double arrow

Коррозийное растрескивание (КР) металлов

Коррозийное растрескивание (КР) - это разрушение металла в результате возникновения и развития трещин при одновременном дейст-

 

 

вии растягивающего напряжения и коррозионной среды. Оно характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла.

КР - это опасный вид разрушения металлов. КР чаще всего наблюдается в конструкциях, которые имеют остаточное напряжение после термической или механической обработки, при монтаже и сборке оборудования, при сварке, в условиях эксплуатации при повышенном давлении и температурах.

На возникновение КР и его интенсивность оказывают большое влияние характер агрессивной среды, ее концентрация и состав. КР в напряженном состоянии склонны почти все металлы и сплавы. На долю КР в химической, нефтегазовой и теплоэнергетической отраслях промышленности приходится от 20 до 40% всех коррозийных разрушений.

Для коррозийного растрескивания характерны следующие особенности:

- хрупкий характер трещин;

- направление трещин перпендикулярно растягивающему напряжению;

- образование межкристаллитных трещин;

- зависимость времени к растрескиванию от величины растягивающего напряжения.

В развитии процесса растрескивания под растягивающим напряжением можно выделить три этапа, рис.1.

 

 

 

 

I – инкубационный период (около 85% времени);

II – развитие трещины;

III – лавинообразное разрушение.

 

Рис. 1 – Развитие трещины при коррозийном растрескивании

(по Томашову Н.Д.)

 

Доказано, что процесс коррозийного растрескивания имеет электрохимическую природу и обусловлен возникновением коррозийных гальванических элементов в результате:

- неравномерного распределения напряжения;

- местного разрушения защитной пленки.

Конечно, для возникновения коррозийного растрескивания нужно одновременное действие, как коррозийной среды, так и механической напряжения.

Зависимость времени к растрескиванию от величины прилагаемого растягивающего напряжения описывается уравнением:

                                     (1)

 где К – константа; σкр – критическое (пороговое) напряжение, ниже которого сплав в данной коррозийной среде не поддается коррозийному растрескиванию.

Из этого уравнения следует, что с увеличением растягивающего напряжения время до растрескивания сплава уменьшается, и что есть критическое (пороговое) напряжение, ниже какого коррозийного растрескивания не происходят. На величину критического напряжения влияют: химический и фазовый состав сплава, состав коррозийной среды, характер и величина внутреннего напряжения, неравномерность распределения растягивающего напряжения.

Протекание коррозийного растрескивания под напряжением происходит при общем действии коррозийной среды и механических действий. В начальный период зарождение трещины происходит в результате растрескивающего действия при хемосорбции активных ионов коррозийной среды. Зарождение трещин может быть связано с возникновением тоннелей (размером порядка 0,05 мкм) и питтингов на участках металла, который имеет дефекты, например, на границах зерен, включениях, скоплениях дислокаций. Развитие трещины и разрыв происходят при превалирующем влиянии механического фактора.

Коррозией под напряжением называется процесс разрушения металла, который возникает при общем действии растягивающего напряжения и коррозийной среды. Влияние растягивающего напряжения на процессы коррозии схематично показан на рис. 2. При отсутствии напряжения в коррозийной среде наблюдается равномерная коррозия (рис.2, а). Прилагаемое напряжение может увеличить общую коррозию (рис.2, бы) или вызывать растрескивание (рис.2, в).

Коррозийное растрескивание под напряжением (обычно - коррозийное растрескивание) - широко распространено и является наиболее опасным видом коррозии под напряжением.

 

 

Наличие в металле механического напряжения влияет на коррозийное поведение металлов и сплавов. При этом нарушается сплошность пассивирующих пленок и ухудшаются их защитные свойства, а также металл получает дополнительную упругую энергию, которая уменьшает его термодинамическую стойкость. Для сильнонапряженного или деформируемого металла это уменьшение термодинамической стойкости небольшое. Значительно большее влияние на ускорение коррозии оказывает нарушение сплошности защитных слоев на поверхности металла в ходе его деформации.

.

 

 

а   - равномерная коррозия в отсутствии напряжению; б- повышенная коррозия под напряжением, вызванным нагрузкой Р; в - коррозийное растрескивание под напряжением

Рис. 2 - Влияние растягивающего напряжения на коррозию металла

 

Количественные характеристики, показывающие влияние напряжения на рост общей коррозии металлов, определить весьма трудно, поскольку необходимо учитывать множество факторов, обусловленных свойствами окружающей среды и самого металла (температура, состав, состояние поверхности и др.), действие которых часто превышает влияние напряжения. Коррозионному растрескиванию склонны различные металлы и сплавы: углеродистые и легированные стали, сплавы меди, алюминия, титана, магния и др. В результате взаимодействия статического растягивающего напряжения и коррозийной среды в металле образуются трещины, которые развиваются перпендикулярно напрямую действию растягивающего напряжения и приводят к растрескиванию металлической детали. Ход процесса коррозийного растрескивания обычно предусмотреть невозможно.

Коррозийное растрескивание вызвано хрупким разрушением металла; пластической деформации при этом не происходит. Оно может быть межкристаллитным, когда возникают трещины по границам зерен, и транскристаллитным, когда трещины распространяются внутрь зерна. При этом образуются одна трещина и небольшие ответвления - микротрещины от нее. Этими микротрещинами коррозийное растрескивание отличается от чистого хрупкого разрушения металла в условиях действия растягивающего напряжения и сниженной температуры.

Основными факторами, которые влияют на коррозийное растрескивание, является растягивающее напряжение, коррозийная среда, состав и структура сплава, состояние его поверхности, длительность эксплуатации, электрохимические условия.

Коррозийное растрескивание обнаруживается в материалах, склонных к действию статических растягивающих напряжений, или напряжений, имеющих растягивающую компоненту, например, напряжение изгиба. Это могут быть внешнее или остаточное напряжения, возникающие в результате термообработки, сварки или механической обработки. Для возникновения коррозийного растрескивания необходимо напряжение, величина которого близка к напряжению, вызывающему пластическую деформацию. Это напряжение должно быть меньше 0,7 σ 0,2, где σ 0,2 условный предел текучести.

В конструкциях машин встречаются многочисленные концентраторы напряжения - винты, отверстия, надрезы, острые углы и т. д., в которых в коррозийной среде возникают напряжения, во много раз превышающие величины средних напряжений.

Коррозийное растрескивание металлов может идти как в газовой, так и в жидкой среде. При этом необходимо учитывать температуры и физическое состояние среды. Некоторые металлы, например, дюралюминий и сплавы титана в морской воде, растрескиваются при нормальной температуре. Коррозийное растрескивание большинства металлов протекает при температуре ниже 100°С. Особенно оно усиливается при переменном действии воды и водяного пара.

Для теплоэнергетики применяются горячекатаные бесшовные и холоднодеформированные трубы, изготовляемые из сталей перлитного, ферритного и аустенитного классов. Требования по структуре, механическим свойствам и длительной прочности обеспечиваются химическим составом стали и режимом термообработки.

Трубы для котлов и паропроводов работают в тяжелых условиях высоких температур (540-600°С) и давления (25 Мпа), потому они должны иметь высокую длительную прочность при достаточной длительной пластичности. Расчетный срок службы труб 100000 ч.

Для труб обычно применяются наиболее дешевые стали, прошедшие нормализацию и имеющие феррито-перлитную структуру. Это стали 20, 15ГС, механические свойства которых представлены в табл.1.

Таблица 1 - Нормы механических свойств котельных труб

 

 

 

Марка стали

 

σв

МПа

σв, МПА при tº C

δ5

%

Ψ,

%

KCU,

МДж/м2

20 250 400 450
20 411-549 215 196 137 117 24 45 0,49
15ГС 490 294 245 166 127 18 45 0,59

Трубы из сталей марок 20 и 15ГС поддаются нормализации при температуре 920-950 и 900-930°С и охлаждаются на воздухе.

Коррозийное растрескивание металлов можно уменьшить следующими способами:

1) уменьшением растягивающего напряжения. Внутреннее напряжение можно значительно уменьшить или полностью снять отжигом после пластической деформации или сварки.

Внешнее напряжение иногда можно уменьшить, изменяя конструкцию изделия или условия эксплуатации.

2) удалением со среды веществ, способствующих коррозии под напряжением. Это достигается деминерализацией или восстановлением таких веществ.

3) электрохимической защитой. Катодная защита эффективно тормозит развитие коррозийного растрескивания в электролитной среде многих металлов. Ее можно использовать только тогда, когда причиной растрескивания не является водородная хрупкость.

4) ингибиторной защитой. Для уменьшения коррозийного растрескивания в замкнутых системах к циркулирующим в них растворам добавляют ингибиторы коррозии. Так, например, фосфаты, которые добавляются в воду для питания паровых котлов, предотвращают возникновение высоких локальных концентраций ОН', которые вызывают щелочную хрупкость стали.

 


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: