Меню

  • На главную

Поиск

  • Влияние внешней среды на разрушение твердых тел ч.2

    Posted 9/14/2009 в 8:35:30 ПП

    Вообще, коррозионная усталость включает два процесса: первичный состоит в адсорбционном облегчении образования микротрещин под действием циклической нагрузки, вторичный — в электрохимической коррозии внутри образовавшихся микротрещин, способствующей их дальнейшему росту. Интересно отметить определенную ориентированность микротрещин усталости в коррозионной среде и преимущественную насыщенность поверхности очагами разрушения при малых величинах коэффициента циклической нагрузки (Г. В. Карпенко, 1951).
    Явление коррозионной усталости показывает, что среда, химически воздействуя на металл, влияет на его усталостную прочность. Однако и при отсутствии химического воздействия происходит снижение усталостной прочности, если среда содержит поверхностно-активные вещества. Это явление было названо адсорбционной усталостью, причем, в отличие от коррозионного воздействия, снижение усталостной прочности под действием поверхностно-активных сред не зависит от времени пребывания детали в среде и от числа циклов нагружения.
    Влияние поверхностно-активных сред на усталостную прочность стали исследовал Ш. Я. Коровский (1948). В дальнейшем было изучено охлаждающее влияние жидких сред и вообще адсорбционное и коррозионное влияние жидких сред на усталостную прочность стали (Г. В. Карпенко и др., 1949, 1952; И. В. Кудрявцев, 1949). Отметим, что существенную роль в снижении усталостной прочности под действием поверхностно-активных веществ играет концентрация этих веществ в растворе и природа растворителя (А. Б. Таубман, 1930; Г. В. Карпенко, 1950).
    Важными для механики разрушения являются исследования разрушения металлов в области концентрации напряжений под действием агрессивной среды. Экспериментальные исследования указывают как на катастрофическое падение усталостной прочности образцов с концентраторами напряжений, находящихся под воздействием жидких металлов (М. И. Чаевский, 1961), так и на отсутствие разупрочняющего эффекта при воздействии коррозионной среды (Г. В. Карпенко и Ф. П. Янчишин, 1955; М. И. Чаевский, 1959). Таким образом, в процессе усталостного нагружения адсорбционные, диффузионные и коррозионные факторы могут как снижать, так и повышать усталостную прочность образцов с концентраторами напряжений или не оказывать вообще заметного влияния (М. И. Чаевский и Г. В. Карпенко, 1962). Как показал И. А. Одинг (1959), при циклическом нагружений генерирование дислокаций, их движение, коагуляция и аннигиляция вакантных мест, связанная с диффузией и движением дислокаций, происходят более интенсивно, причем изменение кристаллической решетки препятствует возвращению части дислокаций при разгрузке. Напряжения от циклической нагрузки накладываются на напряжения, возникшие в разультате направленного движения дислокаций и их скопления около препятствий (создание постоянного градиента напряжений в объеме зерна).
    М. И. Чаевский (1962, 1965, 1968), используя результаты исследований адсорбционного, диффузионного и коррозионного влияния агрессивных сред при статическом нагружений, пришел к следующим выводам относительно характера взаимодействия деформируемого металла с агрессивной средой (образцы с концентраторами напряжений, поперечный размер сечения которых во много раз превышает размер зерна): 1) усталостная прочность может значительно снизиться в результате диффузии среды в дефектную часть металла в вершине концентратора напряжений; 2) эксплуатационные возможности образцов с концентраторами напряжений повышаются в результате образования средой защитного диффузионного слоя из-за диффузии и взаимодействия с дефектным объемом металла; 3) среда растворяет металл у дна концентратора (см. М. С. Гойхман,
    A. М. Дацишин и др., 1968). Регулярный процесс сглаживает концентратор напряжений, а нерегулярный (по границам зерен) разупрочняет образец с концентратором напряжений, причем уменьшение работоспособности образца происходит только при большой базе испытаний (Г. В. Карпенко и Ф. П. Янчишин, 1955; М. И. Чаевский, 1959).
    Таким образом, наряду с существенной ролью адсорбционных эффектов, большое значение в разупрочнении поликристаллического металла, деформируемого в агрессивной среде, играет химизм процесса.
    Вопрос влияния смазочных масел (практически коррозионно-безопас-ных) на прочность стали приобрел в последнее время самостоятельное значение. Как показали эксперименты, при циклическом нагружении стали в маслах наблюдается явление адсорбционной усталости, зависящее от адсорбционной активности масла (Г. В. Карпенко, 1953). Некоторые аспекты исследований, касающихся влияния жидких сред на усталость стали, качественных изменений стали под действием адсорбционно-уста-лостного и коррозионно-усталостного процессов, изложены в монографиях
    B. И. Лихтмана, П. А. Ребиндера и Г. В. Карпенко (1954) и Г. В. Карпенко (1963). Здесь же освещены результаты, касающиеся изменения циклической вязкости стали в различных средах, вопросы влияния частоты изменения напряжения, остаточных напряжений на адсорбционную и коррозионную усталость стали и масштабный эффект.
    Действие внешней среды проявляется по-разному в зависимости от структуры и состава металла (например, у мягкой стали с малым содержанием углерода предел усталостной прочности в агрессивной среде снижается на 3—7%, а у сталей с повышенным содержанием углерода — на 15—20%). Изучение вредного действия поверхностно-активных веществ на усталостные свойства металлов привело к созданию методов повышения стойкости металлов (и особенно стали) к усталости в агрессивных средах. Детальное ^исследование вопросов прочности предварительно напряженных элементов конструкций и сооружений, подвергающихся коррозионному воздействию, коррозионной усталости стали и растрескивания металлов содержится в работах А. В. Рябченкова (1953), В. В. Романова (1960, 1967), Я. М. Потака (1955), Г. В. Карпенко (1963, 1967), Э. М. Гутмана (1967).
    Еще одно важное направление связано с проблемой прочности металлов при наличии расплавленных металлических покрытий. В технике давно известны многочисленные случаи разрушения ответственных деталей в конструкциях при наличии на их поверхности небольшого количества жидкого металла, когда приложенные напряжения намного ниже предельно допустимых. Интерес к проблеме сохранения прочности конструкций и сооружений при наличии расплавленных металлов особенно возрос в связи со строительством энергетических, ядерных и ракетных установок, где в качестве теплоносителей используются жидкие металлы. Впервые это явление было объяснено с помощью эффекта Ребиндера в работах С. Т. Киглкина и Я. М. Потака (1955), а исследования П. А. Ре-биндера, В. И. Лихтмана, Е. Д. Щукина (1962) и их сотрудников показали, что наибольшие разрушения металлов могут происходить именно в присутствии жидких металлов. Проведенные исследования показали, что адсорбционная активность жидкого металла зависит от величины его растворимости в твердом металле, причем при решении вопроса об адсорбционном понижении прочности (Н. В. Перцов и П. А. Ребиндер, 1958) диагностирующей является диаграмма плавкости соответствующей бинарной системы (диаграмма с узкой областью растворимости легкоплавкого металла в тугоплавком указывает на возможное понижение прочности, в отличие от диаграмм с широкой областью твердых растворов или химических соединений). Изучение электронного строения атомов обоих металлов показало, что резкое понижение прочности происходит в основном, когда оба металла относятся к числу непереходных (Ю. В. Горюнов, Н. В. Перцов и П. А. Ребиндер, 1959). Дальнейшее рассмотрение адсорб-ционно-активного влияния расплавленных металлов выявило интересную аналогию между закономерностями температурной хрупкости без покрытий и закономерностями хрупкого разрушения при обычных температурах под действием расплавленных металлов, приводящих к разрушению при значительно более низких значениях напряжений (Ю. В. Горюнов, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Б. Д. Сумм, Е.Д.Щукин и др., 1963 и сл.).
    Помимо резкого понижения прочности и появления хрупкости, жидкий адсорбционно-активный металл при высоких температурах и сравнительно малых скоростях деформирования приводит к понижению предела текучести и коэффициента упрочнения металла (пластифицирующее действие), о чем уже упоминалось выше при рассмотрении влияния смазок в процессе обработки металлов давлением. Напомним, что пластическое течение в кристаллах представляет собой зарождение и движение дислокаций в плоскости скольжения и их выход на поверхность кристалла. Как показал Е. Д. Щукин (1962), адсорбция поверхностно-активных веществ влияет на взаимодействие дислокаций с поверхностью. Благодаря уменьшению поверхностной энергии деформируемого твердого тела в результате адсорбции происходит пластифицирование материала (выход дислокации на поверхность происходит при меньшем общем напряжении, а при постоянном внешнем напряжении в единицу времени выходит больше дислокаций, т. е. происходит больше пластических сдвигов). Пластифицирующее действие расплавов аналогично действию органических адсорбционно-активных веществ — в обоих случаях облегчается выход дислокаций на поверхность.
    Одним из важных вопросов механики твердого тела является вопрос о развитии макроскопических трещин, причем наличие адсорбционного металла Существенным образом отражается на всем характере разрушения. Скорость роста трещины зависит от быстроты «омывания» берегов трещины и особенно от скорости поступления металлического расплава в вершину трещины. Наряду с распространением расплава вдоль берегов происходит впитывание жидкого металла стенками образующейся трещины, причем конечная длина трещины зависит от своеобразной конкуренции этих процессов. Е. Д. Щукин показал, что чем быстрее распространяется адсорбционный металл и чем медленнее он впитывается стенками, тем больше длина трещины при прочих одинаковых условиях (масса раствора, растягивающие напряжения, геометрия пластинки и т. д.). Получена следующая зависимость длины трещины I от массы адсорбционно-активного расплава т (Ю. В. Горюнов, Н. В. Перцов, Б. Д. Сумм, Е. Д. Щукин и др. 1962, 1963)