, состоящими из трех участков： горизонтального участка стабильных свойств, участка их интенсивного изменения и участка, соответствующего условиям предразрушения.

Напряжения, соответствующие первому излому кривых, являются критическими. При нагружении до этих критических напряжений свойства материалов почти не изменяются, а в случае превышения указанных напряжений наблюдается интенсивное изменение свойств материалов. Уровень критических напряжений может быть даже меньше половины предела длительной прочности.

На графиках взаимной зависимости критических напряжений и времени нагружения имеются две зоны —— зона стабильности свойств материалов и зона интен- сивного их изменения. Кривую, разделяющую эти две зоны, можно назвать границей стабильности данных свойств. Критические напряжения являются дополнительной характеристикой конструкционных материалов (новый критерий оценки их прочностных свойств, особенно полезный при необходимости обеспечения повышенной надежности работы изделий).

Проблема стабильности физико-механических свойств материалов ——критерия их эксплуатационной надежности — одна из новых проблем физико-химической механики материалов. Естественно, что изделия,

Материал об исследовании стабильности механических свойств металлов во время их эксплуатации написан Г Г. Максимовичем

рассчитанные для работы в границах стабильности свойств материалов, будут обеспечивать большую эксплуатационную надежность [44, 45].

Когда действие агрессивной среды предопределяет долговечность материала, используют научное направление, изучающее химическое сопротивление материа-

аа

а

а

Рис 5 Виды деформации

а 一 упругая, б — вязкая, в — пластическая

лов. Воздействие сред выводит материал изделия из эксплуатации, вызывая либо его избирательное растворение, либо растрескивание, либо химическое соединение среды с ним. Отмечено, что гомогенные материалы, имеющие низкую термодинамическую активность, химически более прочны, чем гетерогенные, имеющие различные напряжения на поверхности и в глубине.

Разрушение твердого тела происходит после его деформации (микродеформации). Деформация ——это изменение формы и размеров твердого тела как кристаллического, так и аморфного строения. Деформация может быть упругой, вязкой и пластической (рис. 5(47]). Эти деформации могут происходить одновременно; особый интерес представляют случаи, когда полная деформация включает в себя упругую. Деформации бывают следующих простых видов: растяжение — сжатие, изгиб, кручение.

Конструкционные металлы в большинстве случаев состоят из множества зерен, объединенных в блоки, обладающих отличными друг от друга механическими свойствами; они могут деформироваться указанными на

рис. 5 путями [47]. Для зерен распространены главным образом упругая, упруго-пластическая и пластическая деформации, и для межзеренного вещества ——вязкая. Многочисленность зерен и блоков, по-разному ориентированных по отношению к действующему силовому потоку, создает для всего деформируемого тела некую статистическую возможность дефор мироваться либо упруго, либо пластически, либо упруго-пластически.

При высоких скоростях упругой деформации большинство сред (кроме водородной) не оказывают влияния на механические свойства твердого тела. При низких скоростях деформации все среды влияют на них; это влияние особенно заметно в зоне упруго-пластической деформации. При пластической деформации поверхностно-активные среды способствуют пластификации материала, а агрессивные, наоборот, — его охрупчиванию.

Теоретически при упругой деформации должна наблюдаться пропорциональность между напряжением и деформацией, т. е. после снятия напряжения твердое тело должно возвратиться в недеформированное состояние (восстановить свои размеры), однако этого не наблюдается, так как тело после упругой деформации и разгрузки принимает свою первоначальную форму и размеры не сразу, а лишь асимптотически, через длительное время (иногда месяцы；). Это явление называется неупругостью, сильно зависящей от среды; в поверхно* стно-активной среде наблюдается последействие, называемое адсорбционным. Для олова в неактивной среде после снятия растягивающей нагрузки наблюдали в течение 1,5 ч [17] постепенное сокращение длины образца на 0,03%, а в поверхностно-активной ——в течение 6——7 ч, на 0,1——0,15%. Адсорбционное последействие отлично от обычного: оно выражается не малыми долями полной величины упругой деформации, а постепенным и значительным нарастанием деформации при нагружении и постепенным же снижением ее после разгрузки. Последействие зависит от внутреннего трения (вязкости) и гистерезиса.

В некоторых условиях упругая деформация вызывает нарушение теплового равновесия твердого тела (например, при изгибе пластины растянутые волокна охлаждаются, сжатые — нагреваются), последующее вырав-

ъивание температуры сопровождается необратимым переходом в тепло части упругой энергии: это так называемый термоупругий эффект, ответственный за затухание свободных изгибных колебаний.

Последействие, термоупругий эффект, гистерезис и вязкость относятся к релаксационным процессам, связанным со стремлением твердого тела занять положение с минимумом энергии, при этом решетка выпрямляется, инородные атомы, вакансии, дислокации занимают положение с минимумом энергии и т. п. Особенностью релаксационных процессов является их большая зависимость от температуры (с повышением температуры они ускоряются) и то, что вначале они протекают •быстро, а затем монотонно замедляются. Действие многих полей ускоряет релаксацию, а действие среды, наоборот, — замедляет.

Вязкость, или внутреннее трение,——это свойство оказывать сопротивление перемещению одной части тела по отношению к другой. У твердых тел вязкость —— это свойство необратимо превращать в теплоту механическую работу, возникшую при деформации. Рассеивание энергии объясняется направленными по отношению к действующим напряжениям диффузионными процессами иррегулярных атомов, «дырок》，дислокаций. Затухание колебаний, которое вызвано этими процессами, зависит от частоты и почти не зависит от амплитуды колебаний. Вязкость связана с неупругостью и пластической деформацией твердого тела [16, 17]. Методом измерения вязкости является изучение затуханий свободных колебаний и резонансных кривых для вынужденных колебаний.

Внутреннее трение при пластической деформации определяется квазивязким течением твердого тела, механизм внутреннего трения в этом случае отличается от механизма внутреннего трения в упругой зоне. Разницу в значениях вязкости при упругой и пластической деформации твердого тела составляет количество рассеянной энергии (вязкость при упругой деформации в пять—— семь раз меньше вязкости при пластической деформации).

Вязкость при пластической деформации монокристаллов и поликристаллов цинка, кадмия и свинца в 0,2 % -ном растворе олеиновой кислоты увеличивается

и затухание свободных крутильных колебаний монокристаллов цинка при нанесении 0,2%-ного раствора олеиновой кислоты растет в связи с проявлением пластифицирующего действия поверхностно-активной среды.

Обнаружено резкое возрастание внутреннего трения (до 1600%) на амальгированных поликристаллах цинка при больших амплитудах колебаний. Очень большое повышение внутреннего трения в результате действия жидкометаллических сред связано с адсорбцией их по границам зерен. Влияние расплавленных олова, свинца, висмута и ртути на внутреннее трение поликристалли- ческого цинка возрастает в следующей последовательности： свинец, висмут, олово, ртуть. По-видимому, это связано с возрастанием в той же последовательности активности этих металлов по отношению к цинку.

Зарегистрировано влияние поверхностно-активных веществ на декремент затухания; в их присутствии внутреннее трение усиливается и декремент затухания делается зависимым от амплитуды, что, видимо, объясняется адсорбционным последействием '{16].

Гистерезис, обусловливающий последействие, бывает упругим и пластическим. Первый характеризуется запаздыванием деформации в первые периоды нагружения и разгружения; второй, наоборот, отставанием напряжения от деформации, однако пластический гистерезис включает в себя эффекты упругого. Размеры пластического гистерезиса значительно превышают размеры упругого. Если упругий и пластический гистерезисы изображать графически, то получается петля хода нагрузки и разгрузки (рис. 6). Напряжение 6 вызывает петлю упругого гистерезиса, увеличение напряжения до 。2 дает петлю как упругого, так и пластического, а увеличение напряжения до пз приводит к преобладанию пластического гистерезиса.

Величина петли гистерезиса (упругого и пластического) характеризует собою энергию, которую поглощает металл в необратимой форме. Гистерезис является функцией диффузии, поэтому он зависит от времени, интенсивности и градиента поля, параметров решетки, эффективных размеров элементов среды и ее концентрации, наличия вакансий, дислокаций, развития границ зерен, загрязненности металла. При гистерезисе в процессе нагружения происходит диффузионное пере-

распределение инородных атомов и вакансии, на что сильное влияние оказывают дислокации, границы зерен, загрязненность металла, среда.

Переход от упругой к упруго-пластической зоне деформации характеризует зона текучести. Текучесть —

Рис. 6. Виды петель гистерезиса

а — упругий гистерезис; 6 — упругий-Ьпласгичесюгй гистерезис; 8 — пластический гистерезис.

это свойство металлов и сплавов деформироваться в упруго-пластической зоне с нарастающей пластической (т. е. остаточной) деформацией при превышении напряжений в металле определенной величины. На диаграммах растяжения наступление текучести часто фиксируется в виде площадки текучести, которая возникает при напряжениях, соответствующих пределу текучести 。丁 (рис. 7,а). У многих ОЦК металлов, содержащих наибольшее количество примесей (в частности, у малоуглеродистой стали), наступление текучести связано с об- разованием зуба текучести (рис. 7,6). Тогда при повышении напряжений вплоть до верхнего предела текучести а ® пластическая деформация весьма мала, затем наступает срыв напряжения до нижнего предела текучести а ； с последующим нарастанием пластической деформации без прироста напряжения. Однако [47] большинство поликристаллических металлов и сплавов

не обнаруживает резко выраженного предела текучести и у них после достижения предела пропорциональности Опц имеет место постепенное накопление пластической деформации в процессе деформационного упрочнения

(рис. 7,6). В таких случаях прибегают к определению условного предела текучести по величине заданной пластической деформации (обычно 0,2——0,3%).

Текучесть металлов и сплавов находит микроскопическое проявление в возникновении и р аспростр а нении на поверхности деформированных изделий полос Чернова — Людерса, возникающих преимущественно путем скольжения. Вместе с тем в ряде случаев возможно течение по механизму двойникования. Текучесть металлов имеет дислокационную природу и обусловливается разблокировкой дислокаций и их движением. Появление зуба текучести связано с закреплением дислокаций атомами примесей, диффундирующих к дислокациям, и последующим освобождением из этой блокирующей области.

Текучесть металлов является структурно-чувствительным свойством, зависящим как от типа структуры, так и от размера зерна. Для сравнительно чистых металлов уровень предела текучести зависит от величины зерна в соответствии с уравнением Холла—Петча:

£=Oo+4d-%,

где о。н 力一постоянные металла; d — средний размер зерна.

Текучесть существенно зависит от условий механического нагружения. С повышением температуры испытаний наблюдается тенденция к увеличению текучести. Подобным же образом влияет уменьшение скорости нагружения. Однако в ряде случаев могут наблюдаться исключения из этого правила, связанные с проявлением специфических феноменов охрупчивания (деформационного старения, хрупкости 475°, обратимой водородной хрупкости и т. п.). На текучесть металлов влияет характер напряженного состояния при нагружении. Весьма хрупкие в обычных условиях материалы (гранит, чугун, инструментальная, закаленная сталь) становятся пластичными и подверженными текучести при напряженных состояниях, возникающих при всестороннем сжатии. С переменой знака нагружения пластически деформированные металлы обнаруживают текучесть при напряжениях, более низких, чем предел текучести, в направлении предварительного нагружения (эффект Баушингера). 。

Практическое значение текучести чрезвычайно велико. Текучесть определяет способность металлов подвергаться процессам обработки давлением при формообразовании полуфабрикатов, а также конструкционных элементов и деталей машин. Для определения способности металлов к текучести при операциях холодной вытяжки в практике заводских лабораторий используется ряд способов типа технологической пробы на загиб, выдавливания, расплющивания и т. п.

Текучесть металла при работе конструкции в местах расположения дефектов и конструктивных концентраторов способствует перераспределению и релаксации напряжений. Локальная поверхностная текучесть металла при операциях поверхностного наклепа изделий способствует возникновению в системах остаточных напряжений, обеспечивающих повышение выносливости при циклических нагрузках. При работе ответственных деталей машин текучесть, как правило, недопустима и ее стараются избежать, ограничивая при расчетах допустимые напряжения пределом пропорциональности. К особым мерам предосторожности против текучести прибегают в изделиях пружинного назначения. К числу

вредных последствии текучести можно отнести также процессы деформационного старения, которые находят иногда проявление в изделиях, подвергнутых глубокой вытяжке.

КОРРОЗИЯ

Коррозионное поражение металла средой разрушает металл, полностью выводит из строя детали машин, механизмов и сооружений. Приблизительно 1/10 всего получаемого черного металла в год гибнет из-за коррозии.

Коррозия металлов — это процесс их разрушения, протекающий самопроизвольно при воздействии окружающей среды. Корродируют металлы, полученные из минералов и руд; металлы, встречающиеся в природе в чистом виде (золото, платина), коррозии практически не подвержены* Причина коррозии заключается в термодинамической неустойчивости подавляющего большинства металлов, т. е. в том, что для них переход из металлического состояния в соединение является естественным процессом, сопровождающимся уменьшением свободной энергии и совершающимся поэтому самопроизвольно.

Различают два механизма коррозии — химический н электрохимический. Первый наблюдается в случае взаимодействия металлов (или сплавов) со средой по механизму химических гетерогенных реакций, т. е. когда атом с находящимися в его сфере валентными электронами непосредственно взаимодействует с молекулой реагента. Примером химической коррозии является газовая коррозия, имеющая место при контакте металлов, например, с сернистым газом, сероводородом, углекислотой и другими газами, главным образом при повышенных температурах. Химическая коррозия наблюдается на соплах ракетных двигателей, на арматуре печей, лопатках газовых турбин, в процессе горячей обработки металлов и т. п.

Электрохимический механизм имеет место при взаимодействии металлов с электролитами. Электрохимическая коррозия ~ наиболее распространенный вид коррозионного разрушения.

В чистом виде газовая коррозия наблюдается под воздействием кислорода и атмосфер, содержащих серу, галогены и некоторые другие элементы. В первом случае процесс называется окислением, в остальных — соответственно сульфированием, галогенированием, карбонизацией и т. д. При высоких температурах атмосфера азота, а при высоких температурах и давлениях атмосфера водорода тоже вызывает газовую коррозию с образованием нитридов и гидридов. Газовая коррозия широко наблюдается в горячих атмосферах, содержащих СО, СО2, H2S, SO2, пары воды и др. На течение газовой коррозии большое влияние оказывает температура. Если щелочные и щелочноземельные металлы уже при комнатной температуре поддаются интенсивной газовой коррозии в атмосфере кислорода и галогенов, то для других металлов (железа, меди и др.) необходимо повышение температуры до 500—1000° С.

Газовая коррозия — это явление, когда на поверхности металла или сплава в результате их взаимодействия со средой появляется новое химическое соединение в виде слоя или выборочно, например, на отдельных компонентах сплава или по границам зерен.

Газовая коррозия начинается с хемосорбции атомов ■или ионов среды на поверхности металла. Слой нового химического соединения может увеличиваться двумя путями: в результате проникновения через слой компонентов среды и их взаимодействия с металлом на границе фаз металл — продукты реакции либо в результате проникновения через слой атомов соединения и их взаимодействия со средой на границе фаз продукты реакции ——среда. Слой нового химического соединения до определенной толщины (приблизительно до 1000 А) характеризуется появлением интерференционных цветов (цветов побежалости). Более толстые слои называются окалиной и приобретают цвет, соответствующий новому химическому соединению. Толщина слоя влияет на механизм взаимодействия среды и металла, поэтому отдельно рассматривают образование слоев, характеризуемых цветами побежалости, и ока- линообразования.

Строение окалины кристаллическое, причем ориентация решетки окалины в значительной мере определяется ориентацией решетки металла. Такое положение

наблюдается при окислении алюминия; окалина Fe2O на a-железе имеет первую атомную площадку решетки, похожую на аналогичные у железа. При окислении ■бария и никеля параметры решетки окислов и металла близки. Образование кристаллической решетки окалины аналогично образованию кристаллов при конденсации из газовой фазы и кристаллизации из растворов.

Чем меньше отличается параметр решетки окалины ст параметра решетки металла, тем плотнее слой окалины, которому навязывается тип решетки металла. Обычно стойкость этого слоя зависит от его упругих особенностей, а также от сил сцепления между окалиной и металлом. Если параметры решетки окалины и металла отличаются меньше чем на 15%, то образуется сплошной слой окалины; в случае же значительного различия в параметрах решетки окалины и металла при увеличении слоя он деформируется и растрескивается.

При образовании хрупкого слоя с большим количеством трещин среда легко проникает сквозь него и, вступая в реакцию с металлом, обеспечивает рост слоя; в случае же образования плотного и стойкого слоя окалины его рост будет зависеть от возможности диффузии металла через слой к среде или среды к металлу.

Для многих систем наблюдается преобладающая диффузия металла через решетку окалины и реакция металла со средой проходит на границе фаз окалина — среда. Такое явление наблюдается в системе железо — кислород, когда железо диффундирует через слой FeO (вюстита) и на внешней границе фазы, взаимодействуя с кислородом, образуется закись железа. Это легко иллюстрируется опытом, в котором постороннее тело, помещенное на поверхности железа, обрастает окалиной. То же происходит и при сульфировании серебра, при котором серебро диффундирует через слой окалины Ag2S, и т. п. Если преобладает диффузия металла через слой окалины при окалинообразовании, можно ждать появления пустот на разделе фаз металл——окалина. Действительно, при действии мышьяка на железную проволоку образованный слой окалины FeAS? легко снимается с проволоки в виде гильзы.

Считают, что диффундируют не нейтральные ато~

мы, а ионы и электроны. Движущей силой этой диффузии является различие в значениях химических потенциалов на обеих границах фаз окалины. Процесс окалинообразования, таким образом, может ограничиваться или электронной, или ионной проводимостью окалины, причем электронная проводимость может быть как л-типа, так и p-типа (дырчатая).

Газовая коррозия влияет на физико-механические свойства металлов. Различают два случая: образование продуктов коррозии до нагружения механической нагрузкой и действие коррозии в процессе нагружения. В первом случае продукты коррозии, плотно прилегающие к корродирующей поверхности (это всегда наблю- дается при малой толщине слоя, например при «воронении» стали), создают препятствие выходу на поверхность и разрядке там дислокаций, что делает сталь менее пластичной. Рыхлая окалина на прочность и пластичность влиять не должна.

Действие коррозии в процессе нагружения начинается с адсорбционного влияния на прочность и долговечность, после чего наблюдается диффузия компонентов в материал, могущая изменить его физико-механические свойства, чему способствует механическая активация материала. Влияние газовой коррозии на механические свойства металлов не изучено.

Газовые среды в обычных условиях преимущественно состоят из газа б молекулярном состоянии и при комнатных температурах лишь незначительная их часть будет диссоциировать на атомы или ионы. Газ в молекулярном состоянии не может влиять на деформированный металл.

Под влиянием повышения температуры или облучения газ диссоциирует на атомы или ионы, и тогда возрастает его влияние на физико-механические свойства металла через адсорбционный (хемосорбционный) механизм или диффузию в металл.

Нужно отметить, что в процессе деформации некоторые участки поверхности металла получают настолько высокую энергию активации, что в этих местах (например, внутри микротрещины) молекулярный газ может диссоциировать н уже в атомарном состоянии действовать на активированный металл, изменяя его физико-механические свойства,

В отличие от газовой электрохимическая коррозия протекает по двум самостоятельным сопряженным процессам: анодному, заключающемуся в непосредственном переходе атомов металла из решетки в раствор в виде гидратированных ионов и оставлении эквивалентного количества электронов в металле, и катодному, состоящему в ассимиляции оставшихся в металле электронов какими-либо деполяризаторами. В кислых средах катодный процесс преимущественно проходит с водородной деполяризацией, т. е. электроны ассимилируются ионами водорода и затем диффундируют в металл или выделяются в виде газа: 2е+2Н+~^Hg В нейтральных средах коррозия происходит преимущественно с кислородной деполяризацией, т. е. за счет кислорода, растворенного в данном электролите: 2Н2О + О2 + 4е = = 4ОН~ Подобное разделение коррозионной реакции на два сопряженных процесса обусловлено тем, что металл в решетке находится в виде ионов, обтекаемых электронным газом, и тем, что это разделение термодинамически более выгодно.

Электрохимическая коррозия происходит в водных растворах солей, кислот и щелочей, в расплавах солей и щелочей, а также во влажной атмосфере и почве.

Наиболее распространена атмосферная электрохимическая коррозия, так как около 80% всего металла в виде различных конструкций и деталей используется в атмосфере. При атмосферной коррозии скорость разрушения металла зависит от влажности воздуха, его температуры, солнечной радиации, а также от загрязненности воздуха коррозионно-агрессивными газовыми и солевыми примесями. Наиболее опасными являются примеси сернистого ангидрида и хлоридов. При длительной эксплуатации в атмосфере коррозия определяется уже не только метеорологическими условиями и наличием вредных примесей, а также и свойствами образовавшихся пленок из коррозии, в частности их микроструктурой в пограничном слое.

Большую опасность для трубопроводов и различных подземных сооружений представляет почвенная коррозия, которая во многих случаях усиливается за счет

электрокоррозии (коррозии внешним током). Электро- коррозия имеет место на подземных сооружениях и обусловлена тем, что электрический ток от электроустановок и заземлений, проходя в земле, течет по металлическим подземным сооружениям и в местах выхода из них вызывает усиленное коррозионное раз・ решение. На корродирующей поверхности имеет место стабильная (или перемежающаяся) локализация анодных и катодных процессов. Часто встречается электрохимическая коррозия в условиях микроэлектрохимиче- ской гетерогенности, при которой возникают стабильные ео времени коррозионные пары (например, при контакте разнородных металлов, причем коррозия имеет местный характер).

При коррозии в условиях микроэлектрохимической неоднородности, происходящей при неоднородности структуры в поликристаллических сплавах, или же при наличии пор в защитной пленке, анодные и катодные участки также относительно стабильны. Коррозия в этом случае имеет местный характер, уже в микромасштабах (например, питтинговая коррозия). При суб микронеоднородности коррозия поверхности происходит при местном скоплении дислокаций или загрязнений.

Эти виды коррозии относятся к гетерогенно-электрохимической. Особо чистые металлы корродируют по так называемому гомогенно-электрохимическому механизму, при котором наблюдается быстрое перемещение анодных и катодных участков по поверхности.

При электрохимической коррозии технических металлов имеют место оба описанных механизма, но гетерогенно-электрохимический, безусловно, преобладает.

При электрохимической коррозии металлов ее скорость определяется выражением

с “КЕ：—成

о ===■*■*—

&+&+&(ж

где К — коэффициент пропорциональности; ik ——ток коррозии; Ек—Еа — э. д. с. коррозионного элемента (разность равновесных потенциалов катодного и анод-

кого процессов), пропорциональная уменьшению свободной энергии системы; Rh, Ra — поляризуемость катодной и анодной сопряженных реакций, характеризующая торможение протекания данных процессов; Аом ——сопротивление коррозионной среды (э. д. с. коррозионного элемента характеризует термодинамику процесса, а 7?н+&а + &ом — его кинетику).

Имеются металлы и сплавы (алюминий, тнтан, нержавеющие стали) с термодинамической точки зрения неустойчивые к электрохимической коррозии, но тем не менее обладающие высокой коррозионной стойкостью в определенных условиях. Последнее связано с явлением, называемым пассивностью, которое обусловлено образованием на поверхности металла адсорбционных слоев или пленок окисной или гидроокисной природы.

Наряду с общей, т. е. более или менее равномерной, коррозией имеет шесто так называемая локальная коррозия, представляющая наибольшую опасность, например контактная, межкристаллитная, питтинговая и щелевая.

Под контактной коррозией понимается коррозионное разрушение, происходящее при контакте различных металлов. Обычно металл с более отрицательным электрохимическим потенциалом становится анодом и усиленно корродирует. Контактная коррозия в электролитах наносит значительный ущерб поликристаллическим металлам. Для предотвращения контактной коррозии следует максимально ограничивать контакты различных металлов в конструкциях, предназначенных для работы в коррозионно-агрессивных средах.

Межкристаллитная электрохимическая коррозия происходит на границах зерен и вызывает резкое снижение прочности металла без существенного изменения его внешнего вида. Межкристаллитной коррозии подвержены многие сплавы: коррозионно-устойчивые высокохромистые и хромоникелевые стали, дюралюминий, магналий и др. Склонность к межкристаллитной коррозии обычно имеет место при распаде твердых растворов по границам зерен. Так, в случае хромоникелевых сталей межкристаллитная коррозия происходит при неправильных режимах термообработки по причине обеднения хромом твердого раствора по границам зерен в результате выделения карбидов хрома, вслед-

ствие чего образуется коррозионная пара: пассивное зерно (катод) — обедненная хромом граница зерен (анод). Межкристаллитная коррозия возникает в зонах сварных швов, где имеются участки, подвергающиеся при сварке нагреву до температур 600—700° С, что вызывает изменение структуры металла.

Разновидностью межкристаллитной коррозии является «ножевая коррозня》, имеющая место при сварке высоколегированных сталей. Для устранения межкристаллитной коррозии сталей снижают содержание углерода в твердом растворе, легируют стали титаном или ниобием, используют оптимальные режимы термообработки. В ряде случаев для ее предотвращения сварные изделия подвергаются стабилизирующему отжигу.

При эксплуатации конструкций и деталей, имеющих зазоры (например, швы внахлестку и т. п.), зачастую возникает так называемая щелевая коррозия, под которой понимается интенсивное избирательное растворение металла в щели. В щели по ее длине из-за накопления продуктов коррозии и их гидролиза изменяется pH среды. Особенностью этого вида разрушения металлов является замедленный отвод продуктов коррозии из зазора (щели), а также пониженная концентрация в ней кислорода. У углеродистых сталей и чугунов в узких щелях происходит локальная коррозия, особенно опасная для прочности.

Основными методами повышения стойкости материалов против щелевой коррозии являются уплотнение зазоров различными материалами: пленками полимеров, резиной, смазкой и т. п, а также рациональное конструирование и рациональный выбор коррозионностойких материалов.

Большую опасность представляет питтинговая кор- розия, характерная для пассивного состояния металлов и сплавов. Питтинговая, т. е. локальная, коррозия, происходит обычно в растворах, в которых присутствуют способствующие пассивации окислители и депассиваторы (ионы С1-, Вг^, J- и др」). При питтинговой коррозии дно питтинга (коррозионной язвы) является анодом и корродирует с большей скоростью, так как остальная поверхность металла запассивирована и служит практически катодом, коррозия в питтинге не представляет

собой обычного активного растворения, а является анодным процессом образования низшего окисла, который хорошо растворим.

Стойкость металлов к питтинговой коррозии зависит от природы самого металла, состояния его поверхности и от состава и температуры электролита. Стали могут подвергаться питтинговой коррозии в кислых, нейтральных и щелочных электролитах, если находятся в пассивном состоянии, а в растворе присутствуют депассиваторы. Особенно склонны к питтинговой коррозии нержавеющие стали. С целью повышения стойкости стали к питтинговой коррозии используются электроннолучевой и вакуумный переплавы металла и легирование его молибденом Для получения сталей, устойчивых к питтинговой коррозии, важно также точно придерживаться рекомендуемых режимов термообработки II, П,73].

Так же, как и влияние газовой, влияние электрохимической коррозии на физико-механические свойства надо рассматривать при предварительном перед нагружением поражении поверхности материала или при одновременном действии коррозии и нагружении. В первом случае коррозионное поражение поверхности создает концентраторы напряжения и слой на поверхности, препятствующий выходу и разрядке на поверхности дислокаций; во втором случае коррозия активируется деформацией.

На рис. 8 схематически представлены типы поражений поверхности металла от коррозии. Наиболее благоприятна для прочности и долговечности равномерная коррозия. Всякая причина, переводящая равномерную коррозию в другие типы, содействует снижению прочности и долговечности материала изделий.

Выделяют особый вид электрохимической коррозии ——морскую коррозию металлов, находящихся под механическим напряжением и без него. Последний случай изучен значительно полнее, чем первый. Механические напряжения активируют металл в коррозионных процессах и почти всегда сопровождают пребывание металлических изделий (корпусов судов, портовых сооружений и т.п.) в морской воде.

Химический состав воды морей различен, он содержит большое количество легко диссоциирующих солей.

Рис. 8. Типы коррозионных поражений стали:

e

u

а — равномерная коррозия; б — неравномерная коррозия; в — структурно избирательная коррозия; г — коррозия пятнами; 方 一 коррозия язвами; е — коррозия точками; ж —— межкристаллитная коррозия; з ^- коррозионное растрескивание; и — подповерхностная крррозия-

ной полости балянуса pH меньше, чем в морской воде, что усиливает коррозию. Кроме того, балянусы разрушают антикоррозионные покрытия, прорезая его острыми краями своих домиков, чем способствуют коррозии.

На Каспийском море обрастание балянусами усилило коррозионное поражение металлических поверхностей в четыре―шесть раз. Мидии усиливают коррозию из-за выделяемых ими фекалий, в которых развиваются анаэробные бактерии, способствующие развитию коррозии. Этому также содействуют мшанки и моллюски, тогда как трубчатые черви на развитие коррозии не влияют.

Фотосинтез зеленой водоросли-энтероморфы усиливает коррозию на 20%, то же самое можно сказать о жизнедеятельности усоногих раков. Под сплошным обрастанием митилястеров возникают хрупкие участки металла, очевидно, наводороженные.

Особенно благоприятно для протекания коррозии состояние металла после его механической очистки от обрастания, обычно повреждающей противокоррозионное покрытие, так как в этом случае царапины анодны. В этих случаях наблюдается наиболее отрицательное влияние среды на его прочность и долговечность.

Коррозионная пленка, возникшая на листовой стали под обрастанием, особенно под действием сульфидов, несколько повышает предел текучести этой стали и снижает ее пластичность (уменьшает значения б и <р). Площадь, ограниченная кривой растяжения и осями координат, уменьшается так же, как и при электрохимическом наводороживании, только в несколько меньшей степени. Как известно, эта площадь характеризует работоспособность металла. К сожалению, приведенные данные не привязаны к определенному виду обрастания н не известно время их действия.

Возникающие многочисленные питтинги (коррозионные язвы), являясь концентраторами напряжения, в основном не определяют прочность и долговечность металла из-за саморазгружающего эффекта, вызванного наличием многочисленных концентраторов, н снижающего мх действия коппо^ионной среды [17].

В морской воде р а стр ескив а ются многие высокопрочные (закаленные) стали, так же как при наводорожи-

вании. Это объясняется локальным повышением кислотности воды вследствие автокаталитических процессов в трещинах (щелях), коррозионных язвах, где застаивается морская вода.

При растрескивании трещины образуются по границам бывших зерен аустенита {17]. Мягкие (прочностью ниже 10 000 Мн/м2} н специально легированные стали не растрескиваются.

В морской воде опасны перегрузки за предел текучести; даже однократная перегрузка в результате снижения работоспособности металла из-за коррозии может привести к катастрофическим последствиям. Наилучшим образом можно это учесть, зная поведение металла при малоцикловой усталости.

Коррозия в сочетании с действием механических напряжений является наиболее опасным явлением, снижающим прочность и долговечность металлических изделий, поэтому отдельно рассматривают коррозию под статическими или циклическими напряжениями. В зависимости от вида нагружения различают статическую н циклическую коррозионную усталость. Механическое напряжение неравномерно активирует металл в процессе электрохимической коррозии, которая из равномерной переходит в локальную, в связи с чем значительно снижаются механические свойства металла, уменьшается его долговечность.

Коррозия под напряжением обычно вызывает коррозионное растрескивание, так как напряжения способствуют местному разрушению пассивирующей пленки, зависящей от среды (ее состояния, температуры, давления, движения, перемешивания, кислотности, концентрации и т. п.). В различных средах при разных видах нагружения (статических, ударных, циклических) характерны такие виды коррозии под напряжением, как коррозионное растрескивание, водородная, сульфидная и щелочная хрупкость, коррозионная и водородная усталость.

Теоретически, в зависимости от времени и величины напряжения, раньше или позднее наступает разрушение металлов от коррозии под напряжением.

Между общей коррозией и коррозией под напряжением связь прослеживается только в некоторых явлениях. Напряжения обычно не дают образовываться

сплошной пассивирующей пленке, предохраняющей от коррозии, нарушают ее, причем места с нарушениями делаются более анодными, а запассивированные — катодными, в результате чего развивается локальная (питтинговая) коррозия. Стойкость пассивной пленки к действию механических напряжений предопределяет долговечность металла при коррозии под напряжением.

Корреляция между коррозией и коррозией под напряжением наблюдалась в средах с различными pH, например между потерей в весе (от общей коррозии) и снижением условного предела усталости (рис. 9) [18]. Наибольшие потери в весе и снижение условного предела коррозионной усталости отмечены в кислых средах (рН<3), аналогичные результаты наблюдались при действии статических напряжений. В щелочных средах (рН>12) почти исчезает общая коррозия, а разрушение от усталости происходит (в среднем) при тех же циклах нагружения, что и на воздухе. В средах» содержащих ионы водорода, характеризуемые значением рН = 3+12, как потеря в весе, так и коррозионная усталость почти не зависит от pH, что объясняется образованием около металла защитного слоя, состоящего из Fe(OH)2・ Общая коррозия и коррозия под напряжением в таком случае зависят от возможности диффузии кислорода через этот слой. Все данные, показывающие на взаимозависимость коррозии н коррозии под напряжением, получены при невысоких концентрациях среды.

Высокая концентрация среды, особенно при повышенных температурах, дает противоположные результаты. Так, в очень концентрированных щелочных средах при повышенных температурах наблюдается коррозионное растрескивание сталей, тогда как общая коррозия не усиливается. Наоборот, при малых концентрациях (0,1—0,2 я) не наблюдается растрескивания, а скорость общей коррозии значительна.

Приведенные факты не позволяют установить связь между общей коррозией и коррозией под напряжением» поэтому оба явления необходимо рассматривать раздельно.

Коррозию под напряжением (растрескивание и кор- розионную усталость) металлов в большинстве случаев 44

OjWZO2^mO75 ПЗ да 砸冊OjWZO2^mO75 ПЗ да 砸冊Рис. 9. Влияние pH раствора на общую коррозию (потеря в весе, отнесенная к корродирующей поверхности) нормализованной стали 45 (/) и снижение выносливости (2)Рис. 9. Влияние pH раствора на общую коррозию (потеря в весе, отнесенная к корродирующей поверхности) нормализованной стали 45 (/) и снижение выносливости (2)

OjWZO2^mO75 ПЗ да 砸冊

OjWZO2^mO75 ПЗ да 砸冊

Рис. 9. Влияние pH раствора на общую коррозию (потеря в весе, отнесенная к корродирующей поверхности) нормализованной стали 45 (/) и снижение выносливости (2)

Рис. 9. Влияние pH раствора на общую коррозию (потеря в весе, отнесенная к корродирующей поверхности) нормализованной стали 45 (/) и снижение выносливости (2)

объясняют с позиций электрохимической теории коррозии. Если бы электрохимические процессы были определяющими, то любой электролит с достаточно высокой ионной проводимостью должен был бы вызвать коррозионное растрескивание н коррозионную усталость, поскольку анодные и катодные процессы почти не изменяются при переходе от одного электропроводящего раствора к другому. Однако этого не происходит.

Наиболее полно действие коррозионных сред и напряжений на металл объясняет адсорбционно-электрохимическая теория [22]. Согласно этой теории, прежде чем начнется растворение анодных участков металла, происходит адсорбция ПАВ среды — специ

фическая адсорбция ионов из электролита, а в случае коррозии с водородной деполяризацией — адсорбция ионов водорода на катодных участках поверхности. Вследствие адсорбции происходит термодинамическое неизбежное снижение уровня поверхностной энергии, что облегчает образование трещин. Далее начинает действовать коррозионный процесс, приводящий к росту трещин. Развитию коррозионных трещин способствуют расклинивающие действия продуктов коррозии и напряжения растяжения. Количество продуктов коррозии увеличивается со временем н зависит от агрессивности среды н стойкости металла. Напряжения растяжения усиливают коррозионный процесс, так как вызывают разрушение пассивирующих пленок внутри трещин.

Коррозионное растрескивание, иначе коррозионная статическая усталость [26], наблюдается во многих коррозионно-агрессивных средах при обязательном действии растягивающих напряжений либо от внешних нагрузок, либо от остаточных; сжимающие напряжения не вызывают коррозионного растрескивания, а наоборот, препятствуют ему.

Коррозионному растрескиванию подвержены почти все металлы и сплавы, однако для каждого металла и сплава существует определенное состояние, когда коррозионное растрескивание не наблюдается. Термодинамически неустойчивые системы подвержены более сильному растрескиванию, чем устойчивые, например закаленные на мартенсит стали в водном растворе Н2s растрескивались уже при а^0,5от, тогда как отожженные стали не р астрескивались в этом же растворе при и=0,95 от.

Стойкости металлов к коррозионному растрескиванию способствует ячеистая дислокационная субмикроструктура, зависящая от энергии дефектов, на которую влияет легирование. Медь, имеющая ячеистое строение, совсем не растрескивается. Растрескивание может вызываться наводороживанием, локальным анодным растворением металла, а также снижением уровня поверхностной энергии металла (роль водородного и адсорбционного факторов в процессе коррозионного растрескивания возрастает при увеличении прочности сталей!).

Трещины от коррозионного растрескивания всегда направлены перпендикулярно к действию растягивающих напряжений, а при кручении — под углом 45°. Коррозионно растрескивающиеся металлы в зависимости от вида среды могут образовать как межкристаллитные, так и транскристаллитные трещины, причем в растворе Н2s обычно образуется лишь одна магистральная трещина, по которой происходит разрушение [26]. На коррозионное растрескивание сильно влияет концентрация растягивающих напряжений. Считают, что существует предельное напряжение для данного металла в определенном состоянии и среды, ниже которых не наблюдается растрескивание. Однако напряжения, превышающие предел текучести, всегда являются опасными.

При коррозионном растрескивании появлению видимых трещин предшествует некоторый скрытый инкуба- ционный период протекания коррозионного растрескивания, продолжительность которого различна для раз- ных металлов и условий эксперимента; можно выделить три характерных периода, а именно: инкубационный (зарождение трещины), период развития коррозионных трещин и конечное спонтанное разрушение.

Зарождению трещин в кислых средах способствуют катодные, а в нейтральных — анодные процессы (электрохимическое разъедание поверхности и образование концентраторов), тогда как рост трещины происходит под влиянием электрохимического и адсорбционного процессов н наводороживания катодных участков металла при коррозии с водородной деполяризацией. Рост трещины в сталях при коррозионном растрескивании происходит отдельными скачками с характерным треском, что вызвано механическим разрушением отдельных участков металла и его окислов в растущей под влиянием среды и напряжения трещине.

Протекание коррозионного растрескивания обусловлено наличием больших растягивающих напряжений на дне имеющихся концентраторов напряжения. В начальный период растрескивания превалирующее влияние на его развитие оказывает состояние поверхности и наличие на ней концентраторов напряжений, особенна типа трещин. При этом разница в величине растягивающих напряжений на дне концентраторов и на поверхности металла по мере развития первоначальных концентраторов возрастает. В этом случае облегчается протекание анодного процесса на дне трещины.

Коррозионное растрескивание сталей интенсивно протекает в кипящих растворах нитратов. В этом случае растрескивание усиливается при закалке стали, когда углерод в металле находится в виде твердого раствора, причем границы зерен делаются анодными по отношению к телу зерна. Отпуск способствует выделению по границам зерен карбидов; постепенное охлаждение металла способствует выравниванию потенциалов и при выдерживании при температуре 360° С в течение двух часов это выравнивание завершается, а при более высоких температурах границы зерен делаются даже катодными по отношению к телу зерна. Железо и мало-

углеродистые стали очень чувствительны к коррозионному растрескиванию в нагретых растворах нитратов и щелочей и незначительно — в кислых средах.

Сильно карбидообразующие элементы (хром, титан) замедляют коррозионное растрескивание малоуглеро- дистых сталей (независимо от термообработки), тогда как некарбидообразующий элемент (никель), затрудняющий выделение карбидов по границам зерен, усиливает растрескивание. Значительное повышение стойкости к растрескиванию дает легирование сталей алюминием и марганцем, содействующее стабилизации углерода.

Расплавы солей 〃 щелочей являются электролитами в вызывают электрохимическую коррозию металлов. Щелочь NaOH взаимодействует с металлами с выделением водорода. При температуре 800℃ в расплаве NaOH начинают разрушаться даже благородные металлы, такие как платина и золото. Сильная коррозия металлов объясняется растворением расплавом щелочи защитной окисной пленки на металле. Из конструкционных материалов наиболее устойчивыми в этом случае являются сплавы на основе никеля и хрома вследствие образования устойчивых окисных пленок, которые, однако, при воздействии напряжения не пре- .дохраняют металл.

При нагревании нитритных расплавов выше 350° С происходит разложение нитритов до нитратов с выделением молекулярного кислорода, обусловливающего коррозию металлов.

Коррозионные потери в нитритных расплавах зависят от движения расплава, которое значительно усиливает коррозию, так как разрыхляет окисные предохранительные пленки на металлах. То же вызывает механическая нагрузка конструкционного материала, которая разрушает эти пленки.

Расплавы галогенидов при взаимодействии с металлами вызывают усиленное разрушение последних с ростом температуры и увеличением времени пребывания в расплаве. Особенно сильное разрушение наблюдается на границе расплава и воздуха, так как в этом месте действуют пары хлоридов и кислород воздуха. Коррозионная активность по аниону растет от хлоридов к фторидам по формуле С1 ~^Вг—*J~^F.

С увеличением размера аниона расплавленной соли потери металла понижаются. Это объясняется уменьшением силы взаимодействия анионов расплавленной соли с катионами металлической фазы. Поэтому потери в расплавленных фторидах меньше, чем в хлоридах. Наблюдается явление обезуглероживания конструкционной углеродистой стали в расплаве NaCL Некоторые расплавы избирательно вымывают из стали легирующие элементы.

Механизм коррозии твердых металлов в расплавах солей и щелочей состоит в том, что ионы металла под воздействием силовых полей анионов расплава переходят в расплав с анодных участков. Избыток электронов в металле перетекает на катодные участки, где они ассимилируются деполяризаторами, которыми является кислород н катионы расплава, способные при определенных условиях к восстановлению. В условиях воздействия на твердый металл механических напряжений происходит активация определенных участков твердого металла с усилением указанного процесса. Меха- нические напряжения, кроме того, разрушают защитные окисные пленки, чем усиливают процесс электрохимиче^ ской коррозии. Активация определенных участков твердого металла способствует также его растворению в расплаве солей, например, диффузии хрома по границам зерен в расплав, в результате чего образуются видимые пустоты и межкристаллитное разрушение металла. В нитратно-нитритном расплаве в процессе деформации стали происходит активная диффузия азота в напряженный металл, что влияет на его механические свойства [17, 80].

Особо следует рассматривать влияние электрохимической коррозии на прочность н долговечность изделий из металлов, когда коррозионно действующая среда находится в узкой щели. Это явление называется щелевым эффектом. Поведение среды, наблюдаемое при этом, отличается от поведения среды, находящейся в значительном объеме, так как в щели среда приобретает некоторые специфические свойства. В работе [42] схематически рассматривается щель клиновидного сечения в твердом теле, характеризующаяся в устьях вполне развитой поверхностью с нормальным значением удельной свободной поверхностной энергии, возрастаю-

щей от нуля в тупиковой части клина. Разрушение твердого тела обычно инициируется наличием в нем активных щелей [16].

Исследование щелевого эффекта проводят путем замера pH, концентрации и электродных потенциалов по глубине щели.

Согласно [67] внутри щели наблюдается увеличенный потенциал адсорбции, вызванный аддитивностью дисперсионных потенциалов. Реальные щели в нагруженных материалах представляют трещины, около концов которых наблюдается концентрация напряжений, активирующая в этом месте материал для взаимодействия со средой. Разрушение обычно начинается от этой зоны, которая проходит стадию «зоны предразру- шения», имеющей различную форму в зависимости от среды и величины напряжения (например, материал конца щели может разъедаться, растворяться или образовывать ряд трещинок наподобие корней луковицы [16]. При заполнении щели другой фазой наблюдается щелевой эффект, проявляющийся для всех сред, смачивающих твердое тело, в усилении в щели адсорбции и ее расклинивании. Кроме того, среда, находящаяся в щели, препятствует ее смыканию при разгрузке твердого тела и ее залечиванию, когда потенциальная энергия, проявление которой сопровождается возникновением щели, рассеивается в виде тепла.

Если среда представляет электролит, то к указанному прибавляется расклинивание щели продуктами коррозии. Щелевой эффект в этом случае проявляется в изменении pH и концентрации электролита по длине щели с изменением при этом течения электрохимической коррозии. Щелевой эффект в коррозионных средах обусловлен затрудненным доступом кислорода или других деполяризаторов к тупиковой части трещины, заполненной продуктами коррозии, при одновременном хорошем поступлении его к открытой поверхности металла. В результате этого увеличивается разность потенциалов между дном трещины и соседними участками, вследствие чего скорость коррозии возрастает. Разрушение пассивных пленок на дне щели делает его еще более анодным.

УСТАЛОСТЬ

Усталость металла — это снижение его долговечности в результате появления трещин усталости и возможного в дальнейшем хрупкого разрушения под влиянием знакопеременных, повторяющихся (часто от вибрации) напряжений (растяжения, сжатия, изгиба, крученря и контактных напряжений). Они возникают под действием изменяющихся во времени силовых нагрузок, тепловых или радиационных воздействий на металл (в этом случае усталость носит название термической или радиационной). При усталости металла напряжения интегрально для макрообъема металла не превышают о* разрушение развивается длительно, без видимой пластической деформации. Что же касается отдельных зерен поликристаллического металла, то невыгодно расположенные к силовому потоку зерна могут находиться в упруго-пластической зоне, пластически деформироваться, упрочняться и передавать нагрузку другим зернам, еще не упрочнившимся. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока все зерна в каком-либо сечении металла не исчерпают возможности упрочняться и на этом месте не начнется разрушение. Свойство металла сопротивляться усталостному разрушению называется его выносливостью.

Нагрузки могут подчиняться определенной закономерности, но могут быть и случайными, как, например, толчки, испытываемые рессорой автомашины. В случае закономерной повторимости нагрузки ее называют циклической, а вызываемое ею напряжение ——циклическим. Иногда при постоянно действующей неизменной нагрузке напряжения будут изменяться во времени циклически, как это имеет место во вращающемся вале: напряжения изменяются во времени при переменном нагревании и охлаждении детали или при облучении.

В течение одного цикла напряжения могут меняться по различным законам. На рис. 10 показана приближенная диаграмма изменения нормальных напряжений в предварительно затянутых болтах шатуна, а на рис. 11 — диаграмма изменения нормальных напряжений в коленчатом вале дизеля. Циклические напряжения характеризуются формой кривой изменения напря-

жений за один цикл, частотой повторения цикла, наибольшей и [наименьшей величинами напряжений (Omax Н Omln, РИС. 10).

Рис. 10. Диаграмма изменений нормальных напряжений в затянутом болте шатуна (несимметричный цикл).

Величина напряжения, циклически изменяющегося в любой момент времени,

О = <Ттп+Oa + f (/) ,(1)

Отах 十 Gmin

где От=среднее напряжение цикла;

Оа= О111ax £ 9mll1 — амплитуда напряжений； f (/) — функция, определяющая изменение амплитуды напряжения.

Рис. 11 Диаграмма изменения нормальных напряжений в коленвале дизеля.

Максимальные и минимальные напряжения могут быть равны по величине и противоположны по знаку — в этом случае цикл называется симметричным. Частным случаем симметричного цикла является весьма распространенный гармонический цикл, при котором изменение напряжений протекает по синусоидальному закону, например, изменение напряжений в прямом вале при вращении с постоянной нагрузкой. Этот вид напряжений особенно часто используется при лабораторных исследованиях. Тогда уравнение (1) примет вид

о=Ош sin (cot+ф),

где .со ——частота перемен напряжений; ф — угол сдвига фаз; £ — время.

При симметричном цикле Отах = —Omln； при асимметричном —Omax*Omin, отнулевой цикл — знакопос- ТОЯННЫЙ, изменяющийся ОТ нуля ДО Отах или от нуля до 6min> Асимметричный цикл представлен на рис. 11. Указанный цикл характеризуется коэффициентом асимметрии или коэффициентом амплитуды R (напряжения берутся с алгебраическим знаком) и размахом цикла 20a=Отах——Omin・ Асимметричный цикл может быть представлен как результат наложения симметричного цикла с амплитудой о。на напряжение。帆，постоянно действующее во времени.

На рис. 12 приведена характеристика основных циклов нормальных напряжений. Аналогично может быть представлена характеристика циклов касательных напряжений.

Асимметричные циклы с постоянно действующим напряжением сжатия (знакопеременный цикл сжатия) так же, как и пульсирующие напряжения сжатия, дают наибольшую выносливость. Чем больше число перемен по величине или направлению напряжений (количество циклов), тем сильнее усталость. Она характеризуется кривой усталости (рис. 13), по оси ординат которой откладывают величину изменяющихся напряжений ±о, а по оси абсцисс — число циклов этих перемен напряжений или время (N или /).

По ГОСТ 2860—65 из испытуемого металла изготовляют 10——16 цилиндрических или другого профиля

fOpbix начинают повторно нагру- образцов, один из ко вать в нем циклически изменяю- жать с тем, чтобы вн%пределяют то число циклов, при щееся напряжение, и котором образец разрушается.fOpbix начинают повторно нагру- образцов, один из ко вать в нем циклически изменяю- жать с тем, чтобы вн%пределяют то число циклов, при щееся напряжение, и котором образец разрушается.Рис. 12. Характеристик? основных циклов нор' мальных напряжений. //—/// — знакопеременны/ несимметричные циклы; IV /у — знакопостоянные цик лы; У, У' — знакопостоянд ные пульсирующие цикл». <отнулевые); / — снмме, ричный цикл, 0^=°； &=—1， II — знакопеременный инк, растяжения, 0加>°； RV0Рис. 12. Характеристик? основных циклов нор' мальных напряжений. //—/// — знакопеременны/ несимметричные циклы; IV /у — знакопостоянные цик лы; У, У' — знакопостоянд ные пульсирующие цикл». <отнулевые); / — снмме, ричный цикл, 0^=°； &=—1， II — знакопеременный инк, растяжения, 0加>°； RV0С последующими образцами производят ту же операцию, но с меньшими напряжениями. Эти экспериментальные данные (напряжения и числа циклов) наносят на описанную систему координат. Таким образом образуется система точек, соединив которые, получают кривую усталости, выражающую зависимость между напряжениями и числами циклов напряжений, при которых происходят усталостные разрушения образцов. Ниже этой кри- вой металл выдерживает циклическую нагрузку и не разрушается, выше — разрушается. Если металл имеет повреждения в виде зародышевых трещин, которые изменяют некоторые его свойства, например момент инерции, то строят кривую повреждаемости (см. рис. 13, кривая 2). Кривые усталости и повреждаемости строятся по большому числу точек и носят статистический характер. Область, лежащая между ними, называется областью повреждаемости.

fOpbix начинают повторно нагру- образцов, один из ко вать в нем циклически изменяю- жать с тем, чтобы вн%пределяют то число циклов, при щееся напряжение, и котором образец разрушается.

fOpbix начинают повторно нагру- образцов, один из ко вать в нем циклически изменяю- жать с тем, чтобы вн%пределяют то число циклов, при щееся напряжение, и котором образец разрушается.

Рис. 12. Характеристик? основных циклов нор' мальных напряжений. //—/// — знакопеременны/ несимметричные циклы; IV /у — знакопостоянные цик лы; У, У' — знакопостоянд ные пульсирующие цикл». <отнулевые); / — снмме, ричный цикл, 0^=°； &=—1， II — знакопеременный инк, растяжения, 0加>°； RV0

Рис. 12. Характеристик? основных циклов нор' мальных напряжений. //—/// — знакопеременны/ несимметричные циклы; IV /у — знакопостоянные цик лы; У, У' — знакопостоянд ные пульсирующие цикл». <отнулевые); / — снмме, ричный цикл, 0^=°； &=—1， II — знакопеременный инк, растяжения, 0加>°； RV0

При испытании на усталость наблюдается значительное рас-

сеивание результатов опытов; число циклов до поломки при данной величине подчиняется обычно нормально-логарифмическому распределению.

С уменьшением амплитуды напряжений рассеивание обычно увеличивается и оно зависит от

неоднородности металлов. В неоднородных крупнозернистых (литых) металлах оно обычно больше, чем у

мелкозернистых и зависит логических факторов. Результаты испытаний обрабатываются методами математической статистики по ГОСТ 2860—65, выносл ивость подсч иты - вается для определенного интервала, т. е. для различной вероятности разрушения.

Нижняя граница (порог чувствител ьности) р азруш ающих циклов представляет такое число при данном напряже-

от металлургических и техно-от металлургических и техно-Рис. 13. Кривые усталости (/) и повреждаемости ⑵.Рис. 13. Кривые усталости (/) и повреждаемости ⑵.нии, для которого вероятность разрушения равна нулю.

от металлургических и техно-

от металлургических и техно-

Рис. 13. Кривые усталости (/) и повреждаемости ⑵.

Рис. 13. Кривые усталости (/) и повреждаемости ⑵.

Исследования показали, что у стали в сухом воздухе после 2—5 млн. циклов изменений напряжений кривая усталости становится почти горизонтальной, что дает возможность определить то напряжение, ниже которого стальное изделие не разрушается н не повреждается; это напряжение называется пределом выносливости Or ИЛИ Tr.

У цветных металлов кривая усталости чрезвычайно медленно приближается к оси абсцисс, в связи с этим для них нельзя найти предел усталости. В таких случаях пользуются условным пределом усталости, т. е. напряжением, которое выдерживает металл, не разрушаясь при условном числе циклов (50—100 млн.), называемом базой испытаний.

Кривые усталости и повреждаемости металла позволяют решать вопрос о циклической прочности и долговечности металлических деталей.

В случае длительной эксплуатации детали расчетное напряжение должно быть меньше предела усталости,

т. е. о V ~, где и — запас прочности. Если же срок

эксплуатации детали ограничен определенным временем, соответствующим некоторому числу циклов нагру-

жений N、то расчетное напряжение может быть повышено и взято больше предела усталости. Выбор этого напряжения, в зависимости от числа циклов, возможен по диаграмме, представленной на рис. 13.

Исследования выносливости металла в воздухе показали, что она мало зависит от закона изменения напряжений в течение одного цикла (кривой изменения напряжений) и до частоты в 1000 гц практически не зависит от частоты изменения напряжений. В основном на усталостную прочность влияют вид напряженного состояния (наибольшей выносливостью металл обладает при циклическом изгибе, затем при растяжении — сжатии и менее всего — при кручении), а также величина и знак максимального и минимального напряжений. Влияет на выносливость и степень асимметрии при изменении напряжений. Оказалось, что чем больше доля постоянного напряжения Gm, тем выше выносливость металла при асимметричном цикле.

Поведение металла при асимметричных циклах удобнее всего оценивать при помощи построения так называемых полных диаграмм усталости, показывающих те сочетания постоянных °物 и переменных оа напряжений, при которых не происходит разрушения. Существует несколько видов полных диаграмм усталости. Наиболее распространенной является диаграмма, в которой по оси ординат откладываются максимальные и минимальные переменные напряжения Отах и Отт, а по оси абсцисс — среднее напряжение цикла от. Полная диаграмма усталости принимает вид, представленный на рис. 14. На этом рисунке при построении диаграммы масштабы для напряжений по обеим осям взяты одинаковыми, так что линия, проходящая через начало координат под углом 45°, оказалась прямой, изображающей постоянные во времени напряжения Пщ, и в то же время нулевой линией для амплитуды о@. Точка С на этой прямой соответствует предельному напряжению, при котором разрушается материал при постоянной нагрузке, т. е. пределу прочности материала Ов, а точка К — пределу текучести при той же нагрузке От.

Для построения полной диаграммы усталости при определенном виде напряженного состояния для данного материала экспериментально находят его пределы

Рис 14 Полная диаграмма уста^ лости сталейРис 14 Полная диаграмма уста^ лости сталейвыносливости or при различных несимметричных цнк- лах. Эти напряжения, нанесенные на диаграмму, дают кривую ADCMEB, называемую предельной кривой диаграммы усталости. Очевидно, что только часть предельных напряжений этой диаграммы будет иметь практическое значение, так как максимальные напряжения выше предела текучести уже относятся к малоцикловой усталости. Поэтому для получения реальной диаграммы через точку К проводят две прямые; одну горизонтальную, ограничивающую максимальные напряжения цикла пределом текучести, и прямую КМ, образовавшуюся при отложении амплитуд напряжений па вниз от линии ОС. Область, заключенная внутри этой ломаной кривой

Рис 14 Полная диаграмма уста^ лости сталей

Рис 14 Полная диаграмма уста^ лости сталей

4DLKMEB, дает сочетание безопасных переменных о。и постоянных от напряжений асимметричного цикла.

Построение полных диаграмм усталости по экспериментальным данным еще более трудоемко, чем построение кривых усталости. Для этого требуется не менее 120—150 образцов данного металла, в связи с чем эти диаграммы имеются для немногих марок конструкционных сталей.

Точки Л и В на рис. 14 соответствуют пределу усталости при симметричном цикле (cf_i)r, т. е. в этом случае пт—0. Точка D соответствует пределу усталости пульсирующего цикла растяжения о。, так как при этом- °mm=0； па = ат. Точки L и М соответствуют знакопостоянному асимметричному циклу растяжения (。帆>0; R>0)・

Полные диаграммы усталости показывают, что при и?п>0, т. е. при средних напряжениях растяжения, с увеличением асимметрии цикла предельные напряже-

ния усталости or= amax увеличиваются, хотя величина амплитуды о。с увеличением среднего напряжения 。松 уменьшается. Наименьший предел выносливости оказывается при симметричном цикле R=—1.

При средних напряжениях сжатия 。叨＜0 явления усталости в воздухе мало изучены, но есть основание полагать, что пределы усталости в этом случае значительно увеличиваются по сравнению с предыдущим случаем, так как для многих материалов (сталей высокой твердости, чугунов) постоянное сжимающее напряжение оказывается полезным для повышения выносливости.

Для сталей между пределами усталости при изгибе J, кручении j и растяжении — сжатии (。一i)p при симметрических циклах нагружения для гладких образцов существуют приближенные соотношения: (ст_Jp== =(0,7——0,8) o-i； T—i=(0,57——0,62) o—卜 Большая выносливость стали при изгибе, по сравнению с растяжением—сжатием, очевидно, объясняется тем, что во втором случае действию максимальных напряжений подвергаются все сечения детали и возможность проявления действия слабых мест ——очагов разрушения при наличии больших напряжений —— выше, чем в первом случае.

Исследования показывают, что материалы, одинаково прочные при статических нагрузках, могут обладать различной усталостной прочностью, причем многие факторы, которые почти не влияют на прочность при статическом нагружении, оказывают большое влияние на усталость металлов (например, влияние обработки поверхности, наличие концентраторов и т. п.). Между прочностью при статических нагрузках и усталостной прочностью не удалось установить строгой зависимости.

Из опытов видно, что предел усталости приблизительно составляет половину предела прочности, причем с увеличением сгв замедляется рост or. Однако это взаимоотношение изменяется при наличии концентрации напряжений, к которой оказывается очень чувствительна высокопрочная сталь при циклическом нагружении.

В отличие от случая статического нагружения, когда форма и размеры детали мало влияют на прочность металла, при повторно-переменных нагрузках наблю-

дается значительное влияние формы и размеров на усталостную прочность детали. Значение предела уста- лостн материала, найденного на цилиндрических гладких образцах в лаборатории, еще недостаточно для суждения об усталостной прочности детали при эксплуатации. Детали, изготовленные различными способами нз одного и того же материала или имеющие различные формы и размеры, не равнопрочны при циклическом нагружении.

У поликристаллических металлов при усталости qacfb зерен находится в упругой либо упруго-пластической зоне в зависимости от величины амплитуды. Рентгенографические исследования углеродистых сталей, подвергнутых циклическим напряжениям, уже при напряжениях на 5% ниже предела усталости показали искажения решетки (выявляются напряжения 3-го рода); при циклических напряжениях ниже предела усталости на 20% никаких изменений в решетке не наблюдается. Циклические напряжения выше предела усталости вызывают сначала упрочнение металла, а затем, достигнув критической величины, приводят к разрыву межатомных связей по плоскостям скольжения и порождают субмикроскопические нарушения (несплошности), а затем образование микроскопических трещин усталости. При усталости металла наблюдается локальное увеличение плотности дислокаций, происходящее значительно интенсивнее, чем при статической деформации.

Усталостное разрушение обычно начинается в прн- поверхностных зернах; от них начинается разрушение, сдвиг, образование и рост трещины. При усталости могут образовываться как ннтеркрнсталлнтные, так и транскристаллитные трещины. Они обычно распространяются вдоль плоскостей скольжения. Некоторые исследователи наблюдали, что при высоких амплитудах границы зерен могут служить очагами разрушения. Металлы, имеющие площадку текучести, при действии высоких амплитуд разрушаются чаще всего межзерен- но; при более низких напряжениях ——транскристал- литно, хотя это не является правилом и от него наблюдаются отклонения.

Микрофрактограммы мест разрушения от усталости выявляют ряд бороздок, ориентированных перпендикулярно к фронту распространения трещин, расположенных

на правильном интервале друг от друга. Предпо- лагается, что бороздки представляют последовательное (за один цикл!) положение фронта подрастающей трещины; большое расстояние между бороздками соответствует большей скорости распространения трещины.

Процесс усталости разделяется на два периода: накопление необратимых изменений в металле под влиянием микродеформаций, приводящее к образованию зародыша трещины обычно на поверхности металла, и развитие (подрастание) трещины. В первом периоде происходит образование линий скольжения, связанное с движением дислокаций и вакансий, сопровождаемое экструзиями или интрузиями атомных слоев по плоскости скольжения, во втором ——р аспростр анение трещины вблизи линии скольжения. На рис. 15 схематически показаны зоны экструзии, интрузии и бороздки. Развитие одной из трещин приводит к усталостному разрушению. Время, необходимое для протекания первого или второго периода, зависит от величины амплитуды, градиента напряжений, состояния поверхности, концентрации напряжения и свойств среды. Чаще всего трещины в пластичных сталях зарождаются на ранней стадии усталости. До разрушения металл с трещиной может выдерживать циклические напряжения в воздухе еще 80—90% времени от общей его долговечности, т. е. срок службы металла при усталости определяется в основном временем развития трещины.

Усталость может сопровождаться фазовыми превращениями, приводящими к появлению фазовых остаточных напряжений, ослаблению границ зерна, упрочнению или разупрочнению. В зернах, находящихся в пластической и упруго-пластической зонах, происходит движение дислокаций, приводящее к массовому образованию вакансий, коагуляция которых приводит к возникновению колоний вакансий (микропустот), являющихся зародышами трещин усталости. Электронномикроскопические исследования показали, что в плоскостях максимальных нормальных напряжений происходит преимущественное осаждение вакансий на поверхностях уже имеющихся в каждом твердом теле дефектов; в плоскостях же максимальных касательных напряжений происходит коагуляция вакансий. Это вызывает два различных по характеру вида разруше-

ния от усталости: гладкий излом в плоскостях максимальных нормальных напряжений и слоистый — в плоскостях максимальных касательных напряжений. Зерна,

участвующие только в упругой деформации, проходят через цикл упругого гистерезиса ——отставания . деформации от изменения циклического напряжения, а зерна, находящиеся в пластической или упруго-пластической зоне, проходят через цикл пластического гистерезиса

Рис. 15. Схема излома металла от усталости (Х2000).Рис. 15. Схема излома металла от усталости (Х2000).—отставания напряжения от деформации. Оба вида гистерезиса

Рис. 15. Схема излома металла от усталости (Х2000).

Рис. 15. Схема излома металла от усталости (Х2000).

характеризуются диаграммой (см. рис. 6), причем диаграмма (петля) пластического гистерезиса включает в себя н эффекты упругого гистерезиса.

Величина петли гистерезиса (его ширина) показывает ту энергию за один цикл, которую в необратимой форме поглотил металл при циклическом нагружении. Эта способность металла называется его циклической вязкостью, она характеризует способность металла гасить резонансные колебания и снижать пики напряжений при неоднородном их распределении. Величина циклической вязкости не зависит от величины предела усталости, причем часто металлы с высоким пределом усталости имеют небольшую циклическую вязкость. Объемные наклеп и закалка снижают циклическую вязкость. Цветные металлы и сплавы на их основе

имеют низкую циклическую вязкость, а стали с содержанием 0,35—0,40% С имеют наибольшую циклическую вязкость среди углеродистых нелегированных сталей; чугун имеет большую циклическую вязкость. Крупнозернистый металл имеет большую циклическую вязкость, чем мелкозернистый.

Для удобства сравнения свойств металлов по циклической вязкости ее обычно относят к работе наибольшей упругой деформации, которая сообщается металлу

при циклическом нагружении. Полученная величина называется относительной циклической вязкостью или коэффициентом рассеивания при циклической нагрузке. Эта величина

弋）=7一右2V.

Здесь L ——наибольшая энергия упругой деформации; AL — необратимо рассеянная часть этой энергии; V ——логарифмический декремент затухания колебаний, v=ln, где ап и ап^ — амплитуда последующих a乳+1

колебаний при их свободном затухании.

Суммарная энергия, поглощаемая металлом, частично накапливается в деформируемых объемах в виде скрытой (потенциальной) энергии, связанной с искажением решетки блоков мозаики и зерен кристаллитов, возникновением дефектов упаковки и двойников, зарождением субмикроскопических нарушений сплошности металла и их развитием. Часть энергии, не связанная с этими процессами, превращается в тепло и рассеивается в среде при теплообмене.

Способность металла необратимо поглощать энергию в процессе усталости зависит от различных факторов: параметров циклического нагружения, химических свойств и загрязненности металла, а также окружающей среды (например, затухание колебаний в ПАВ происходит более интенсивно, чем в нейтральной среде) [16, 17]. Циклическая вязкость зависит и от диффузии. Длительные циклические нагружения напряжениями, близкими к пределу выносливости, вызывают повышение выносливости (явление тренировки) так же, как и циклической вязкости, которая у некоторых металлов значительно возрастает с ростом числа нагружений [13, 49, 63, 74, 75, 76].

Среда в значительной степени влияет на усталость. Это влияние начинается с адсорбционного, причем весь процесс усталости в этом случае называется адсорбционной усталостью.

Адсорбционная усталость — это изменение усталостной прочности материала (аморфного или кристаллического) под влиянием адсорбирующихся поверхно-

стно-активных компонентов среды на внешних или развитых внутренних поверхностях дефектов материала при действии циклических напряжений как при растяжении—сжатии, круговом изгибе, так и при контакт- ных циклических напряжениях. На проявление эффекта адсорбционной усталости влияет вид нагружения (например, при контактной усталости значения выносливости при адсорбции снижаются в несколько раз, тогда как при круговом изгибе лишь на несколько десятков процентов). Адсорбционное воздействие слабо влияет на возникновение трещины, а главным образом на ее развитие (в отличие от сред, вызывающих коррозионное, эрозионное и кавитационное воздействие).

Адсорбционная усталость особенно ярко проявляется у материалов, находящихся в хрупком состоянии, например, в случае, если они имеют трещиноподобные дефекты. Пластичные металлы менее подвержены адсорбционной усталости. Усиление ее у материалов с трещинами объясняется сгущением энергии (благодаря аддитивности дисперсионных сил) внутри субмикро； трещин, причем среда, адсорбировавшаяск на стенках дефектов, раскрывшихся при растяжении, мешает их закрытию при напряжениях обратного знака.

При адсорбционной усталости кривая усталости подобна кривой усталости, полученной в нейтральных средах, так же как и в последних, наблюдается горизонтальный участок кривой, параллельный оси абсцисс, позволяющий определить предел адсорбционной усталости (рис. 16, кривая 2). Предел усталости в активированных маслах для стали, закаленной на мартенсит, ниже предела усталости для той же стали в воздухе на 20%, в водных растворах изоамилового спирта, для тех же сталей — на 35%. В расплавах Sn медь и пластичная сталь имели предел адсорбционной усталости на 30% ниже, чем на воздухе, а стальные образцы с концентраторами напряжения, наоборот, в эвтектике Pb + Sn на 20% выше, хотя в последнем случае, очевидно, действовал не только адсорбционный, но и растворяющий эффект, снизивший концентрацию напряжения путем растворения и пластификации активированного деформацией материала дна концентратора.

Адсорбционная усталость зависит от частоты нагружения: чем выше частота, тем ниже эффект адсорбци-

стали 45:стали 45:J — на воздухе 100%; 2 — прн адсорбционной усталости 80%;3 ——при водородной усталости 33,9%, 4 — при коррозионной усталости 17,8%.J — на воздухе 100%; 2 — прн адсорбционной усталости 80%;3 ——при водородной усталости 33,9%, 4 — при коррозионной усталости 17,8%.

стали 45:

стали 45:

J — на воздухе 100%; 2 — прн адсорбционной усталости 80%;

3 ——при водородной усталости 33,9%, 4 — при коррозионной усталости 17,8%.

J — на воздухе 100%; 2 — прн адсорбционной усталости 80%;

3 ——при водородной усталости 33,9%, 4 — при коррозионной усталости 17,8%.

юнной усталости. Цикл растяжения более благоприятен ▲ля нее, чем цикл сжатия. Большие амплитуды содействуют проявлению адсорбционной усталости. Поверхностно-активные среды в зависимости от их охлаждающей способности могут повысить ограниченную выносливость при адсорбционной усталости. Это особенно хорошо наблюдается при высоких частотах у циклически вязких металлов (нагрев металла от циклических напряжений способствует отдыху и снижению выносливости, а охлаждение восстанавлив ает исходные свойства материала；).

Обработка поверхности влияет на адсорбционную усталость в результате по- явления наклепа и изменения величины остаточных напряжений, влияние чистоты поверхности на адсорбционную усталость не выяснено.

Чаще всего адсорбционная усталость наблюдается не в чистом виде, а предшествует другим, более сильным видам воздействия

сред на выносливость (коррозионному, эрозионному и т. п.). Адсорбционная усталость подготавливает материал для протекания этих воздействий, что необходимо учитывать при рассмотрении коррозионного, эрозионного и других видов влияния.

Для борьбы с адсорбционной усталостью применяет- ся накатка роликами, полирование, создание остаточных напряжений сжатия. Адсорбционные среды используются для повышения выносливости материала путем его циклической тренировки, что вызывает ее интенсификацию [16]. Изменение выносливости при адсорбции происходит благодаря эффекту Ребиндера,

который первичен и универсален; явление адсорбционной усталости открыто советскими учеными в 1948 г. [21,42].

Снижение долговечности (усталостной прочности) у металлов, подверженных водородной хрупкости, наблюдается в электролитах под влиянием окклюзии металлом водорода； оно получило название водородной усталости н является составной частью явления коррозионной усталости, происходящей в электролитах при коррозии с водородной деполяр изацией, вызывающей наводороживание катодных участков. Водородная усталость в чистом виде может проявляться при циклическом нагружении металлических образцов в электролите и поляризации от внешнего источника тока с достаточно большой плотностью. При катодной поляризации циклически нагружаемого стального образца в нейтральном электролите (рН = 7) по мере увеличения плотности тока наблюдается постепенный переход от коррозионной усталости к водородной с некоторым максимумом условного предела усталости (точка Б на рис. 17).

Водородная усталость имеет кривую усталости, подобную кривой при коррозионной усталости, т. е. отсутствует истинный предел усталости (см. рис. 16, кривая 3). Исследование водородной усталости имеет большое значение при определении оптимальных условий катодной защиты (плотности тока) циклически нагруженного металла. Эффект водородной усталости установлен в СССР в 1962 г. [31].

В коррозионной среде наблюдается непрерывное (во времени}) снижение усталостной прочности металлов, поддающихся 'электрохимической коррозии, называемое коррозионной усталостью, которая определяет долговечность металлического изделия при действии периодически изменяющихся напряжений и коррозионной среды. Ее обусловливает в основном коррозионный (электрохимический) н механический факторы.

Коррозионная усталость является частичным случаем коррозии под напряжением. Это вредное и опасное явление, выводящее из строя многие машины и сооружения.

В коррозионной среде металлы не имеют истинного предела усталости, кривая усталости непрерывно сни-

Рис. 17. Кривая выносливости стали 45 в 3%-ном водном растворе NaCl: точка Л — выносливость в электролите без поляризации; точка Б — максималь* ная выносливость в электролите при катодной поляризации.Рис. 17. Кривая выносливости стали 45 в 3%-ном водном растворе NaCl: точка Л — выносливость в электролите без поляризации; точка Б — максималь* ная выносливость в электролите при катодной поляризации.

Рис. 17. Кривая выносливости стали 45 в 3%-ном водном растворе NaCl: точка Л — выносливость в электролите без поляризации; точка Б — максималь* ная выносливость в электролите при катодной поляризации.

Рис. 17. Кривая выносливости стали 45 в 3%-ном водном растворе NaCl: точка Л — выносливость в электролите без поляризации; точка Б — максималь* ная выносливость в электролите при катодной поляризации.

жается с увеличением числа циклов нагружений или времени, асимптотически приближаясь к оси абсцисс (см. рис. 16, кривая 4). Таким образо叫 при коррозионной усталости оперируют условным пределом усталости, т. е. тем напряже

нием, при котором металл еще не разрушается при заданном числе циклов напряжений или времени (обычно 20—50 млн, циклов). При асимметричных циклах с преобладанием растягивающих напряжении

коррозионная усталость усиливается, при преобладании сжимающих —наоборот.

Полные диаграммы

усталости стали в коррозионных средах (рис. 18, 19) указывают на значительное уменьшение оа с ростом 。帆 растяжения, тогда как с ростом ат сжатия % резко возрастает (см. стр. 67, 68).

Коррозионная усталость наблюдается в воде, водных растворах солей, кислот, щелочей и других электролитах. Она проявляется тем сильнее, чем агрессивнее среда, хотя между коррозионной усталостью и коррозией без напряжения нет прямой связи, как нет прямой связи между прочностью, усталостной прочностью и коррозионной усталостью. Обычно более прочные металлы (структуры) в большей степени подвержены коррозионной усталости (рис. 20). При коррозионной усталости термообработка не дает повышения усталостной прочности, и стали с наибольшей терм。。 динамической стойкостью (не термообработанные) обладают наивысшей коррозионной — усталостной прочностью. Практика показала, что стали с пределом усталости о五=150+520 Мн/储 имеют условный предел коррозионной усталости 100一150 Мн/м2 (в пресной воде) и 40—80 Мн］諸 в морской воде (при базе 20—50 млн. циклов).

Коррозионной усталостью неправильно называют снижение усталостной прочности под влиянием сред, не вызывающих электрохимической коррозии. При коррозионной усталости в некоторых электролитах долговеч-

Рис 18 Полная диаграмма усталости [83] в морской воде (частота 1500 цикл)мин):

I — рельсовая сталь, 0^=880 Мн/м2, 2 — мягкая стал» (JB~460 М由м\ плоский изгиб.

ность снижается при том же напряжении по сравнению с воздухом в несколько раз (в одном случае в водном растворе Н2s выносливость стали снизилась в 25 раз).

При коррозионной усталости на поверхности металла зарождаются трещины, перпендикулярные к направлению растягивающих напряжений. Излом многолопастный, так как образуется из многих очагов разрушения. На поверхности разрушения наблюдаются две зоны: зона хрупкого разрушения, образующегося в результате

развития коррозионно-усталостной трещины, и зона долом а ——разрушения по оставшемуся сечению в ре~ зультате механического разрыва металла. Коррознон- но-усталостные трещины могут иметь транскристаллит-

Рис. 19. Полная диаграмма усталости нержавеющей стали ОХ12НДЛ:

0^=620 Мн/м2 в пресной воде (частота 1600—2600 цикл/мин): J — вода; 2 — воздух; плоский изгиб, образцы с надрезом.

ный и смешанный характер, в зависимости от среды и ее состояния.

Снижение выносливости под действием коррозионной среды состоит из снижения под действием адсорбционной, водородной и собственно коррозионной усталости. Это хорошо иллюстрируют рис. 17 и 21. На рисунках линия аб показывает уровень предела усталости стали 45 на воздухе, а кривая ГАБВ ——условные пределы усталости той же стали в 3%-ном водном растворе NaCl в зависимости от плотности катодного и анодного токов при поляризации испытуемых образцов от внеш-

него источника тока. Левая ветвь кривой (ГД) показывает снижение условного предела коррозионной усталости при анодной поляризации. При катодной поляри-

Рис. 20. Зависимость предела усталости от предела прочности стали:I — воздух; 2 — морская вода.Рис. 20. Зависимость предела усталости от предела прочности стали:I — воздух; 2 — морская вода.1WW -1WW -

Рис. 20. Зависимость предела усталости от предела прочности стали:

I — воздух; 2 — морская вода.

Рис. 20. Зависимость предела усталости от предела прочности стали:

I — воздух; 2 — морская вода.

1WW -

1WW -

зации идет повышение условного предела усталости до точки Б, а затем поляризация вызывает снижение кривой, что объясняется наложением на коррозионноусталостный процесс водородной усталости (кривая БВ).

Из рис. 21 видно, что адсорбционная усталость всегда дает снижение условного предела коррозионной усталости, хотя величина этого снижения может быть и не такой, как на схеме.

Адсорбционная усталость ——первична и предвосхищает все другие явления. В средах, в которых происходит коррозия с водородной деполяризацией на катодных участках металла, наблюдается водородная усталость, особенно при высоких амплитудах циклических напряжений. Во всех других случаях протекает коррозионная усталость, обусловленная активированными деформациями, коррозионными процессами на анодных участках металла.

Коррозионная усталость усиливается с увеличением амплитуды циклических напряжений. При увеличении частоты на нее влияют два фактора: увеличивается скорость деформации, т. е. активация металла, а стало

быть коррозионные процессы, и уменьшается время пребывания в среде, снижающей выносливость. Влияние этих противоположно действующих факторов выясняется, если строить кривые коррозионной усталости в коор

Рис. 21. Схема снижения выносливости:/ — от коррозионной усталости;2 — от водородной усталости;3 — от адсорбционной усталости.Рис. 21. Схема снижения выносливости:/ — от коррозионной усталости;2 — от водородной усталости;3 — от адсорбционной усталости.динатной системе напряжение —время, а не в обычно принятой: напряжение ——число циклов.

Рис. 21. Схема снижения выносливости:

/ — от коррозионной усталости;

2 — от водородной усталости;

3 — от адсорбционной усталости.

Рис. 21. Схема снижения выносливости:

/ — от коррозионной усталости;

2 — от водородной усталости;

3 — от адсорбционной усталости.

Отрицательное действие на усталость концентраторов напряжения в коррозионных средах снижается, так как дно концентратора, материал которого активирован концентрацией деформации, корро- зионно разъедается и притупляется. Масштабный эффект в коррозионных средах изменяется следующим образом: чем больше размеры изделия, тем выше его коррозионно-усталостная прочность [18]. Загрязнение металла неметаллическими включениями усиливает коррозионную усталость [28]. Структура металла оказывает воздействие на его активность; термодинамически менее активные структуры более стойки к коррозионной усталости, например, перлит-ферритная структура более стойкая по сравнению с мартенситной. Этим же положением объясняется влияние на коррозионную усталость механической обработки: чем больше механическая обработка активирует обрабатываемую поверхность, тем благоприятнее условия для коррозионной усталости [20].

Меры борьбы [17] с коррозионной усталостью заключаются в снижении активности среды (например,

ингибированием, которое, однако, в некоторых случаях превращает коррозионную усталость в ад со р бцио н ную.) путем подбора металла, отжига его поверхностного слоя, покрытия стойкими металлами и неметаллами (пластмассами) и т. п. Хорошие результаты дает наклеп поверхности, вызывающий появление остаточных напряжений сжатия, повышающих усталостную прочность, и завальцовывающий трещины, по которым среда может проникать в объем металла, хотя наклепанный

металл более активирован, чем ненаклепанный [5, 71].

По виду нагружения, действующего периодически, величине напряжения и частоте выделяются два часто встречающихся в технике явления: усталость от контактных напряжений и так называемая малоцикловая усталость.

Контактная усталость —— это усталость приповерхностных слоев материала, наблюдаемая при повторном нагружении, например, у таких соприкасающихся и давящих друг на друга деталей машин и механизмов, как зубчатые колеса, подшипники качения и т. п. Как правило, для этих деталей используются высокопрочные материалы (стали со структурой мартенсита или низкоотпущенного мартенсита — мартенсит + карбиды). Разрушение в этом случае носит характер выкрашивания или отслаивания чешуек с поверхности и образования язв; по мере упрочнения приповерхностных слоев металла они теряют связь с материалом, расположенным в глубине, вспучиваются и раздавливаются последующими нагружениями, что вызывает чешуйчатое отслаивание материала с возможным образованием в этом месте язв и трещин [40]. У мягких пластичных материалов наблюдается адгезионное схватывание материалов («наволакивание» или «намазывание» материала одной детали на другую).

При контактном действии нагрузки возникают нормальные напряжения, подсчитываемые по Герцу [10], а при качении двух твердых тел различной кривизны присоединяются еще нагрузки, касательные к поверхности.

Контакт двух материалов происходит по очень малой площадке, зависящей от свойств материала, величины напряжения и формы контактирующих тел. В месте контакта наблюдается сложнонапряженное состояние от действия нормальных и касательных сил, осложненное наличием на контактирующих площадках масляной пленки. Нормальные напряжения действуют в приповерхностном слое материала, тогда как касательные —на некотором расстоянии от поверхности (в глубине металла). Эпюра распространения контактных напряжений характерна высоким градиентом.

Контактная усталость наступает в результате местных многократных микропластических деформаций,

вызываемых контактными напряжениями. При ней наблюдаются многие явления, сопровождающие обычную усталость металлов на воздухе и среди них образование н рост трещин, приводящие к усталостному разрушению, которое зависит от числа циклов и величины напряжения. Так же, как и при обычной усталости на воздухе, имеется напряжение, ниже которого разрушение от контактной усталости не происходит, т. е. существует предел контактной усталости.

Контактная усталость металлов зависит от дефектности и загрязненности металла (рис. 23), а также от окружающей среды. В работе [35] установлено проявление эффекта Ребиндера при контактной усталости (рис 22).

До настоящего времени является спорным вопрос, какие напряжения ответственны за контактную усталость в воздухе. Согласно [10] начальные трещины зарождаются на поверхности качения и распространяются в глубь металла под некоторым углом к поверхности. В работе [55] указано, что первичные трещины образуются на некоторой глубине под поверхностью качения» распространяются почти параллельно поверхности и все же выходят на нее. Сторонники первой точки зрения считают ответственными за разрушение нормальные напряжения, сторонники второй — касательные.

Многие исследователи ограничивают роль масла при контактной усталости только его расклинивающим действием, не учитывая того, что масло адсорбционно влияет на прочность и пластичность материала. Исследование [35] показало, что при смазке инактивными маслами первичные трещины образуются в зоне действия максимальных касательных напряжений на некоторой глубине под поверхностью； при смазке поверхностно-активными маслами первичные трещины зарождаются на поверхности и распространяются в глубь металла под углом примерно 55° к поверхности. В первом случае ответственными за разрушение от контактной усталости являются касательные напряжения, во втором —— нормальные.

Контактную усталость исследуют на роликовых машинах, для которых из испытуемого материала изготавливают перекатывающиеся цилиндрические ролики, прижимаемые друг к другу определенной нагрузкой

(машины могут быть выполнены по схемам: качение

с принудительным скольжением, качение по принципу фрикционной передачи, чистое качение).

Особенностью разрушения от контактной усталости

является значительная вероятность появления язв окоявляется значительная вероятность появления язв около случайного поверхностного дефекта, возникающего часто в результате термической или механической обработки. Поэтому, как правило, при испытании образцов на контактную усталость наблюдается значительный разброс опытных данных по долговечности. В этой связи эксперименты на контактную выносливость проводятся обычно на одном уровне напряжений (в отличие от обычной или малоцикловой усталости).Получение достоверных данных исследованияло случайного поверхностного дефекта, возникающего часто в результате термической или механической обработки. Поэтому, как правило, при испытании образцов на контактную усталость наблюдается значительный разброс опытных данных по долговечности. В этой связи эксперименты на контактную выносливость проводятся обычно на одном уровне напряжений (в отличие от обычной или малоцикловой усталости).Получение достоверных данных исследования1д /V1д /VРис 22 Функция логарифмически нормального распределен ния контактной выносливости стали ШХ15 в масляных ере* дахРис 22 Функция логарифмически нормального распределен ния контактной выносливости стали ШХ15 в масляных ере* дахна контактную усталость достигается при сравнительно небольшом числе опытов (обработку проводят статистическими методами, указывающими, что логарифмы чиселна контактную усталость достигается при сравнительно небольшом числе опытов (обработку проводят статистическими методами, указывающими, что логарифмы чисел/ — стандартная смазка (масло индустриальное 50), 2 —> то же активированное стеариновой кисло той/ — стандартная смазка (масло индустриальное 50), 2 —> то же активированное стеариновой кисло той

является значительная вероятность появления язв око

является значительная вероятность появления язв око

ло случайного поверхностного дефекта, возникающего часто в результате термической или механической обработки. Поэтому, как правило, при испытании образцов на контактную усталость наблюдается значительный разброс опытных данных по долговечности. В этой связи эксперименты на контактную выносливость проводятся обычно на одном уровне напряжений (в отличие от обычной или малоцикловой усталости).

Получение достоверных данных исследования

ло случайного поверхностного дефекта, возникающего часто в результате термической или механической обработки. Поэтому, как правило, при испытании образцов на контактную усталость наблюдается значительный разброс опытных данных по долговечности. В этой связи эксперименты на контактную выносливость проводятся обычно на одном уровне напряжений (в отличие от обычной или малоцикловой усталости).

Получение достоверных данных исследования

1д /V

1д /V

Рис 22 Функция логарифмически нормального распределен ния контактной выносливости стали ШХ15 в масляных ере* дах

Рис 22 Функция логарифмически нормального распределен ния контактной выносливости стали ШХ15 в масляных ере* дах

на контактную усталость достигается при сравнительно небольшом числе опытов (обработку проводят статистическими методами, указывающими, что логарифмы чисел

на контактную усталость достигается при сравнительно небольшом числе опытов (обработку проводят статистическими методами, указывающими, что логарифмы чисел

/ — стандартная смазка (масло индустриальное 50), 2 —> то же активированное стеариновой кисло той

/ — стандартная смазка (масло индустриальное 50), 2 —> то же активированное стеариновой кисло той

циклов до разрушения

образцов, испытанных при одинаковом напряжении, распределяются нормально) {8]. Показателем логарифмически нормального распределения случайной величины IgN является прямая линия на вероятностной сетке, на которой по оси абсцисс откладываются значения IgN,

а по оси ординат — значения накопленной частоты

[Н =[Н =/г+1/г+1• 100], % I или значений Up,• 100], % I или значений Up,так называемыетак называемые

[Н =

[Н =

/г+1

/г+1

• 100], % I или значений Up,

• 100], % I или значений Up,

так называемые

так называемые

1 i ——частотные характеристики, п ——общее число результатов, опытов

жения дает качественную активированной смазки (на рис.жения дает качественную активированной смазки (на рис.Рис. 23 Контактная выносливость стали ШХ15 в зависимости от загрязненности*J — активироваииое масло; 2 — обычное масло.Рис. 23 Контактная выносливость стали ШХ15 в зависимости от загрязненности*J — активироваииое масло; 2 — обычное масло.явление деформации иявление деформации иА. Б. Кус-А. Б. Кус-

жения дает качественную активированной смазки (на рис.

жения дает качественную активированной смазки (на рис.

Рис. 23 Контактная выносливость стали ШХ15 в зависимости от загрязненности*

J — активироваииое масло; 2 — обычное масло.

Рис. 23 Контактная выносливость стали ШХ15 в зависимости от загрязненности*

J — активироваииое масло; 2 — обычное масло.

явление деформации и

явление деформации и

А. Б. Кус-

А. Б. Кус-

квантили нормального распределения [8]. Функции логарифмически нормального распределения контактной выносливости стали ШХ15 в зависимости от рабочей среды приведены на рис 22. Описанный способ изобра

характеристику влияния 22 все точки прямой 2, полученной при активированной смазке, лежат левее точек прямой / — значений контактной усталости, полученной при стандартной смазке, т. е. в зоне меньших долговечностей).

Для получения качественных характеристик металла при контактной усталости строятся диаграммы в координатах: контактная выносливость .V млн. циклов нагружений и какая-либо пе

ременная, характеризующая свойства металла. Так, на рис. 23 представлены зависимости контактной выносливости стали ШХ15 от ее загрязненности хрупкими

включениями.

Для снижения контактной усталости применяется легирование сталей, например, хромом, никелем и др. Хорошие результаты дает применение методов упрочнения поверхности и среди них в первую очередь цемен* тирование и цианирование. Можно рекомендовать диффузионное упрочнение приповерхностного слоя хромом, вольфрамом, бором, молибденом и другими, а также методы механического упрочнения приповерхностных слоев. Поверхностное упрочнение дает возможность ■оставлять вязкую сердцевину, стойкую к динамическим нагрузкам [27].

действием низкочастотныхдействием низкочастотныхМалоцикловая усталость 】 разрушения материалов под

действием низкочастотных

действием низкочастотных

1 Материал о малоцикловой усталости написан лицким.

повторных нагрузок высокой интенсивности. Малоцикловая усталость наблюдается в области упруго-пластических деформаций и обычно сопровождает много- цикловую (обычную) усталость. Малоцикловая уста- лость наблюдается, например, в момент посадки самолета, при наезде автомашины на препятствие, когда к обычным переменным напряжениям, меньшим От, вызывающим усталость, прибавляются переменные напряжения, близкие к От, причем обычно последние действуют короткое время.

В чистом виде малоцикловая усталость наблюдается, когда в течение всего времени нагружения металл находится только под действием переменных напряжений, близких к От. Она осуществляется при лабораторных испытаниях, которые необходимы для оценки металла при работе материала ряда конструкций: корпусов судов, летательных аппаратов, котлов, реакторов, сосудов высокого давления и глубокого погружения, строительных конструкций, вакуумных и других аналогичных устройств.

В отличие от многоцикловой для малоцикловой усталости характерны три специфические особенности: высокий уровень напряжений (деформаций), обусловливающих долговечность материала не более 105 циклов; низкая частота циклических нагрузок (не более 50 циклов в минуту, чаще всего 0,1 ——10 циклов); наличие контролируемого параметра — вида нагружения (по предельной нагрузке или напряжению — мягкое нагружение, а по предельной деформации — жесткое нагружение) .

Сопротивление материала малоцикловой усталости называется малоцикловой выносливостью, критерием которой является долговечность материалов в циклах N или единицах времени, при этом наряду с долговечностью необходимо указывать вид нагружения, частоту нагрузки, величину деформации £ или напряжения (как правило, условного).

Испытания материалов на малоцикловую усталость производятся на специальных машинах. Результаты испытаний обрабатываются методами математической статистики согласно ГОСТ 2860——65, при этом долговечность подсчитывается для определенного интервала, т. е. для различной вероятности разрушения [8].

Результаты испытаний материалов при мягком нагружении (рис. 24, q) обычно представляют в виде зависимости: максимальные (условные) напряжения — число циклов до разрушения. Для большей части ма-

Рис. 24. Типичные кривые малоцикловой усталости при мягком (Q)и жестком (6) нагружениях

териалов кривая о—IgN имеет в диапазоне долговечностей от 0,5 до 108 циклов. Показанная на рис. 24 примерно до 104 циклов кривая состоит из почти горизонтального участка.

При изображении результатов в двойной логарифмической шкале график приближается к трем прямолинейным отрезкам.

При мягком нагружении металлов в области малой долговечности с осевой нагрузкой образуется излом вязкого вида с шейкой как при обычном статическом растяжении (квазистатическое разрушение), причиной появления которого является накопление односторонней деформации. При этом даже при неизменной нагрузке истинное напряжение повышается. Этот процесс накопления односторонней деформации называется циклической пли динамической ползучестью. Одновременно имеет место циклическая деформация, которая сопро-

вождается накоплением повреждений, а затем образо- ванием и развитием трещины усталости, что приводит к усталостному разрушению.

При жестком нагружении амплитуда деформации сохраняется неизменной в течение всего испытания. При этом уровень напряжений меняется от цикла к циклу; при поддержании постоянной амплитуды полной циклической деформации (упругая плюс пластическая составляющие) доля пластической составляющей также изменяется. Накопления односторонней деформации при жестком нагружении ввиду ограничений по деформациям не происходит, поэтому разрушение даже при очень больших амплитудах деформации имеет усталостный характер.

Метод испытаний на малоцикловую усталость с жестким нагружением получил в настоящее время наибольшее р аспростр анение. Результаты испытаний при жестком нагружении обычно представляют в виде зависимости: размах или амплитуда циклической деформации е ——число циклов до разрушения N. Кривая зависимости е — lg N имеет вид, изображенный на рнс. 24, б. При малых долговечностях она иде/г почти параллельно оси е, т. е. долговечность при больших амплитудах деформации резко уменьшается с ростом деформации. В двойных логарифмических координатах график lg g ——IgN состоит из двух, а иногда из трех отрезков. При деформациях, намного превышающих предел пропорциональности, когда доля упругих деформаций мала по сравнению с пластическими, график N=f(&) строится по значениям полной (суммарной) деформации. Такая интерпретация удобна, ибо полную деформацию легко измерить непосредственно на образце. При малоцикловой усталости кривые долговечности дают различную интерпретацию данных в зависимости от изображения кривых долговечности, либо в виде N=f(e) или N=f(o), либо М=，(о/оо,2)(мнимая инверсия).

Связь между циклической деформацией и числом циклов до разрушения при малоцикловой усталости в широком диапазоне долговечностей (от 1 до 106 циклов) выражается уравнением Коффина—Мэнсона Епл^^ =С, где £пл ——размах циклической пластической деформации; m и С — постоянные, которые в двойных

логарифмических координатах представляют прямую линию с тангенсом угла наклона т.

Эта зависимость построена в предположении постоянства пластической деформации в процессе нагружения, что в действительности трудно осуществимо. При относительно высоких деформациях, превышающих предел пропорциональности, данные испытания на малоцикловую усталость можно представить в виде зависимости еПолнЛ^т=С, поскольку доля упругих деформаций по сравнению с пластическими невелика. При малой амплитуде полной циклической деформации пластическая деформация весьма мала, чтобы ее можно было отделить от упругой и с достаточной точностью измерить. В этом случае в уравнении Коффина—Мэнсона также используется значение полной циклической деформации.

Вследствие гистерезиса, а также нелинейности связи между предельными нагрузками и перемещениями необходимо решать упруго-пластическую циклическую задачу. Указанная задача решена отечественными исследователями, разработавшими методы аналитического описания кривых циклического деформирования. С помощью этих методов можно оценить напряженное состояние и несущую способность деталей, работающих при циклических упруго-пластических деформациях.

Механизм разрушения при малоцикловой усталости занимает как бы промежуточное положение между статическим разрушением и чисто усталостным (т. е. при многоцикловой усталости). При циклической упругопластической деформации так же, как и при статической, сразу же образуются резкие полосы скольжения, число которых в процессе циклического деформирования увеличивается. Большие амплитуды вызывают возникновение грубого сдвига и его распространение на расстояние, равное сотням периодов решетки. Этим объясняется немедленное появление видимых полос. При малоцикловой усталости зерна сразу же превращаются в разориентированные блоки, в то время как при обычной усталости ориентация внутри зерен почти не изменяется, что легко обнаруживается рентгеноструктурным анализом.

Циклическая упруго-пластическая деформация обычно рассматривается как трехстадийный процесс. Первая

стадия — структурные изменения и накопление дефектов решетки — занимает около 1% общей долговечности. В течение второй стадии на структурные изменения накладывается деструкция — зарождение и распространение первичных усталостных трещин. На зто访 стадии внутри зерен образуются видимые микроскопические блоки, разделенные трещинками. Величина блоков определяется амплитудой первого цикла и не изменяется при последующем деформировании. В третьей стадии мелкие трещины сливаются в магистральную трещину, которая распространяется вглубь и является непосредственной причиной разрушения.

Если аналогично обычной усталости рассматривать долговечность материала как суммарную длительность периодов зарождения и распространения трещины, то при малоцикловой усталости длительность второго периода занимает, по данным разных исследователей, 75—95% всей долговечности. Закономерности процесса распространения трещины при малоцикловой усталости зависят прежде всего от характера разрушения металла ——межзеренного (интеркристаллитного!) или внутри- кристаллитного.

Как правило, при напряжениях ниже предела текучести металла происходит транскристаллитное разрушение, а выше предела текучести — интеркристаллит- ное. При напряжениях порядка предела текучести От в пределах ±20% существует переходная зона, где наблюдаются оба характера разрушения. Некоторые факторы (в частности, концентрация напряжения, уменьшение частоты, действие наводороживания и т. д.) сдвигают переходную зону в сторону меньших напряжений. Есть данные, что при одинаковой амплитуде деформации менее прочные стали разрушаются интер- кристаллитно.

В связи с тем, что науку о малоцикловой усталости как с а мостоятел ьную ветвь науки об усталости материалов стали рассматривать сравнительно недавно (первые работы появились в конце 1950-х годов), многие важные и принципиальные вопросы ее развития либо еще не исследованы, либо исследованы недостаточно и поэтому дискуссионны. В основном это касается изучения влияния различных факторов на долговечность материалов при малоцикловой усталости.

Последние исследования показали, что повышение прочности металла при той же пластичности приводит к значительному увеличению его усталостной прочности в воздухе и к некоторому повышению малоцикловой долговечности, причем последняя значительно увеличивается с повышением пластичности.

При низких амплитудах коррозионные и наводоро- живающие среды оказывают большее влияние на малоцикловую усталость, чем на обычную; с повышением амплитуды влияние этих сред уменьшается, тогда как влияние адсорбционно-активных сред возрастает, что объясняется увеличением в этом случае количества зерен, находящихся в зоне пластической деформации, когда необходимая для диффузионных и электрохими- ческих процессов энергия упругой деформации сни-

ткается.

При малоцикловой усталости по величине стационарного электродного потенциала ненапряженной стали нельзя судить о ее коррозионно-усталостной прочности в процессе деформации. Стали с более высоким пределом текучести обладают вначале более высоким электродным потенциалом, но он быстрее разблагоражи- ваетсн, чем у менее прочных сталей в процессе цикли

ческого нагружения.

тельно меньше — асимметрия цикла.Очень велика зависимость долговечности металлательно меньше — асимметрия цикла.Очень велика зависимость долговечности металлаНаиболее существенное влияние на долговечность оказывают параметры циклического нагружения: амплитуда напряжений (деформаций) и частота, значи

тельно меньше — асимметрия цикла.

Очень велика зависимость долговечности металла

тельно меньше — асимметрия цикла.

Очень велика зависимость долговечности металла

при малоцикловой усталости от его уровня прочности и пластичности. Для конструкционных сталей с дефор

мацией до 1% долговечность на воздухе удовлетвори

у1 -屮у1 -屮тельно коррелирует с критерием механических свойств

у

1 -屮

у

1 -屮

б, полученных при статических испытаниях

металла наметалла нарастяжение, что свидетельствует о преобла-

металла на

металла на

дающем воздействии пластичности (в противоположность

обычной усталости, где превалирует влияние прочности). При выборе сталей для эксплуатации в режиме малоцикловой усталости особо надо учитывать, что чем выше будет уровень напряжений (деформаций), тем выше должны быть показатели пластичности этой

стали.

Для работы в режиме малоцикловой усталости на воздухе при комнатных температурах предпочтительней хорошо сваривающиеся стали (сплавы) среднего (От<1000 附〃/叫 и весьма высокого уровней прочности. Оптимальный вид термообработки таких сталей — нормализация или закалка с высоким отпуском. Малоэффективны и даже опасны для использования в режиме малоцикловой усталости высокопрочные закаленные низкоотпущенные и сверхпрочные мартенситные стали. Это объясняется тем, что низкий уровень пластичности усугубляет опасность хрупкого разрушения, склонность к которому при малоцикловой усталости резко повьь шается.

Хотя ранее считалось, что из-за высокого уровня напряжений (деформаций) действие большинства факторов, особенно поверхностных (концентрации напряжений, механической обработки, среды и т. п.), при малоцикловой усталости нивелируются, оказалось, что выносливость материалов при этом очень зависит от тех факторов, что и выносливость при обычной усталости, но степень этой зависимости различна. Так, значительным оказалось отрицательное влияние концентрации напряжений, шероховатости поверхности от механической обработки, остаточных напряжений растяжения и т. п.

Положительное влияние на выносливость в этом случае оказывало повышение чистоты поверхности и наличие сжимающих остаточных напряжений. В частности, различные упрочняющие обработки намного повышают выносливость конструкционных сталей за счет действия указанных факторов. Однако при эксплуатации деталей в режиме малоцикловой усталости следует осторожно применять для них упрочняющие технологии, поскольку обычно упрочнение снижает пластичность металла, тем самым значительно уменьшая его долговечность при высоком уровне напряжений (деформаций). Характерно, что упрочненный металл при невысоком уровне деформаций имеет огромное преимущество перед неупрочненным (в отдельных случаях выносливость возрастает в 10—15 раз). В то же время чем выше уровень напряжений, тем меньше преимущество упрочненного металла, а при весьма высоких деформациях

(е>3+4%) выносливость неупрочненного металла превышает аналогичный показатель упрочненного.

Значительно сильнее, чем при обычной усталости сталей, при малоцикловой усталости проявляется влияние неметаллических включений, газов, вредных при- месей и кристаллизационных дефектов. С точки зрения активации металла следует рассматривать отдельно высокотемпературную малоцикловую усталость металлов и сплавов, где влияние температуры оказывается более сильным, нежели при обычной усталости.

Испытания на малоцикловую усталость получили широкое распространение даже в тех случаях, когда испытуемый материал не предназначен для эксплуатации в режиме такого вида усталости. Это объясняется тем, что в ходе таких испытаний материал длительно работает в исключительно тяжелых предельных уело» виях и в результате испытания дает полную и объективную информацию о потенциальных возможностях выносливости материала, что особенно ценно при сравнительных исследованиях [46, 62, 72].

Хрупкое разрушение металлов при длительном действии статической силы при нормальных температурах называется статической усталостью, являющейся частью замедленного разрушения, к которому относятся при повышенных температурах ползучесть, когда металл деформируется (течет) при постоянных нагрузках, а при низких температурах — хрупкое разрушение, носящее название хладноломкости [17].

При статической усталости перед разрушением не наблюдается заметной пластической деформации; излом хрупкий, похожий на усталостный. Механизм статической усталости не исследован. Статическая усталость имеет место при напряжениях, меньших вт и <гв у закаленных на троостит и мартенсит затянутых фундаментных болтов (в энергомашиностроении'), имеющих 仇=12500 Мн[" [76]. Эффект особенно заметен на гальванизированных сталях, и поэтому полагают, что разрушение происходит в результате водородной хрупкости.

Усталостная прочность зависит на воздухе от формы и абсолютных размеров изделия: при полном сохранении геометрического подобия большие изделия менее

прочны, чем изделия меньших размеров. Это явление называется масштабным эффектом. Оно наблюдается как по диаметру изделия, так и по его длине, особенно в интервале диаметров 0,5—50 жж. Установлено, что шлифованные изделия меньше подвергаются влиянию размеров, чем грубо обработанные, у легированных сталей масштабный эффект проявляется сильнее, чем у углеродистых, и его проявления усиливаются с увеличением предела усталости. Опыты показали, что среднеуглеродистая сталь в образцах диаметром 200 мм имеет в 1,5—2 раза меньшую усталостную прочность, чем в образце диаметром 2 мм.

Существует ряд гипотез, объясняющих явление масштабного эффекта. Согласно одной из них в соответствии с статистической теорией при циклическом нагружении с увеличением абсолютных размеров увеличивается объем металла, находящегося под влиянием максимальных напряжений, одновременно с этим возрастает возможность появления слабых мест в этом объеме в виде различных дефектов, на основе которых возникает разрушение. Другая гипотеза объясняет факт увеличения усталостной прочности на воздухе изделий малого сечения тем, что в результате механической обработки в них наблюдается больший эффект упрочнения. Действительно, относительная глубина упрочненного слоя в изделиях малого диаметра больше, чем в изделиях большого диаметра.

В коррозионных средах масштабный эффект претерпевает инверсию [16], т. е. изделия большого диаметра делаются прочнее, чем изделия меньшего диаметра, 4то объясняется ослаблением прочности приповерхностного слоя под влиянием среды. Чем больше относительное ослабление приповерхностного слоя при циклическом изгибе, тем выше инверсия масштабного эффекта, т. е. изделия малого сечения должны быть слабее изделий большого сечения (рис. 25). Форма тоже влияет на прочность и долговечность при хрупком разрушении. Это называется эффектом формы [17]. Установлено, ат。при циклическом изгибе на воздухе наибольшую прочность имеют изделия круглого сечения, а наимень- тую — двухтаврового (квадратные и крестоподобные сечения занимают промежуточное место). Влияние средн в этом случае не выяснено.

Усталость валов с насадками в различных средах вызывает явление фреттинг-коррозии, которое представ- ляет снижение прочности и долговечности циклически нагруженного вала под влиянием насажденной на него

вости стали 20Хвости стали 20ХI — на воздухе, 2 — в масле МС+2% СрНззСООН, 3 — в водеI — на воздухе, 2 — в масле МС+2% СрНззСООН, 3 — в воденые же процессы зависятные же процессы зависятвтулки (рис. 26)1. Насаженная на вал какой-либо посадкой (от прессовой до скользящей) втулка при номинальной неподвижности относительно вала при вращении и изгибе все же перемещается на валу и изнашивает его. Этому износу, обусловленному трением скольжени я, сопутствует

вости стали 20Х

вости стали 20Х

I — на воздухе, 2 — в масле МС+2% СрНззСООН, 3 — в воде

I — на воздухе, 2 — в масле МС+2% СрНззСООН, 3 — в воде

ные же процессы зависят

ные же процессы зависят

иногда образование язв из- за вырывания схватывающихся при трении мест вала и втулки

Процесс фреттинг-корро- зии сопровождается образованием окисленных продуктов износа красного цвета. Под влиянием трения анодные процессы усиливаются в связи со стиранием пассивирующей пленки; катод- от доступа деполяризатора —— потенциал в положительную

кислорода, сдвигающего сторону. Окисленные продукты износа способствуюткислорода, сдвигающего сторону. Окисленные продукты износа способствуютусилению абразивного износа, действие которого вызывает изменение структуры приповерхностного слоя металла вала или втулки (наблюдается даже искажение решетки, фрагментация зерен и др.). Кроме того, фреттинг-коррозия сопровождается электронной эмиссией, сти мул и рующей химические реакции, что способствует износу. В результате износа образуются кольцевые концентраторы напряжения, снижающие циклическую прочность вала.

кислорода, сдвигающего сторону. Окисленные продукты износа способствуют

кислорода, сдвигающего сторону. Окисленные продукты износа способствуют

Как видно из сказанного, фреттинг-коррозия — сложный процесс, чем и объясняется отсутствие единой

1 Графики построены В М Сирак.

точки зрения на его механизм. Очевидно, он состоит по крайней мере из двух групп явлений: механической, включающей трение и износ, вызванные циклическими напряжениями и концентрацией напряжений, и физико- химической, включающей структурные, а возможно, и

353。2520Г510353。2520Г510Рис 26 Кривые выносливости образцов диаметром 50 力力 из стали 35 (о), 38ХНМА (б) и 38ХНМА (КТ-100) (в)/, 7 — без насадок с упрочнением, 2, “，3, JII — с насадками соответственно с упрочнением н без упрочнения (с, 6). /, I, 2, 11 — бе。насадок соответственно без упрочнения и с упрочнением, 3, /V — с насадками соответственно без упрочнения и с упрочнение л (б) (арабские цифры — испытания в воздухе, римские — в коррозионной среде).Рис 26 Кривые выносливости образцов диаметром 50 力力 из стали 35 (о), 38ХНМА (б) и 38ХНМА (КТ-100) (в)/, 7 — без насадок с упрочнением, 2, “，3, JII — с насадками соответственно с упрочнением н без упрочнения (с, 6). /, I, 2, 11 — бе。насадок соответственно без упрочнения и с упрочнением, 3, /V — с насадками соответственно без упрочнения и с упрочнение л (б) (арабские цифры — испытания в воздухе, римские — в коррозионной среде).失吟£匕伤仞失吟£匕伤仞

35

3。

25

20

Г5

10

35

3。

25

20

Г5

10

Рис 26 Кривые выносливости образцов диаметром 50 力力 из стали 35 (о), 38ХНМА (б) и 38ХНМА (КТ-100) (в)

/, 7 — без насадок с упрочнением, 2, “，3, JII — с насадками соответственно с упрочнением н без упрочнения (с, 6). /, I, 2, 11 — бе。насадок соответственно без упрочнения и с упрочнением, 3, /V — с насадками соответственно без упрочнения и с упрочнение л (б) (арабские цифры — испытания в воздухе, римские — в коррозионной среде).

Рис 26 Кривые выносливости образцов диаметром 50 力力 из стали 35 (о), 38ХНМА (б) и 38ХНМА (КТ-100) (в)

/, 7 — без насадок с упрочнением, 2, “，3, JII — с насадками соответственно с упрочнением н без упрочнения (с, 6). /, I, 2, 11 — бе。насадок соответственно без упрочнения и с упрочнением, 3, /V — с насадками соответственно без упрочнения и с упрочнение л (б) (арабские цифры — испытания в воздухе, римские — в коррозионной среде).

失吟£匕伤仞

失吟£匕伤仞

фазовые превращения в приповерхностных слоях металла, а также процессы коррозии на них и окисление продуктов износа.

При фреттинг-коррозии как из однородных, так и разнородных материалов вала и втулки (стали, латуни, дюралюминия, пластмассы, резины) усталостная прочность стальных валов (при втулках из этих материалов) снижается с повышением прочности стали вала.

Явления фреттинг-коррозии имеют место на воздухе, в морской воде и спектрально чистом аргоне; в последнем они обусловлены действием в основном механичес-

ких факторов, а на воздухе и в морской воде, кроме того, — коррозионным электрохимическим поражением и ускоренным окислением продуктов изнашивания.

Циклическая прочность валов при фреттинг-корро- зии при большой базе испытаний (больше 109 циклов) на воздухе зависит от природы материала как вала, так и втулки; при больших базах испытаний предел усталости не проявляется и критерием усталостной прочности служит условный предел выносливости.

На фреттинг-коррозию влияют конструктивные параметры втулки. С увеличением длины втулки фреттинг-коррозия усиливается.

Возрастание диаметра втулки повышает жесткость сочленения и также усиливает эффект. Во всех средах величина насадки втулки на вал (скользящей, прессовой, нулевого натяга) существенно не сказывается на фреттинг-коррозии. В коррозионных средах к эффекту фреттинг-коррозии прибавляется еще щелевой эффект.

Масштабный эффект при фреттинг-коррозии на воздухе проявляется так же, как и у валов без насадки, причем он проявляется сильнее при испытании стальных валов и втулок, чем при стальном вале и латунной втулке. В агрессивных средах при фреттинг-коррозии инверсии масштабного эффекта не обнаружено, как это имеет место у валов без насадки.

Обкатка роликами (поверхностное упрочнение) валов под насадку при фреттинг-коррозии повышает выносливость на воздухе, в коррозионной же среде эффект от накатки постепенно снижается, причем после определенной базы испытания снижение резкое. Очевидно, причиной является разрушение упрочненного слоя коррозией.

Методы защиты от фреттинг-коррозии, применяемые в настоящее время (упрочнение вала, применение прокладок, гальванические и лаковые покрытия, смазка, подбор оптимальных пар в соответствии с рядом Вольты), не являются универсальными.

ХРУПКОСТЬ

Хрупкость — бездеформационное разрушение твердого тела, вызванное отрывом (действием нормальных напряжений) ,протекающим в области упругих деформаций без сколь-либо заметных пластических деформаций. Пластичное состояние характеризуется вязким разрушением, вызванным действием касательных на- пряжений. Виды разрушения зависят от соотношения между сопротивлениями отрыву и срезу.

Хрупко разрушаются твердые тела от действия статических сил при комнатной температуре, например стекло, мрамор, чугун и др.; вязко разрушаются многие металлы. Неметаллические твердые тела с ковалентными связями разрушаются обычно хрупко. Однако даже при действии статических сил при комнатной температуре возможен случай, что такие хрупкие тела, как стекло или чугун будут деформироваться пластически, например, при растяжении и значительном всестороннем сжатии (несколько тысяч атмосфер), поэтому деление твердых тел на хрупкие и пластичные условно, и хрупкость можно считать свойством твердого тела только при указании условий его деформирования. Металлы пластичны, но в условиях закрепления большого количества дислокаций переходят в хрупкое состояние (например, при добавлении легирующих элементов). Переход от вязкого разрушения к хрупкому у металлов происходит, когда левая часть уравнения {c^d +K)K=Gу станет больше правой. Здесь о — сопротивление движению дислокаций (облака Котрел- ла); d — диаметр зерна; К — величина, обусловливающая движение дислокаций (зависит от напряжения); у — поверхностная энергия; G — модуль сдвига. Тем- пература влияет на значения о н К. Причины, затрудняющие движение дислокаций (например, добавки углерода, азота, кислорода и ряда других элементов, а также наклеп и закалка), переводят металлы в хрупкое состояние, отжиг и зонная очистка повышают пластичность.

Когда сопротивление хрупкому разрушению зависит от времени (т. е. необходимое для разрушения напряжение снижается со временем), такое разрушение на-

зывается замедленным. Для некоторых материалов (стекло, некоторые пластмассы и др.) оно наблюдается при комнатных температурах и подчиняется линейной зависимости между логарифмом времени и напряжением.

Активные среды могут вызвать замедленное хрупкое разрушение стали при комнатных температурах.

Хрупкое разрушение происходит путем развития трещин, зарождающихся в наиболее слабых (перенапряженных) местах. Таким образом, неоднородность напряженного состояния, вызванная наличием концентратора напряжения (дефектов или конструкционных концентраторов), оказывает существенное влияние на переход твердого тела в хрупкое состояние. Всякая причина, повышающая предел текучести до уровня сопротивления отрыву, способствует переходу твердого тела в хрупкое состояние. К таким причинам относятся увеличение скорости деформации и снижение температуры, вызывающие рост предела текучести, но мало увеличивающие сопротивление отрыву.

При ударных нагрузках многие твердые тела разрушаются хрупко, то же относится к низким температурам, например для сталей снижение температуры ниже —70° С обычно вызывает значительное возрастание предела текучести и хрупкое разрушение. Однако некоторые металлы, особенно с грансцентрированной решеткой (алюминий, медь, свинец и др.), незначительно снижают пластичности даже при температуре кипения жидкого водорода (—252° С).

Температура, при которой твердое тело переходит из пластичного в хрупкое состояние, называется критической температурой; она зависит от вида напряженного состояния, например при растяжении переход в хрупкое состояние происходит при более низкой температуре, чем при кручении; на нее особенно сильно влияет концентрация напряжений.

Предел текучести монокристаллов зависит от ориентировки плоскостей спайности к направлению силового потока. Так, монокристаллы при расположении плоскостей спайности под углом 40° к силовому потоку дают десятикратное удлинение до момента разрыва» при перпендикулярном же расположении могут разрушаться хрупко. Поэтому хрупкость поликристалличеС'

ких тел зависит от преобладающей ориентировки плоскостей спайности к силовому потоку.

С увеличением скорости деформации и перехода к ударным нагрузкам некоторые материалы деформируются только упруго и разрушаются при незначительной затрате работы хрупко. Это явление называется ударной хрупкостью. Для стали существует три области ударной хрупкости в зависимости от температуры: хладноломкость, синеломкость и красноломкость. Хладноломкость наблюдается обычно при температурах ниже нуля. Она зависит от состава и структуры стали, например содержание фосфора в стали в количестве свыше 0,1 % делает сталь хрупкой уже при комнатных температурах; крупнозернистая сталь более склонна к хладноломкости, чем мелкозернистая. Наклеп повышает склонность к хладноломкости.

При температурах около 450° С наблюдается синеломкость стали, исчезающая при меньших и больших температурах. Она вызывается диффузионными активирующимися процессами.

Красноломкость наблюдается у сталей с наличием вредных примесей (фосфора и серы) при температурах около 900° С.

Внешняя среда может вызвать хрупкое разрушение твердого тела. Это могут быть коррозионные среды, жидкие металлы и т. д. Проникновение водорода в решетку стали вызывает ее охрупчивание, так называемую водородную хрупкость, действие щелочной среды на сталь, находящуюся под напряжением, близким, к пределу текучести, — хрупкость щелочную и т. п. В большинстве указанных случаев разрушение происходит по телу зерна, однако при действии щелочной среды, а в некоторых случаях жидких металлов и водорода хрупкое разрушение происходит по границе зерен [17, 23, 60].

Водородной хрупкостью называют хрупкое разрушение всех металлов, особенно черных, окклюдированных водородом. Она разделяется на хрупкость обратимую и необратимую. Первая устраняется со временем, особенно при повышенных температурах, вторая не устраняется никакими факторами. Кроме того, водородная хрупкость разделяется на хрупкость, возрастающую с увеличением скорости деформации, и хрупкость, умень-

шающуюся с увеличением скорости деформации, что хорошо иллюстрирует рис. 27.

Водородная хрупкость, увеличивающаяся со скоростью деформации, наблюдается, во-первых, в сталях сегрегирующих молекулярный водород в замкнутых коллекторах внутри металла, во-вторых, в гидридообра

Рис. 27. Влияние скорости деформаций гд на поперечное сужение технически чистого титана с 0,05% Н2 и сплава ВТЗ-1 с 0,15% Н2.Рис. 27. Влияние скорости деформаций гд на поперечное сужение технически чистого титана с 0,05% Н2 и сплава ВТЗ-1 с 0,15% Н2.зующих металлах, например титане, цирконии и др., где эта хрупкость обусловлена выделением гидридов, действие которых аналогично действию острых концентраторов, а последнее, как известно, усиливается с увеличением скорости деформации. Водородная хрупкость, увеличивающаяся со снижением скорости деформации, наблюдается в за

Рис. 27. Влияние скорости деформаций гд на поперечное сужение технически чистого титана с 0,05% Н2 и сплава ВТЗ-1 с 0,15% Н2.

Рис. 27. Влияние скорости деформаций гд на поперечное сужение технически чистого титана с 0,05% Н2 и сплава ВТЗ-1 с 0,15% Н2.

каленных металлах и сплавах с содержанием водорода, превышающим предел растворимости при темпе-

ратуре испытания (рис 27). Механизм охрупчивания металла водородом до сих

лор не ясен. Существует гипотеза взаимодействия водорода с решеткой металла. Считают, что в решетке водород является разновидностью дефекта, понижающего когезию. Другая «адсорбционная

гипотеза» предполагает, что водород сначала хемосорбируется на наружных и внутренних поверхностях раздела двух фаз, а затем действует эффект Ребиндера. «Молекулярная гипотеза» предполагает, что водо~ род, сегрегированный в коллекторах, создает повышенное давление внутри металла (вызывающее необратимую хрупкость), чем создает вокруг этих коллекторов объемно-напряженные зоны, к которым идет направленная диффузия дислокаций и атомарного водорода. Термодинамически выгодно, чтобы атомарный водород находился под дислокациями, создавая вокруг них облака Котрелла, что является одной из причин водородной хрупкости. В металлах, способных образовывать

гидриды или только имеющих гидрообразующие фазы, по-видимому, за хрупкость ответственно гидридообра- зование.

Водород в металле может не только его охрупчивать, но и при некоторых условиях пластифицировать, что наблюдается при трении, выдавливании в металле пуансоном отверстия, при протягивании через «очко» и т. п. Это свидетельствует о том, что металл тонкого приповерхностного слоя при указанных процессах, очевидно, пластически деформируется при наводороживании. В этом случае адсорбция водорода (хемосорбция) снижает энергетический барьер, а ионы водорода, имеющие высокую энергию активации, вступают в химические соединения с возбужденными поверхностной деформацией атомами облака Котрелла, освобождая дислокации для их движения и пластифицируя тем самым тонкий приповерхностный слой металла [32,33].

Хрупкость, наблюдаемая во влажном сероводороде и его водных растворах при действии статических или циклических напряжений растяжения, называется сульфидной хрупкостью, причем, чем выше напряжение, тем больше возможность проявления этого вида хрупкости.

Основной причиной возникновения сульфидной хрупкости является ускорение разряда ионов гидрооксония, что объясняется адсорбцией поверхностно-активных анионов сульфида на стали, вследствие чего увеличивается ее отрицательный заряд и усиливается адсорбция положительно заряженных ионов водорода.

Существенное влияние на проявление сульфидной хрупкости оказывает pH, концентрация сероводорода и температура сероводородной среды. С понижением pH и возрастанием концентрации сероводорода в среде склонность сталей к сульфидной хрупкости возрастает, что объясняется составом образующихся сульфидных пленок. Стали наиболее склонны к проявлению этого вида хрупкости при температурах среды 50—60° С.

Сероводородом насыщены пластовые и грунтовые воды, он встречается в морях и во многих химических производствах, причем чаще всего с примесями других агрессивных сред, являющихся катализаторами сульфидной хрупкости. Растрескиванию подвержены термодинамически нестойкие сплавы на основе железа, но эти же

сплавы, содержащие значительное количество никеля и хрома, стойки к сульфидной хрупкости, как стойко чистое железо.

Сульфидная хрупкость наблюдается при добыче, хранении и транспортировке сернистых нефтей и газа, содержащего влагу и сероводород. При каталитическом действии углекислого и других газов и при обязательном наличии влаги мягкие стали расслаиваются (по включениям проката) и на них образуются вздутия (содержащие до 99,5% Н2), а высокопрочные стали (особенно бейнитной структуры) растрескиваются.

Сталь в водном растворе сероводорода корродирует с образованием на ее поверхности пленок сульфидов различного состава в зависимости от концентрации Н2s. Эти сульфиды могут либо несколько тормозить коррозию, либо стимулировать ее. Пленки из сульфидов железа могут разрушаться при действии напряжений или движении среды, тогда в этих местах происходит активный коррозионный процесс, усиливающийся в случае подвода к корродируемой поверхности кислорода, хотя сами пленки различного рода сульфидов не оказывают влияние на хрупкость.

Скорость коррозии в сероводородных растворах резко увеличивается при концентрации Н2s от нуля до 150 жг/л; с ростом концентрации от 150 до 400 мг/л скорость коррозии остается постоянной, а потом резко уменьшается. Начиная с концентрации 1600 мг/л скорость коррозии снова делается постоянной [17].

Сероводород, адсорбируясь на поверхности металла, ускоряет катодные и анодные процессы, но при этом он диссоцирует по схеме: Н2s 岩 Н+ + HS-公 2Н+ + S~, причем ионы водорода (Н+) проникают в металл и вызывают водородную хрупкость. Таким образом, за сульфидную хрупкость ответствен водород, десорбция которого (с течением времени особенно при повышенных температурах) ликвидирует сульфидную хрупкость и восстанавливает прежние свойства стали [18]. При сульфидной хрупкости, как правило, образуется одна магистральная интеркристаллитная трещина, перпендикулярная к силовому потоку.

Скорость образования сульфидной пленки зависит от концентрации сероводорода и pH среды, увеличиваясь с концентрацией и уменьшением pH. Растрескивание име-

ет место даже при весьма малой концентрации Н2s. При pH >10 растрескивания не наблюдается, расслоение наблюдается при более высоких pH.

К сульфидной хрупкости склонны стали с твердостью свыше 22 HRC и прочностью более 5000 Мн]紀.С повышением прочности и твердости сталей, а также при росте в стали количества углерода, марганца и никеля сульфидная хрупкость увеличивается. Нержавеющие стали склонны к проявлению сульфидной хрупкости при наличии в сероводородсодержащей среде галоидных ионов [26].

Для защиты сталей от сульфидной хрупкости применяют специальные режимы термической обработки (закалку с последующим высоким отпуском, двойную закалку) ,легирование сталей ванадием, молибденом, алюминием, титаном, редкоземельными металлами при одновременном уменьшении количества углерода (0,2%1), применяются гальванопокрытия из меди, цинка, кадмия, плакирование специальными нержавеющими сталями, а также введением в сероводород содержащую среду ингибиторов коррозии. Особенно эффективны для защиты сталей от сульфидной хрупкости вещества, содержащие хинолиновые и пиридиновые основания.

Сульфидной хрупкости подвержены сварные соединения из сталей различных классов (углеродистых, низколегированных и нержавеющих). Трещины возникают, как правило, в зоне термического влияния. Для борьбы с ними у сварных соединений применяют отпуск металла сварных швов и околошовной зоны при температурах не ниже 650—700° С.

Прочность стали понижается также под воздействием сухого сероводорода. Согласно [34], сухой сероводород, адсорбируясь в трещине, снижает уровень эффективной поверхностной энергии на 50% и повышает скорость распространения трещины (на 30—40%), понижая при этом значение Ркр. Преобладающее распространение трещины при этом межкристаллитное.

Распространенным видом разрушения стали является щелочная хрупкость — межкристаллитное коррозионное растрескивание металлов без заметных следов пластической деформации. Она происходит при наличии статических или циклических напряжений растяжения,

наблюдается в подогретой воде, содержащей щелочи и нитраты щелочных и щелочноземельных металлов. Щелочная хрупкость распространена в теплоэнергетике, где для снижения общей коррозии вода подщел ач и в а ется; вода с pH = 7 разъедает сталь энергетического оборудования, разъедание уменьшается при pH = 10+12, поэтому в воду добавляют Na2CO3, NaOH. Однако в подщелоченной воде может меняться концентрация щелочи в различных местах котла, что обусловлено его кон- струкцией. Щелочная хрупкость наблюдается в местах появления остаточных напряжений около сварных швов, развальцованных труб и т. п., особенно в местах, где напряжения близки к пределу текучести. Хрупкость проявляется также при нестационарных режимах работы котла (пуске и остановке, колебании температуры), вызывающих циклические напряжения.

Щелочная хрупкость сталей ограничена узкой «критической» зоной электродных потенциалов; на поверхности металла образуются язвы, хотя она и пассивируется пленкой окислов РезО4. Склонность к растрескиванию определяется соотношением скорости образования и растворения защитной пленки на наиболее активных участках поверхности металла. При скорости формирования пассивирующего слоя на этих участках, значительно превышающей скорость его удаления, образования трещин не происходит. Трещина разрушения при щелочном растрескивании пластичных сталей развивается в основном в результате электрохимического растворения металла. Сильная локализация и высокие скорости анодного растворения металла обусловлены действием растягивающих напряжений и пассивации металла.

Пластичные малоуглеродистые (С<0,2%) и низколегированные стали особенно подвержены щелочной хрупкости над зеркалом электролита (в парах!) либо при периодическом разрушении или затруднении регенерации пленки. Критической зоной электродных потенциалов для этих сталей является 700—900 мв. Закаленные углеродистые стали растрескиваются в «критической» зоне электродных потенциалов 600—1200 лш; трещины зарождаются и развиваются по границам бывших зерен аустенита, где при распаде мартенсита выделяются карбиды. В пленке окислов на закаленных сталях наблю-

дается много разрывов. Аустенитные нержавеющие стали растрескиваются транскристаллитно {23].

Большое значение для усиления хрупкости имеют концентраторы напряжения, при наличии которых долговечность стали в щелочной среде снижается в 2—2,5 раза по сравнению с долговечностью без концентраторов. Обработка и конструкция изделий должны обеспечить отсутствие на них концентраторов напряжения.

Считают [58], что за щелочную хрупкость ответствен водород, что, очевидно, верно лишь частично, так как м а л оу г л ер о ди сты е стали наиболее чувствительны к щелочной хрупкости в границах потенциалов, когда наводороживания не происходит, и, наоборот, не подвержены хрупкости в диапазоне потенциалов, вызываю- щих наводороживание. Возможно, что за щелочную хрупкость ответствен эффект Ребиндера, так как в [65] показано, что концентрированные щелочи являются эффективным адсорбционным понизителем прочности. Кроме указанного, существует мнение (68], что происходит интенсивное анодное растворение металла в местах концентрации щелочей (например, в щелях вследствие упаривания воды), в этом случае поверхность металла, соприкасающаяся со щелочью высокой концентрации, анодна. Щелочную хрупкость характеризуют диаграммы с координатами время до растрескивания — напряжение. С увеличением концентрации раствора и повышением его температуры уменьшается время до растрескивания при том же напряжении. На хрупкость очень влияет присутствие в щелочном растворе примесей, играющих роль катализаторов. К таким примесям относятся силикаты SiOs и кремниевокислая соль Na2SiO3； ускоряют хрупкость добавки к щелочной воде NaNO3, PbO, Pb3O4, KMnO4, Na2CrO4. Добавка легнина, наоборот, снижает щелочную хрупкость, так как она способствует образованию защитной пленки.

Чувствительность к хрупкости повышается с увеличением загрязненности металла неметаллическими включениями, причем наиболее неблагоприятны включения окислов алюминия и кремния. Для снижения щелочной хрупкости можно рекомендовать рафинирование металла; например, электрошлаковый переплав увеличивает стойкость к хрупкости в 1,5—2 раза по сравне-

丑ию с мартеновской плавкой, причем сварку также рекомендуется вести электрошлаковым методом [23].

Спокойные, полностью раскисленные стали более стойки к щелочной хрупкости. Примеси мышьяка, оло- ва, серы, азота вредны. Они усиливают хрупкость. Легирование никелем, хромом, молибденом, титаном повышает стойкость к хрупкости, холоднокатаные стали менее устойчивы к щелочной хрупкости, чем горячекатаные. Упрочнение стали наклепом или термообработкой делает ее более склонной к хрупкости [26].

ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОПСТВА МЕТАЛЛОВ

Механическая обработка сильно влияет на прочностные свойства металлического изделия, так как вызывает образование рельефа (шероховатости), остаточных напряжений и наклепа в приповерхностном слое. На рис. 28 показана эпюра, характеризующая наклеп в приповерхностном слое стали после механической обработки, и эпюра остаточных напряжений. Механическая обработка влияет на физико-механические свойства приповерхностного слоя, с которого обычно начинается разрушение и который воспринимает влияние среды. Обработка может упрочнять или разупрочнять эти слои, делать их более стойкими к воздействию среды или наоборот. Меняя температуру и силовые поля в процессе обработки, можно в желаемом направлении изменить структурно-напряженное состояние этих слоев металла, их дисперсность, гомогенность или гетерогенность.

При механической обработке импульсный нагрев и высокое локальное давление могут привести к изменениям в химическом и фазовом составах приповерхностного слоя металла, вызывающих к тому же остаточные фазовые напряжения. Все это изменяет не только механическую прочность и выносливость, но и термодинамическое состояние приповерхностного слоя металла. Так, остаточные напряжения растяжения разблагора- живают электродный потенциал. Гетерогенность усиливает электрохимическую коррозию; наклеп завальцо- вывает трещины и прочие дефекты — легкие пути подвода среды в объем металла, но в то же время активирует металл во всех физико-химических процессах.

Рис 28. Влияние силового (/) и скоростного (2) резания нормализованной стали 40Х на микротвердость и остаточные напряженияРис 28. Влияние силового (/) и скоростного (2) резания нормализованной стали 40Х на микротвердость и остаточные напряженияМеханическая обработка, активирующая приповерхностные слои металла во взаимодействии со средой, не влияет на механические характеристики металла, полученные при испытаниях кратковременно-действующими силами. Однако она оказывает большое влияние на длительную и усталостную прочность, особенно в активных средах. Изделия с грубообрабо- танной поверхностью на воздухе имеют меньшую усталостную прочность, чем полированные, что особенно относится к прочным мелкозернистым сталям. В коррозионной среде это преимущество пропадает, хотя грубообработанные поверхности корродируют сильнее, так как на них наблюдается усиливающая коррозию дифференциальная аэрация.

Рис 28. Влияние силового (/) и скоростного (2) резания нормализованной стали 40Х на микротвердость и остаточные напряжения

Рис 28. Влияние силового (/) и скоростного (2) резания нормализованной стали 40Х на микротвердость и остаточные напряжения

Механическая обработка, вызывающая появление дефектов поверхности типа трещин, задиров и тому подобных

концентраторов напряжения, особенно нежелательна для высокопрочных сталей на воздухе, хотя коррозионная среда смягчает их действие, так как растворяет острые концентраторы. Увеличение гетерогенности поверхности вызывает появление градиентов напряжения, что способствует коррозионному растрескиванию [20].

При обработке резанием и шлифованием можно получить наклеп и остаточные напряжения сжатия либо растяжения различной интенсивности и глубины. Скоростное резание дает остаточные напряжения сжатия, а силовое —— растяжения; шлифование корундовыми кругами —растяжения, а алмазными — сжатия (рис. 29). При точении, механоультразвуковой, электроэрозионной

или лазерной обработке можно получить так называемые «белые» нетравящиеся слои на поверхности металла, значительно повышающие коррозионно-механическую прочность, износостойкость и прочие характеристики (рис. 30) [30]. При этих видах обработки происходит импульсный нагрев при значительных скоростях отвода тепла и диффузии углерода, хрома, никеля и других элементов из внутренних слоев металла к его поверх ности и изменение их механических свойств

Механические свойства металла зависят не только от окончательной (финишной) обработки, но и от предшествующих обработок. Это называется «технологической наел едствен костью» [17, 30].

Особое место занимают те виды обработки, которые упрочняют поверхность, создавая наклеп и остаточные напряжения сжатия

Упрочнение поверхности) изделий из металлов обкаткой роликами, гладилками, виброупрочнением, дробеструйным наклепом, чеканкой, направленным взрывом и т. п значительно повышает усталостную прочность и долговечность изделия, почти не влияя на статическую/ прочность. Оно широко распространено в нашей стране и за рубежом.

При упрочнении поверхности меняются физические свойства приповерхностного слоя металла, повышается его твердость, завальцовываются дефекты, возникают остаточные напряжения (величина и знак которых поддаются регулированию), создается текстура и диспергируются зерна. При упрочнении происходит сдвигообра- зование в решетке металла, ее упругое искажение, что значительно повышает сопротивление деформации, хотя и понижает пластичность. Повышается твердость, увеличивается количество дислокаций и вакансий.

Упрочнение повышает энергетический уровень металла, активируя его при взаимодействии со средой; повышает диффузионную проницаемость и енпжаег электродный потенциал, электропроводность и теплопроводность понижаются, изменяются магнитные свойства металла. При чрезмерном упрочнении наблюдается 4

t Материал об упрочнении поверхности изделий из металлов написан И П Пистуном

Расс' ояние。刁 поверхности м〃мРасс' ояние。刁 поверхности м〃мРис 29 Влияние шлифования бо- разонным (I) и алмазным (2) ин- стру ментами на остаточные на- ~ пряжения'Рис 29 Влияние шлифования бо- разонным (I) и алмазным (2) ин- стру ментами на остаточные на- ~ пряжения'явление «перенаклепа», приводящее уже к разупрочнению —шелушению (отслаиванию металла и образованию микроскопических трещин), что происходит обычно при достижении в приповерхностном слое плотности дислокаций, близкой 1014 см~2. Перенак- леп — явление необратимое.

Расс' ояние。刁 поверхности м〃м

Расс' ояние。刁 поверхности м〃м

Рис 29 Влияние шлифования бо- разонным (I) и алмазным (2) ин- стру ментами на остаточные на- ~ пряжения'

Рис 29 Влияние шлифования бо- разонным (I) и алмазным (2) ин- стру ментами на остаточные на- ~ пряжения'

Пластическое деформирование приповерх ностных слоев металла увеличивает их удельный объем, в результате чего нижележащие недеформиро- ванные слои вызывают в приповерхностном слое благоприятные напряжения сжатия

Упрочнение поверхности повышает усталостную прочность и долговечность как на воздухе, так и в рабочих средах. При мало

цикловой усталости предполагалось, что значительные деформации, сопровождающие этот вид нагружения, снижают положительный эффект от поверхностного упрочнения, наблюдаемый при обычной усталости, однако опыты, проведенные с получением упрочнения методом вибрации, дали (на закаленной и низкоотпущенной стали ЗОХГСНА) положительный эффект упрочнения как в воздушной среде, так и при наводороживании Одной из немаловажных причин повышения малоцикловой усталости является улучшение чистоты поверхности при вибронаклепе, причем при относительной деформации (е = 0,63%) малоцикловая усталость повышается на воздухе в 1,7 раза, при наводороживании в 8,5 раза. Долговечность неупрочненного металла при воздействии наводороживании снизилась в 10, а упрочненного —только в 2 раза. Такие же результаты получаются при дробеструйной обработке. В таблице приведены результаты испытаний образцов толщиной 5 мм

из стали 45Г17ЮЗ на малоцикловую усталость пульсирующим (отнулевым) изгибом при частоте 20 цикл/мин.

Тип образца и вил обработки

Долговечность, тыс циклов до разрушения

£=0,8 %

£=0 61 %

Воздух

3,5 % NaCI

Воздух

3,5 % NaCI

Гладкий-i-пятно нагрева до 800℃

6,0

4,6

12,8

7,6

Гладкий+пятно нагрева до 800℃Ч-дробеструйная обработка острой дробью

6,2

5,9

13,4

12,4

Гладкий4-наплавка+дробеструйная обработка острой дробью

2,4

2,2

4,4

Гладкий^-наплавка

1,8

1,7

2,6

Гладкий+надрез

2,5

2,2

3,7

Гладкий+надрез+дробе- струйная обработка осг- рой дробью

3,3

2,9

9,3

7,3

Примечание Результаты по данным испытаний не менее пяти образцов на точку

Упрочнение направленным взрывом существенно по- вышает микротвердость и упрочняет сталь, но снижает ее пластичность, причем эти изменения зависят от величины угла встречи детонационной волны с упрочняемым металлом, силы волны и кратности взрывного нагружения. В приповерхностном слое упрочненного металла появляются остаточные сжимающие напряжения. Упрочнение ударной волной повышает изотропность стали, сближая показатели выносливости продольных и поперечных образцов при малоцикловой усталости. В металле уменьшается окклюзионная способность к водороду.

Поверхностное упрочнение дает хорошие результаты после сварки (например, наплавка при ремонте изделия). Его благоприятное воздействие снижается с увеличением относительной величины деформации [18, 38, 56, 57].

Облегчают обработку металла различные смазочноохлаждающие жидкости (СОЖ>), носящие название

технологических жидкостей). Повышается производительность труда и улучшается качество изделия, что достигается снижением усилия при этих операциях (обычно эффектом Ребиндера) и отводом ненужного для этих технологических процессов тепла.

К СОЖ2 для металлообработки пр едъя в ляются требования [41, 50, 82]: смазывать внешние поверхности трения; препятствовать свариванию и молекулярному схватыванию трущихся поверхностей; облегчать процесс деформирования приповерхностных слоев металла; снижать износ рабочего инструмента; улучшать качество обрабатываемой поверхности; охлаждать инструмент и обрабатываемую деталь, смывать загрязнения, накапливающиеся в зоне обработки металлов (металлическую пыль, стружку и т. п.)・

Эксплуатационными требованиями к СОЖ являются: стабильность при хранении, устойчивость к заражению грибками и бактериями; пожарная безопасность; отсутствие коррозии оборудования и обрабатываемого материала, загрязнений деталей оборудования и системы подачи смазки, вспениваемости.

Санитарные требования следующие: отсутствие вред- ного воздействия на организм людей, неприятного или резкого запаха; минимальное загрязнение сточных вод и простота их обезвреживания.

Эффективность действия СОЖ в значительной мере зависит от их молекулярного сродства к металлу, обусловливающего их смачивающие свойства, а также от способности облегчать процесс деформирования металла. Способность жидкости смачивать металлы является одним из важнейших показателей возможности поступления СОЖ в зону обработки и образования на трущихся поверхностях адсорбционной пленки. Смачивающая способность зависит от природы и свойств жидкости и контактирующего с ней металла. Это свойство жидкости связывают с работой адгезии, обусловленной величиной поверхностной энергии взаимодействующих тел. Адсорбционная, электрическая и диффузионная теории адгезии подробно изложены в [9].

s

I Материал о технологических жидкостях написан А С. Чуч- маревым

2 СОЖ применяются не только при резании и шлифовании, но и при прокатке, протяжке, волочении и т п.

50、50、的的46!46!5855585568 66’ 6$68 66’ 6$8078岡7《 72'70:8078岡7《 72'70:势52势526260626044424442Механизм действия СОЖ согласно современным представлениям, развитым П. А. Ребин- дером и его школой [3, 42], заключается в том, что сопротивление металла деформированию и разрушению понижается вследствие адсорбции ПАВ из окружающей среды.

50、

50、

的

的

46!

46!

58

55

58

55

68 66’ 6$

68 66’ 6$

80

78

岡

7《 72'

70:

80

78

岡

7《 72'

70:

势

52

势

52

62

60

62

60

44

42

44

42

Адсорбционные эффекты, вызывающие понижение прочности поверхностных слоев тела, образуют обширную группу явлений, связанных с пластифицированием металла в процессе деформации вследствие облегчения выхода дислокаций на внешнюю поверхность [3]. В результате пластифицирования в условиях адсорбционного понижения прочности ПАВ образуются тончайшие слои металла со значительно более низ- ким пределом текучести и более низким сопротивлением сдвигу, чем основной металл Молеку-

Рис 30 Усталостная пцрчность различных сталей при испытании образцов диаметром 12 мм на чистый нзгнб с вращением сталь 40Х без белого слоя (/ — воздух, 〃 一 морская вода) та же сталь с белым слоем (〃/ — воздух, IV — морская вода), сталь ШХ!^ без белого слоя (V — воз дух, VI — морская вода); та же сталъ с белым слоем (V/F ——воздух, VIII — морская вода)

лы (атомы) ПАВ малых размеров могут проникать внутрь деформируемого металла путем нерегулярной диффузии по полным дислокационным ядрам, образующимся в процессе деформации, и адсорбироваться на этих ядрах — зародышевых микротрещинах, что приводит к значительному ускорению разрушения.

Кроме пластифицирования металла, в тонких приповерхностных слоях деформируемого металла могут возникать химические сорбционные пленки — результат химического взаимодействия с полярными группами молекул ПАВ, входящих в состав СОЖ [2]. Это ведет к образованию пленок из металлических мыл и серу-, хлор-, фосфор- и азотсодержащих соединений с низким сопротивлением сдвигу, прочно удерживаемых поверхностями металла. Таким образом, характер образующихся поверхностных пленок зависит от химической активности металла и активного компонента СОЖ.

Чтобы повысить смазочные свойства СОЖ, их обычно активируют добавками ПАВ. Простейшими ПАВ являются члены жирных (алифатических) рядов: спирты (ROH), жирные кислоты (RCOOH), их эфиры (RCOOPi) и амины (RNH2), где R — углеводородный радикал (СпНгп+О， образующий неполярную часть молекул. При одной и той же полярной группе поверхностная активность ПАВ возрастает с удлинением углеводородной цепи, т е. с увеличением асимметрии молекул С удлинением цепи на одно звено (СН?) поверхностная активность в соответствии с правилом Дюкло — Траубе возрастает в 3—3,5 раза.

Минимальное количество ПАВ, необходимое для образования ненасыщенного мономолекулярного слоя, может быть рассчитано по формуле x=SM]SmN, где S ——поверхность металла； Sm ——минимальная площадь одной молекулы в насыщенном слое; М ——молекулярный вес; N ——число Авогадро

Эффективность действия ПАВ зависит от молеку- лярного веса и структуры молекулы, длины углеводородной группы, ее разветвленности, расположения полярных групп и наличия в молекуле ароматических циклов. Двойная связь в молекуле органического соединения увеличивает его поверхностную активность.

Применяемые в качестве добавки ПАВ можно разделить на следующие группы: органические соединения

с высоким молекулярным весом, преимущественно али- фатического ряда — жирные кислоты, сложные эфиры и высшие спирты; соединения сложного и смешанного состава, являющиеся продуктами синтеза, конденсация н полимеризации; продукты взаимодействия органичес- кнх веществ с металлоидами, фосфорпроизводные, хлорпроизводные в химически активной форме в сочетании с сернистыми соединениями, а также хлор- производные в виде продуктов хлорирования углеводо- родов, сложных эфиров, аминов и др.； различные мн晋 и комплексные соединения с углеводородами

Но эффективности полярных групп молекулы ПАВ располагаются в следующий ряд:

COOH^OH>NH2»S^COOR>C1.

К сожалению, общепринятых критериев подбора ПАВ，улучшающих свойствз СО^К, пока еще нет.

К настоящему времени апробированы и предло?кены в качестве СО氷 сотни рецептур из различных органи- ：ескнх и неорганических соединений. Подавляющее большинство составов представляют собой жидкости на основе воды или минерального масла. Обычно все эти смазочные материалы классифицируют по общности физико-химических свойств, определяемых агрегатным состоянием, составом, структурой и свойствами входя- щих компонентов. Рекомендации по применению даются при конкретном рассмотрении свойств каждой группы.

По принятой классификации (41] все СОЖ делятся на следующие группы: водные растворы органических и неорганических веществ (истинные растворы); эмуль- сии и растворимые масла (коллоидные дисперсии); жидкие нефтепродукты, минеральные масла, жиры^ синтетические жирозаменители и их растворы друг в друге; пластичные (консистентные), твердые и газообразные смазки.

^^Ж первой группы применяют практически при всех операциях обработки металлов, причем среди них есть и жидкости универсального назначения.

Эмульсии и растворимые масла сочетают в себе два наиболее ценных качества: значительную охлаждающую способность, присущую воде, и высокие смазывающие свойства, присущие содержащимся в них ПАВ различ-

кого происхождения. Кроме того, они менее коррозионно-агрессивны, чем СОЖ первой группы, и являются наиболее универсальными, что обусловливает широкий диапазон их применения при операциях обработки металлов.

Жидкие нефтепродукты ——керосины, газойли, индустриальные масла, содержащие те или иные малорастворимые ПАВ, применяют в качестве СОЖ на операциях протягивания, хонингования, развертывания и др. [17J. Такие СОЖ обладают, как правило, высокими смазывающими, но низкими охлаждающими свойствами и применяются в тех случаях, когда требуются высокие противозадирные и противоизносные качества, но когда процесс не сопровождается большим выделением тепла и в зоне обработки не развиваются особенно высокие температуры.

Пластичные смазки представляют собой смазочные материалы, приготовляемые путем введения в смазочные масла или какие-либо другие жидкости твердых загустителей, ограничивающих их текучесть. Эти смазки называют пластичными, потому что благодаря структурному каркасу в рабочем интервале температур они обладают свойствами пластичных тел, т. е. необратимо деформируются лишь при приложении сил, превышающих предел прочности структурного каркаса. Такие смазки широко используются в процессах обработки металлов давлением и особенно при волочении и экструзии, однако при резании они имеют весьма ограниченное применение. Пластичные смазки содержат значительное количество компонентов, обладающих высокими свойствами, которые не хуже, а в некоторых случаях и лучше, чем у жиров и жирных кислот. Большое содержание этих компонентов в пластичных смазках, позволяет рассматривать их как концентраты, на основе которых можно изготовлять высокоэффективные СОЖ-

Под твердыми смазками обычно имеют в виду твердые покрытия любой природы, которые, будучи нанесены на трущиеся поверхности, уменьшают трение между ними в отсутствие обычных смазочных материалов. Твердые смазки пока еще редко применяются при обработке металлов резанием, хотя они довольно широко используются при обработке давлением.

например на операциях волочения, штамповки, экструзии и др.

Г азообразные смазочные материалы в обработке металлов самостоятельно не применяются (за исключением СО2, который иногда используется как охлаждающий агент при резании металлов). Вместе с тем установлено, что газовая среда, в которой осуществляется обработка, оказывает чрезвычайно большое влияние на силовые параметры обработки.

ЗАИЦ1ТА ОТ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ

Защиту от вредного влияния сред на материал, находящийся под механическим напряжением, определяю г следующие группы факторов: механический фактор; стойкость материала, находящегося под напряжением, к действию среды, агрессивность среды. Для защиты желательно снизить напряжение растяжения, заменив их напряжениями сжатия, приданием соответствующей формы изделию. Обработку надо проводить так, чтобы остаточные напряжения были напряжениями сжатия, а не растяжения.

Материал, термодинамически более стабильный, имеет преимущество перед нестабильным. Гомогенный материал предпочтительнее, чем гетерогенный (рафинированный, мелкозернистый металл более стойкий, чем рядовой) .Желательно легировать металл для повышения его стойкости к действию среды, иногда улучшать надо только приповерхностный слой материала путем применения защитных покрытий, которые могут также изолировать материал от действия среды.

Для защиты от электрохимической коррозии металла применяют протекторы или катодную поляризацию от внешнего источника тока [73]. Оба эти ^метода призваны сделать защищаемый металлический объект катодным, подавив анодные реакции. Электрохимическая защита дает хорошие результаты при коррозии без напряжений, в противном случае катодная защита может быть применена только при установлении оптимальной плотности тока, при которой не произойдет наводоро- живания металла. Однако даже при правильном выборе плотности катодного тока или протекторной защиты усталостная прочность защищаемого металла не восста-

новится до исходной, так как останется адсорбционное влияние среды. Применение катодной защиты после упрочняющей технологии (наклепом, механической или термомеханической обработкой) дает хорошие результаты. Иногда отжиг поверхности дает удовлетворительные результаты в кислых средах так же, как и защита анодным током.

Снизить электрохимическую агрессивность среды возможно ее ингибированием. Количество ингибиторов, вводимых в среду, колеблется от тысячных долей процента до нескольких процентов.

Ингибиторы делятся на катодные и анодные; первые снижают эффективность катодного процесса (увеличивая перенапряжение катодного выделения водорода, экранируя катодные участки, поглощая катодные деполяризаторы, главным образом кислород, и т. п.). Анодные ингибиторы переводят анодные участки в стойкое пассивное состояние. Анодные ингибиторы, введенные в среду в недостаточном количестве, могут вызвать появление язв, тогда как катодные ингибиторы лишены этого недостатка.

Большинство ингибиторов, заметно замедляя растворение одних металлов, почти не влияют на коррозию других. Причины указанного явления еще не совсем изучены. Защитные свойства ингибиторов связывают с зарядом поверхности металла, который для разных металлов, корродирующих в одной и той же среде, может быть неодинаковым.

В большинстве случаев с повышением температуры защитные свойства ингибиторов ослабевают, хотя есть ингибиторы, усиливающие защитные свойства с повышением температуры. Последнее указывает на наличие уже химического взаимодействия между металлом и ингибитором.

Особым случаем ингибирования является ослабление коррозии металлов вследствие совместного действия ингибитора и углеводорода. Выявлено, что присутствие жидких углеводородов нефти резко увеличивает защитную эффективность ингибиторов кислотной коррозии Объясняется это увеличением смачивания стальной поверхности углеводородом и уменьшением ее смачивания кислым электролитом. Лучшего смачивания стальной поверхности углеводорода ми достигают применением

комбинированных (водо- и углеводородрастворимых) ингибиторов. Показано, что подобные ингибиторы гид- рофобируют металл, чем способствуют лучшему смачиванию его углеводородом. %

В большинстве производственных процессов детали и металлические конструкции срабатываются под влия- нием сильного действия агрессивной среды и нагрузок. Ярким примером этого может быть разрушение нефтедобывающего оборудования, которое эксплуатируется в кислых пластовых водах (сероводородной среде), коррозионно-усталостное разрушение деталей бурильного инструмента, коррозионное растрескивание чугунных блоков дизелей.

Практика последних лет показала, что ингибиторы, которые эффективно тормозят разрушение металла в агрессивных средах, очень часто не дают желаемого эффекта, если кроме среды на металлическую деталь или конструкцию действует еще и какое-либо механическое напряжение. Ингибиторы коррозии под напряжением должны не только ослаблять коррозию, эффективно тормозить наводороживание металлов, а и не допускать проявления эффекта адсорбционного снижения прочности.

Исследования, проведенные в Физико-механическом институте АН УССР, дали возможность разработать ряд новых ингибиторов на основе органических галоидных солей аммония, которые имеют указанные выше свойства. Получен 100%-ный эффект защиты углеродистой стали, которую подвергли циклическому кручению в 30 %-ном растворе MgCi? при 160° С с применением йодистого тримитиламина как ингибитора. Следует отметить, что без ингибитора усталостная прочность этой стали в среде уменьшалась в семь раз.

Ингибиторы коррозии под напряжением должны следить за зарождающимися трещинами, проникать в них и либо влиять на среду в трещине, либо пассивировать стенки трещины. Последние относятся также и к щелевой коррозии; в этом случае ингибиторы часто входят в состав замазок, применяемых при щелевой коррозии. В случае борьбы с обрастанием морских сооружений в состав красок и грунтовок включают как ингибиторы, так и ядовитые для обрастания вещества [1].

Для защиты основного материала изделия -от вредного воздействия окружающей его среды наиболее распространено применение покрытий из стойких к воздействию среды металлов и неметаллов, называемых защитными покрытиями [29]. Эти покрытия образуются следующими технологическими способами: гальваническим, диффузионным, химическим, горячим покрытием, напылением металлов, лакокрасочными методами, эмалированием, нанесением слоя пластмасс и т. п. Защитные покрытия часто параллельно выполняют функции повышения износостойкости и жаростойкости, а также улучшения товарного вида изделия. Толщина покрытия или глубина насыщенного приповерхностного слоя изделия, достаточная для получения нового качества поверхности, колеблется от нескольких единиц до нескольких сотен микрометра. Важным критерием защитных покрытий является их сцепление (адгезия) с покрываемым материалом.

По отношению к коррозионному воздействию покрытия стальных изделий делятся на катодные и анодные; в первом случае они более электроположительны, чем сталь, поэтому в коррозионном процессе являются катодами, а сталь анодом, во втором, наоборот. К металлам катодных покрытий относятся: хром, никель, свинец, медь и другие металлы, более благородные, чем сталь. К металлам анодных покрытий относятся: цинк, кадмий, марганец, алюминий и другие, менее благородные, чем сталь, металлы.

В случае локального разрушения катодного покрытия корродировать начнет сталь, поэтому при катодных покрытиях недопустимо их разрушение, при анодных покрытиях, наоборот. Однако они неприменимы в агрессивных средах, которые быстро их растворяют; лучшие результаты анодные покрытия дают в воде, водных растворах нейтральных электролитов и т. п.

Гальванические покрытия вызывают появление остаточных напряжений в приповерхностном слое стальных изделий и их наводороживание. Величина и знак этих напряжений (напряжение растяжения способствует отрицательному влиянию среды на прочность и долговечность, напряжение сжатия оказывает обратное действие) ,зависят от химического состава, строения и

толщины покрытия, а в отдельных случаях — от последующей термообработки. “

Покрытия тугоплавкими металлами (никелем, кобальтом, хромом, палладием, родием, платиной и др.) вызывают появление остаточных напряжений растяжения в приповерхностном слое изделия. Медь, серебро, сурьма в зависимости от условий электролиза могут вызвать напряжения как растяжения, так и сжатия. Легкоплавкие металлы (цинк, кадмий, олово, висмут, индий) вызывают появление остаточных напряжений сжатия. Однако, подвергая изделия с гальваническими покрытиями термообработке, можно изменять как ве- личину, так и знак напряжения. Для этих же целей применяют многослойные гальванические покрытия из различных металлов (анодной и катодной групп), что повышает защитные свойства покрытия и обеспечивает высокие декоративные качества поверхности, а также позволяет производить пайку. Хромирование и никелирование почти всегда производятся после меднения. Проводят гальваническое покрытие сплавами (например, латунью или бронзой).

На величину остаточных напряжений влияют толщина покрытия, плотность тока и температура при электролизе, а также состав электролита. С увеличением толщины покрытия уменьшаются остаточные напряжения. Добавка органических веществ [59] влияет на их величину.

При одноосном кратковременном растяжении статическими силами гальванические покрытия почти не влияют на механические свойства металлов, особенно, если изделия десорбировали водород. Однако большинство покрытий снижает длительную и усталостную прочность металлов как в воздухе, так и в коррозионных средах [29]. Выносливость стали на воздухе при покрытиях хромом и никелем снижается на 22——35%, медью — на 13, кадмием ——на 9% и т. п. В морской воде покрытие хромом снизило выносливость на 13%, а в речной воде повысило ее на 3%. Покрытие медью в коррозионных средах снизило выносливость в два раза, кадмием — повысило выносливость в морской воде на 76%, а покрытие цинком — почти в 2,5 раза.

Все гальванические покрытия снижают пластичность, определяемую технологической пробой на пере-

гиб. Химическими электрохимическими и термическими методами образуются защитные покрытия из оксидных или фосфатных пленок, а также из некоторых солевых пленок, стойких в щелочных и кислых растворах. К таким же методам относится оксидирование алюминия, магниевых сплавов и т. п. Фосфатные пленки прочна удерживают лакокрасочные покрытия.

Диффузионное азотирование обеспечивает большую твердость поверхности стали (60—65 HRG), причем она сохраняется при высоких нагревах. Азотированные стали коррозионно стойки, износоустойчивы, хорошо шлифуются и полируются. Кратковременное азотирование несколько (на 45%) повышает коррозионно-усталостную прочность во влажном воздухе, содержащем сернистый газ.

Одновременное насыщение углеродом и азотом (называемое цианированием) дает высокую твердость поверхности стального изделия, повышает его износостойкость, выносливость и коррозионно-усталостную прочность.

Сульфидирование и сульфоцианирование стали повышает износостойкость и выносливость. Борирование сильно повышает твердость и износоустойчивость стали» иногда увеличивает, иногда снижает усталостную прочность стали как на воздухе, так н в коррозионной среде. Увеличение усталостной прочности связано с наличием остаточных напряжений сжатия, а также с высокой коррозионной стойкостью боридов； снижение —— с возникновением трещин — концентраторов напряжения» то и другое зависит от технологии борирования. Это не позволяет рекомендовать борирование как средство защиты от вредного влияния среды.

При диффузии кремния в сталь на ее поверхности образуются силицидные слои, имеющие высокую стойкость против действия кислот, расплавов солей и некоторых металлов, а также высокую жаростойкость, однако силицирование приводит к заметному изменению веса и размеров изделия. В морской воде вынос- ливость силицированной стали увеличивается в три раза.

Диффузионное алитирование стали и других металлов придает им повышенную жаростойкость, эрозионную и в некоторых средах коррозионную стойкость.

Усталостная прочность на воздухе снижается (на 35—— 40%), что объясняется большой хрупкостью диффузионного слоя, несмотря на то, что в нем действуют высокие напряжения сжатия. Коррозионно-усталостная прочность зависит от толщины диффузионного слоя и для изделий, имеющих концентраторы напряжения, повышает ее примерно в четыре раза.

Боралитирование увеличивает коррозионную выносливость, особенно при больших амплитудах напряжений. Ванадирование повышает коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах, коррозионно-усталостная прочность практически такая же, как и у непокрытой стали. Диффузионное меднение в десятки раз повышает коррозионную стойкость стали во влажной атмосфере и в некоторых кислотах; немного (до 20%) снижается предел прочности и совсем незначительно уменьшается коррозионная усталость. Диффузионное цинкование (шерардизация!) повышает коррозионную стойкость и особенно коррозионно-усталостную прочность Применяется шерардизация для оборудования из стали на н ефтепр о мы с л а х.

Широко распространено горячее покрытие металла путем его погружения в расплавы легкоплавких металлов, таких как цинк, олово, свинец и т. п. Основное требование к легкоплавким металлам, употребляемым для горячих защитных покрытий,——способность давать твердые растворы с покрываемым металлом (сталью, чугуном, медью и т. д.(). Горячие покрытия хорошо защищают от вредного воздействия среды.

Металлизация дает возможность путем распыления наносить слой произвольной толщины любого металла на металлические, пластмассовые, деревянные, стеклянные и другие изделия для защиты их от вредного влияния среды. Этот метод хорош тем, что не вызывает появления остаточных напряжений, но дает пористые покрытия, которые не всегда хорошо сцепляются с по- покрываемым материалом.

К защитным покрытиям относятся также лакокрасочные покрытия (некоторые наносятся на 90% всех металлических изделий), покрытия пластмассами и эмалями. Лаки и краски хорошо защищают от коррозии ненапряженный металл, однако напряжения, особенно циклические, вызывают появление трещин в слое

лака или краски, дно которых наиболее а но дно в коррозионном процессе. Эмали хорошо предохраняют от наводороживания, особенно при высоких температурах. Защитное действие эмали при действии напряжений не исследовано, однако можно предполагать, что у нее хорошие защитные способности при высоких температурах, учитывая, что в этих случаях эмали делаются пластичными и хорошо выносят напряжения. Полимерные покрытия на основе эпоксидных смол хорошо защищают металлы от коррозионно-усталостных разрушений при небольших уровнях циклических напряжений или малой базе испытания [17].

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Исследования влияния среды на механические свойства металла имеют некоторую специфичность: различают испытания, проводимые во время действия среды и поля и испытания материала после их действия; первые имеют большее значение. Для обоих видов испытаний при исследовании состояние образцов не должно оказывать какое-либо влияние на показания испытаний, если исследования не направлены на выяснение этих состояний, т. е. образцы не должны иметь остаточных напряжений, наклепа и характерных конфигураций, влияющих на механические характеристики, а также текстуры материала и его загрязнения, отличных от исходных. Размеры зерна и текстура должны соответствовать прототипу (испытуемому материалу). При испытании листового материала важно учитывать направление прокатки.

Размеры образцов, испытываемых на усталость, должны учитывать масштабный фактор и фактор формы как по сечению, так и по длине образца, причем последняя должна быть достаточной, чтобы избежать влияния краевого эффекта от закрепления образцов на машине. Обработка образцов не должна вносить изменения в свойства материала образца по сравнению с исходным материалом, причем необходимо учитывать как металлургическую, так и технологическую наследственность готовых образцов.

Наиболее общим и универсальным видом влияния Среды является адсорбционное влияние. Согласно представлениям, развиваемым физико-химической механикой материалов [17], адсорбционное воздействие среды на механические свойства материала сильнее всего проявляется, когда последние имеют дефекты типа трещин (щелей). Поэтому для выяснения влияния среды можно рекомендовать применение образцов со специально созданными трещинами, а активность среды определять по изменению эффективной поверхностной энергии. Образцы с трещинами имеют ту специфичность, что у конца трещины создаются активированный объем материала, весьма чувствительный к влиянию среды и легко вступающий во взаимодействие с ней.

Среды, вызывающие коррозионное, эрозионное и кавитационное воздействия, способствуют возникновению и развитию трещин, тогда как среды, действующие адсорбционно, способствуют только их развитию. В [16] отмечено, что при действии коррозионной среды трещина растет не по одной магистрали, а наподобие корней луковицы, что снижает действие концентрации напряжения.

В работах [52, 53] показана эффективность применения образцов с искусственно созданными трещинами для выяснения влияния поверхностно-активных сред на изменение трещиностойкости сталей в высокопрочном состоянии. Описанные методики обладают значительными преимуществами, а именно позволяют на одном и том же образце-пластине определять параметры разрушения (нагрузку и длину трещины) много раз, что дает возможность исследовать влияние нескольких сред, исключая разброс данных. Однако образцы с трещинами не пригодны для исследования зарождения трещины (начала разрушения) при радиационном, кавитационном и эрозионном влиянии среды. При выяснении влияния поверхностного наклепа и покрытий образцы с трещинами обычно также не пригодны, так как трудно соразмерить длину трещины с толщиной изменяемого слоя материала.

Стандартные испытания материалов на образцах без трещин при комнатной температуре на однократное растяжение, кручение и изгиб статической силой со стандартными скоростями деформации в большинстве

случаев не могут выявить влияния сред (кроме наво- дороживающей!), поверхностного наклепа или поверхностных покрытий, вида механической обработки и поражения поверхности ржавчиной и окалиной. Эти факторы не сказываются на значениях <Уг и (тв и незначительно сказываются на 6 н 屮，малочувствительна также к их влиянию работоспособность материала (характеризуемая площадью, ограниченной кривой растяжения и координатными осями).

Увеличение скорости деформации материала при испытаниях кратковременно действующей статической силой как при растяжении, так и при изгибе (при комнатных температурах) вызывает снижение показателей пластичности и небольшое повышение предела прочности и текучести Такое же увеличение скорости деформации при испытании как предварительно наводоро- женной стали, так и стали, наводороживаемой в процессе испытания, вызывает изменение показателей пластичности. Увеличение скорости деформации при повышении температуры сказывается на механические свойствах металла значительнее, что объясняется интенсификацией релаксации при повышенных темпера” турах, хотя это повышение для конструкционных сталей до температуры 300—350° С не сказывается на величинах 仇 и Ов； увеличиваются только 6 и -ф. С понижением температуры у металлов с ОЦК решеткой пластичность снижается, а значения 。丁 и Ор повышаются, у материалов с ГЦК решеткой величина ов увеличивается меньше, чем(rT, а б и -ф понижаются не так сильно, как в предыдущем случае.

Влияние скорости деформации зависит от того, в какой степени успели произойти дислокационные, диффузионные и физико-химические процессы. При атом, очевидно, большую роль играет время, в течение которого протекают эти процессы, обусловливающие явления упрочнения и отдыха. Упрочнение предопределяется интенсивностью и характером деформации, а разупрочнение ——скоростью релаксации.

Эти соображения должны лечь в основу создания испытательных машин для физико-химической механики, использующих кратковременно действующие статические нагрузки. Если условия эксплуатации влекут за собой диффузионное проникновение среды в металл,

а обработка либо упрочнение накаткой или тренировкой создают повышение плотности дислокаций, то повышение температуры испытания увеличит 6 и <р, уменьшит 仇 и пв, а увеличение скорости, — наоборот, уменьшит б и ф и увеличит а и Ор. Поэтому для выяснения влияния среды (кроме наводороживающей), обработки и покрытий, а также накатки и тренировки, надо иметь возможность находить их влияние в экстрем а льных условиях на испытательных машинах.

Если воздействие среды, наклепа и тренировки увеличивает число закрепленных («сидячих») дислокаций, то выявить это можно при больших скоростях деформаций, так как только при больших скоростях и интенсивности деформации появляется достаточно энергии, чтобы новая дислокация, возникшая при испытании, могла пробиться через закрепленные дислокации. В этом случае процессы, связанные с диффузией, не успеют произойти и исказить картину испытаний. Для выявления влияния наводороживания ударные нагрузки мало пригодны, хотя ударная вязкость незначительно снижается с уменьшением температуры. На образцах с трещинами при адсорбционных эффектах (даже при действии ингибиторов) это вполне объяснимо, так как адсорбционные процессы протекают мгновенно.

Технологические испытания на перегиб и закручивание чувствительны к действию среды, упрочнения и покрытий. Эти пробы даже реагируют на предварительное действие среды (например, заржавевшая проволока теряет свою пластичность).

Большинство видов влияния среды (всех сред, вызывающих радиационное, эрозионное, кавитационное влияние, а также влияние, связанное с диффузионными процессами, химической и электрохимической коррозией) требует определенного времени, поэтому испытательные машины должны позволять осуществлять длительное либо статическое, либо циклическое нагружение. В этих случаях полнее могут проявляться процессы, требующие времени, что необходимо учитывать. Испытательные машины должны осуществлять различные виды подвода среды с различными температурами и давлениями, насыщения их газами, что имеет большое значение при длительных испытаниях. При уста-

лостных испытаниях кроме величины амплитуды должна регулироваться в широких пределах частота и вид кривой нагружения. Частота влияет так же, как скорость деформации, с той особенностью, что в моменты перехода от одного вида нагружения к другому (например, от растяжения к сжатию) и действия соответствующей деформации все физико-химические процессы (в том числе электрохимические и диффузионные) протекают несколько иначе, чем при прямом нагружении.

В испытательных машинах должна быть предусмотрена имитация подбора и подвода к образцу среды (барботирование, прерывистость и т. п.). Подбор среды должен учитывать не только подобие лабораторной среды, естественной по химическому составу (например, морская вода должна имитироваться не только по химическому составу, а и по биологическому), но и возможность изменения ее pH и концентрации в процессе испытания (например, в узких щелях и трещинах и т. п.). Результаты коррозионно-усталостных испытаний в значительной мере зависят от доступа кислорода воздуха к среде, ее подвода к образцу и перемешивания, т. е. от условий проведения эксперимента. При больших базах испытания влияние условий проведения эксперимента на результат выяснения коррозионно-усталостной прочности металла усиливается. Перемешивание среды необходимо потому, что в водных растворах солей на поверхности испытуемого образца образуется щелочной слой, благодаря насыщению его такими продуктами коррозии, как FeOH2 (рН=9,41), предохраняющий образец от дальнейшей коррозии и искажающий результаты исследований.

Чем интенсивнее перемешивание среды и больше доступ к ней кислорода воздуха, тем значительнее снижается выносливость стали в 3%-ном растворе хлористого натрия. В случае же испытания стали на усталость в дистиллированной воде наблюдается обратное явление: интенсивный доступ кислорода воздуха пассивирует сталь и выносливость ее повышается по сравнению с полученной в условиях затрудненного доступа воздуха [25]. Это показывает, что условия проведения эксперимента влияют на результаты для различных сред.

Условия проведенных испытаний катодной защиты стали от коррозионной усталости в 3%~ном растворе хлористого натрия могут существенно повлиять на полученные результаты: в неподвижной среде достигается почти полная защита стали, в подвижной, наоборот, сталь не удается защитить.

При исследовании необходимо учитывать различный охлаждающий эффект, зависящий от свойства среды и способов ее подвода. Охлаждение образца средой связано с физико-химическими процессами. При циклических нагружениях, особенно у циклически вязких металлов, при высоких частотах наблюдается их разогрев иногда до температур цветов побежалости, что приводит к интенсификации отдыха и снижению выносливости. Хорошо охлаждающие среды (проточная вода) повышают ограниченную выносливость у циклически вязких металлов. Охлаждающий эффект среды надо иметь в виду при испытаниях по физико-химической механике.

Морская вода теряет свою активность со временем [17]. Наименьшая потеря активности морской воды происходит при хранении ее в стеклянной посуде.

Исследования при высоких температурах и давлениях лучше всего проводить на трубчатых образцах, внутри которых находится среда. Правда, материал в этих случаях пребывает в объемно-напряженном состоянии, что надо учитывать. Если хотят исследовать объемно-напряженное состояние, то в полости создают гидростатическое давление нейтральной средой.

Исследования при повышенных температурах нельзя проводить в вакууме, так как не слишком высокий вакуум все же имеет достаточно материальных компонентов для образования адсорбционных пленок, а высокий вакуум вызывает сублимацию испытуемого материала и десорбцию растворенных в материале газов, что приводит к испытаниям уже не в вакууме, а в некоторой среде. Испытания при повышенных температурах желательно проводить в нейтральных газах (спектрально чистом аргоне, гелии и т. п.).

Физико-химическая механика широко использует испытательные машины с программным нагружением и подводом среды. Исследования распространяются также на малоцикловую усталость, при которой напря-

жения близки к пределу текучести. В этом случае влияние среды особенно сильно, так как движущиеся дислокации захватывают с собой инородные атомы, находящиеся в облаке Котрелла, перенося тем самым среды. Ядра дислокаций и околодислокационный металл являются легким путем для проникновения среды внутрь металла.

Большое значение при исследовании влияния среды на физико-механические свойства металла имеет состояние его поверхности и приповерхностных слоев. Поверхность после обработки может иметь различный рельеф, играющий роль множественных концентраторов, значение которых при действии среды снижается [18]. Приповерхностный слой после обработки может получить наклеп, текстуру, фазовые превращения и остаточные напряжения. Все эти данные получают путем измерения микротвердости на поверхности и в глубине образца (см. рис. 28) и измерения остаточных напряжений (см. рис. 29). Методика этих измерений описана в [30].

2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

ЛИТЕРАТУРА

Акимов Г. В. Коррозия, пассивность, защита металлов. Изд- во АН СССР, М., 1945.

Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. Машиностроение, М., 1968.

В е й л е р С. Я., Л и х т м а н В. И. Действие смазок при обработке металлов давлением. Изд-во АН СССР, М., 1954.

Васильченко Г. С., К о т еле в П. Ф. Практическое применение механики разрушения для оценки прочности конструкций. 《Наука》，М., 1974

Гликман Л. А. Коррозионно-механическая прочность металлов. Машгиз, М., 1955.

Гликман Л. А., Шаховцев Е. Д. Об изменении хрупкой прочности стали при циклической пластической деформации.—— ФМ и М, 1966, 21, 4, 568.

Г о л его Г. Л., Алябьев А.只.，Ш а в е л я В. В. Фреттинг- коррозия металлов.《TexniKa》, Киев, 1972.

Дудин И. В., Смирнов Н. В. Теория вероятности и математическая статистика в технике. Гостехиздат, М., 1958.

Дерягин В. В., Кротова Н. А. Адгезия. Изд-во АН СССР, М, 1949.

Д ы н н и к А. Н. Избранные труды. Изд-во АН УССР, К^ев* 1952.

Жук Н. П. Коррозия и защита металлов. «Металлургия», М.» 1968.

И в а н ец В. И. и др. Влияние алмазного, борозонного и электр окорундового шлифования на физико- механическое состояние поверхностных слоев деталей. ФХММ, 1970, 5, 24. Иванова В. С. Усталостное разрушение металлов Метал、 лургиздат, М., 1962.

И д е н б о м В. Л., Орлов А. Н. Дислокации.— УФН, 1962, 76, 557.

Калачев В. А. Водородная хрупкость цветных металлов. Металлургиздат, М., 1966.

Карпенко Г. В Влияние активных жидких сред на выносливость стали. Изд-во АН СССР, М., 1955.

Карпенко Г. В. Про фiзикo-xiмiчнy механ!ку метал】в» «Наукова думка», КиТв, 1973.

Карпенко Г. В. Прочность стали в коррозионных средах、 Машгйз, Киев, 1963.

Карпенко Г. В. Засоби боротьби з негативним вплнв^м робочого бередовища на MinnicTb та витpивaлicть матер!- алу. — BicHHK АН УРСР, 1974, 2, 50.

20.

21.

22.

23.

Карпенко Г. В. Влияние механической обработки на прочность и выносливость стали. Машгиз, Москва — Киев, 1959. Карпенко Г. В. В пл ив поверхнево-активних речовин н 在 втомну MiuHicib метал】в. — ДАН УРСР, 1949, 3, 38; Влияние поверхности о-активных веществ на усталость стали. — ДАН СССР, 1950, 73, 6, 1225.

Карпенко Г. В. Адсорбционно-электрохимическая гипотеза коррозии под напряжением. — ФХММ, 1972, 6, 34.

24.

Карпенко Г.лей в растворах

25.

26.

Карпенко 1974, 5.

Карпенко О методике лость. — В няр》，Львов, Карпенко

Г.

В. и др. Растрескивание углеродистых ста- щелочей. — ДАН СССР, 1972, 202, 3, 649.

В. 45 лет эффекта Ребиндера.—

ФХММ.

В., С тепу ренко В. Т., Б а бей Ю. И.

испытаний металлов на коррозионную уста- кн.: Коррозионная усталость металлов.《頁аме- 1964, стр. 155.

Г. В., Василенко И. И. Коррозионное рас*

трескивание сталей.《ТехнМа》，Киев,

1972.

27. Карпенко Г. В., Кацов К. Б., К.У с л и цк и й А. Б. Эффект Ребиндера при контактной усталости шарикоподшипниковой стали. — ДАН СССР, 1968, 183, 3, 652.

Карпенко Г. В., Ку с л и цки й А. Б. Влияние загрязнений металла на его физико-механические свойства в рабочий средах. — ФХММ, 1973, 1, 46.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

Карпенко Г. В. и др. Влияние диффузионных покрытий на прочность стальных изделий. «Наукова думка》， Киев, 1971.

Карпенко Г. В. и др. Упрочнение стали механической обработкой. «Наукова думка》，Киев, 1966.

Карпенко Г. В., Б а б е й Ю. И. О водородной усталости стали. — ДАН СССР, 144, 145, 1962.

Карпенко Г. В. Влияние водорода на свойства стали. Ме- таллургиздат, М., 1962.

Карпенко Г. В. и др. К вопросу о механизме водородной хрупкости. — ФХММ, 1973, 9, 4, 6.

Карпенко Г. В. и др. Разрушение высокопрочной стали в газовой среде. — ДАН СССР, 1973, 209, 4, 832.

Кацов К. В., Карпенко Г. В. К вопросу о влиянии поверхностно-активных веществ на зарождение первичной контактно- усталостной трещины.——ДАН СССР, 1968, 183, 1, 80.

37.

38.

Костецкий Б. Й. Сопротивление изнашиванию машин. Машгиз, К, 1959.

Кудрявцев И. В. Внутренние напряжения как прочности в машиностроении. Машгиз, М., 1951.

Кудрявцев И. В., Шкапов И. Н., Маминов А.

деталей

резерв

С. Ис-

39.

40.

следование усталостной прочности сталей 22K и 16ГНМ в условиях резкой асимметрии цикла и при воздействии кипящей воды. — ФХММ, 1969, 1, 6.

Кузнецов В. Физика твердого тела. Т. II.《Красное знамя», Томск, 1941.

Куз н е ц о в В. Д. Физика твердого тела. Т. IV. Полиграф- издат, Томск, 1947.

Курчи к Н. Н., Вайншток В. В., Шех тер Ю. И. Сма-

зочиые материалы для обработки металлов резанием. «Химия», М., 1972.

42. Л ихтм а н В. И., Ребиндер П. А., Карпенко Г. В. Влияние поверхностной активной среды на процессы деформации металлов. Изд-во АН СССР, М., 1954.

-43. Л и хт м а н В. И., Щукин Е. Д.} Р е б и н де р П. А. Фи- зикохимическая механика материалов. Изд-во АН СССР, М., 1962.

44. Максимович Г. Г. Дослщження стаб!льност! деяких ф1зико- механ!чних властивостей стал!. — Вкник АН УРСР. 1970, 34, ю, ео.

•45. Максимов ич Г. Г. Стабильность физико-механических свойств материалов как критерий их эксплуатационных свойств. — ФХММ, 1967, 1, 3.

•46. Марин Н. И. Статическая выносливость элементов авиационных конструкций. Машиностроение, М., 1968.

Н а д а и А. Пластичность н разрушение твердых тел. НЛ, М., 1964.

Никитин В. И. Физико-химические явления воздействия жидких металлов на твердые тела. Атомиздат, М., 1967.

Одинг И. А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность. Машгиз, М., 1962.

О ш е р Р. Н. Производство и применение смазочно-охлаждающих жидкостей. Гостоптехиздат, М., 1963.

П а н а сю к В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. 《Наукова думка», Киев, 1967.

•52. П а н а сю к В. В., К о в ч и к С. Е. Влияние поверхностно- активной среды на поверхностную энергию хрупкого тела.— ДАН СССР, 1962, 146, 1, 82.

П а н а с ю к В. В., К о в ч и к С. Е., Нагирный Л. В. Исследование влияния некоторых поверхностно-активных сред на изменение прочностных свойств стали У8 в высоком состоянии. —ДАН СССР, 1972, 203, 5, 1041.

Перцов И. В., Щукин Е. Д. Физико-химические процессы деформации, разрушения и обработки твердых тел. — Физико- химия обработки металлов, 1970, 2, 60.

П и н е г и и С. В. Влияние внешних факторов на контактную прочность при качении. Машгиз. М., 1972.

Пи ст у н И. П. и др. Повышение малоцикловой долговечности конструкционных сталей упрочнением ударной волной.—— В кн.: Повышение циклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования. Пермь. 1974, 53—54.

Пи ст у н И. П. др. О возможности применения виброна- клепа для значительного повышения выносливости высокопрочной стали в наводороживающей среде.——В кн.: Повышение циклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования. Пермь, 1974, 43—44.

Подгорный jW. Г. Внутрикотловые физико-химические процессы. Изд-во АН СССР, М., 1967.

Поперека М. Я. Внутренние напряжения электролитически осажденных металлов. Новосибирск, 1966.

60.61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.60.61.62.63.64.65.66.67.68.69.70.71.72.73.74.75.76.77.78.79.80.81.82.83.П от а к Я. Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. Оборонгиз, М., 1955.

60.

61.

62.

63.

64.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

71.

72.

73.

74.

75.

76.

77.

78.

79.

80.

81.

82.

83.

60.

61.

62.

63.

64.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

71.

72.

73.

74.

75.

76.

77.

78.

79.

80.

81.

82.

83.

Прикладные вопросы вязкости разрушения.《Мнр?, М., 1968. Прочность при малом числе циклов нагружений. «Наука», М., 1967.~

Ратнер С. И. Разрушение при повторных нагрузках. Обо- ронгиз, М., 1959.“

Ребиндер П. А. Изучение влияния величины поверхностной энергии кристалла на его механические свойства при понижении поверхностного натяжения грани введением в окружающую среду поверхностно-активных веществ. — В кн.: Материалы VI съезда русских физиков. Госиздат, М., 1928, 29. Ребиндер П. А., Логинов Г. И. Поверхностные явления на твердых телах. — ДАН СССР, 1941, 30, 489.

Ребиндер П. А., Щукин Е. Л. Поверхностные явления на твердых телах в процессе их деформации и разрушения.— УФН, 1972, 108, 1, 3.

Рогинский С. 3. Адсорбция и катализ на неоднородных поверхностях. Изд-во АН СССР, М., 1948.

Романов В. В. Коррозионное растрескивание металлов. Машгиз, М., 1960.

Ро м ан i в О. М., Зима Ю. В., Карпенко Г. В. Елек- тронна фрактограф!я зм!цнених сталей. «Наукова думка», КиТв, 1974.

Ростокер У., М ак-Ко ги Дж., Маркус Г. Хрупкость под действием жидких металлов. ИЛ, М., 1962.

Рябченков А. В. Коррозионн о- уста лостн ая прочность стали. Машгиз, М., 1953.

Сопротивление деформированию и разрушению при малом числе циклов нагружения.《Наука», М., 1967.

Томашов Н. Д. Теория коррозии и защиты металлов. Изд- во АН СССР, М., 1959.

Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. «На- укова думка», Киев, 1971.

Усталость и выносливость металлов. ИЛ, М., 1963.

Форрест П. Усталость металлов. «Машиностроение», М., 1968.

Фридель Ж. Дислокации в кристаллах. «Мир», М., 1967. Фридман Я. В. Механические свойства металлов, ч. I. Деформация в разрушения. «Машиностроение», М., 1974.

X а у 巾 е К Реакции в твердом теле на поверхности. ИЛ, М., 1963.

Чаевски й М. И., Шатинский В. Ф. Повышение работоспособности стали при циклических нагрузках. «Наукова думка》，Киев, 1970.

Чертавских А. К, Белосевич В. К- Треиие и технологическая смазка при обработке металлов давлением. «Металлургия», М., 1968.

Шнейдерович Р. М. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. «Машиностроение», М., 1968. Kitagawa Н., Morohashi Т. Influence of Mean Stress.— Proc. 10 th National Congr. of Appl. Meeh., 1960.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

4611289851626571657482^%^ё^4611289851626571657482^%^ё^

4611289851626571657482^%^ё^

4611289851626571657482^%^ё^

Влияние адсорбционное

7

——расплавов металлов

10

——солей и щелочей

48

--сред

6

Водород и металлы

13

Вязкость

26

——циклическая

61

Гистерезис

27

Деформация

24

Жидкости технологические

101

Коррозия

31

——газовая

31

-—морская

39

——под напряжением

43

——электрохимическая

35

Обработка механическая

96

Покрытия защитные

109

Прочность

17

——металлов техническая

21

—химическая

24

Растрескивание коррозионное Ребиндера эффект Текучесть

Упрочнение поверхностное Усталость

—адсорбционная

——водородная

—контактная

——коррозионная

——малоцикловая

—статическая

Физико-химическая механика

материалов Фреттинг-коррозия Хрупкость

——водородная

—сульфидная

——щелочная

Эффект масштабный

——щелевой

СОДЕРЖАНИЕ

От автора 3

Введение 5

Характерные виды влияния среды на физико-механические свойства материалов 7

Прочность17

Коррозия31

Усталость51

Хрупкость87

Влияние механической обработки иа

механическиесвойства металлов .96

Защита отвлияния среды ...106

Лабораторные исследования влияния среды на механические свойства металлов"3

Литература12°

Предметнейуказатель124

Георгий Владимирович Карпенко

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Печатается по постановлению ученого совета Фи* зико-механического института Академии наук УССР

Редактор Н. К. Сытник

Художественный редактор И. В Козий Оформление художника В Г. Самсонова Технический редактор Б. А. Пиковская Корректор Михалец Е. А.

Сдано в набор 20. X 1975 г. Подписано к печати 10 II 1976 г БФ 07837. Изд. № 254 Зак. № 3723. Тираж 3200. Бумага № 1, 84X108732. Условно-печ. листов 6,72 Учетио-изд листов 6,57. Цена 73 кои-

Издательство «Наукова думка», Киев. Репина, 3. Областная книжная типография Львовского областного управления по делам издательств, полигра* фии и книжной торговли. Львов, Стефаника, 1L

В 1976 г. В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «НАУКОВА ДУМКА» ВЫЙДУТ В СВЕТ КНИГИ:

П анасюк В. В., Саврук М. П., Д ацы ши н А, Гк Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. Язык русский. 31 л. Цена 3 руб. 20 коп.

Книга посвящена разработке методов решения двухмерных задач математической теории трещин для изотропных тел. С помощью аппарата сингулярных интегральных уравнений решены новые задачи об упругом и предельном равновесии ограниченных и неограниченных .пластин, ослабленных системой произвольно ориентированных прямолинейных трещин. Обобщены известные результаты по определению напряженных состояний около трещин в оболочках. Рассмотрены также задачи теплопроводности и термоупругости.

Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами прочности твердых тел, а также на аспирантов и студентов вузов, специализирующихся в области механики или физики твердого тела, прочности деталей машин.

Прочность деформированных металлов. Язык русский. 15 л. Цена 1 руб. 66 коп.

В монографии изложены результаты исследования влияния длительных и кратковременных нагружений статическим и переменным растяжением в условиях комнатной и повышенной температур и одновременного воздействия рабочих сред на структуру и физикомеханические свойства конструкционных металлов и сплавов. Описаны закономерности изменения этих свойств в зависимости от уровня действующих напряжений, продолжительности и температуры испытания, в том числе температурно-временная инверсия эффекта деформационного упрочнения сталей. Обобщены результаты изучения влияния циклических перегрузок при одновременном воздействии рабочих сред на закономерности изменения характеристик усталостной прочности и других физико-механических свойств конструкционных материалов. С помощью оптической и электронной микроскопии показаны особенности процессов деформации и разрушения предварительно деформированных материалов.

Рассчитана на научных и инженерно-технических работник。％ занимающихся вопросами прочности и пластичности материалов, а также вопросами механики разрушения в сложных условиях эксплуатации