Сопротивление коррозионной усталости технологически обработанных маталлов и сплавов


Г. В. Пачурин











            СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ УСТАЛОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫХ
            МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ


Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: 20.03.01 «Техносферная безопасность» (профиль «Безопасность технологических процессов и производств»), 15.03.01 «Машиностроение», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 620.178.3+620.194
ББК 34.2
     П12


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильного транспорта Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева Кузьмин Николай Александрович






     Пачурин, Г. В.

П12 Сопротивление коррозионной усталости технологически обработанных металлов и сплавов : учебное пособие / Г. В. Пачурин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 152 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0825-7

     Рассмотрен вопрос повышения коррозионной долговечности и эксплуатационной надежности металлических материалов в изделиях холодноштамповочного производства различных отраслей промышленности, работающих в условиях циклических нагрузок и коррозионной среды. Даны практические рекомендации по улучшению эксплуатационной надежности и качества листоштампованных изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов разных классов.
     Для студентов машиностроительных направлений подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность», 23.03.01 «Технология транспортных процессов», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Может быть полезно для инженерно-технических и научных работников предприятий автомобильной, авиационной, судостроительной и других металлообрабатывающих отраслей машиностроения.

                                               УДК 620.178.3+620.194
                                               ББК 34.2






ISBN 978-5-9729-0825-7

     © Пачурин Г. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение...........................................................6
1. Влияние режимов технологической обработки на сопротивление металлических материалов коррозионной усталости....................8
  1.1. Термическая обработка.......................................8
  1.2. Механическая обработка......................................9
  1.3. Механотермическая обработка.................................9
  1.4. Объемное пластическое деформирование.......................10
  1.5. Поверхностное пластическое деформирование..................11
  1.6. Сварка......................................................11
  1.7. Механизмы коррозионно-усталостного разрушения металлических материалов........................................12
    1.7.1. Адсорбционное воздействие поверхностно-активных веществ.14
    1.7.2. Локальное анодное растворение......................... 15
    1.7.3. Водородное охрупчивание................................17
2. Теоретическое обоснование влияния предварительной пластической деформации на сопротивление коррозионной усталости конструкционных материалов........................................21
  2.1. Влияние структуры и свойств поверхности на физические механизмы коррозионно-усталостного разрушения деформированных металлов и сплавов..............................................21
    2.1.1. Факторы, влияющие на склонность металлов к окислению.... 21
    2.1.2. Эффект влияния предварительной термической и пластической обработки на пассивацию металлов............................. 27
    2.1.3. Изменение плотности металла при термической и пластической обработке.....................................................28
    2.1.4. Роль структуры и свойств поверхностных слоев в коррозионноусталостном разрушении металлов...............................28
  2.2. Сравнительная оценка циклической долговечности деформированных конструкционных материалов в коррозионной среде и на воздухе....31
3. Основные закономерности влияния термической, механотермической и пластической обработки на эксплуатационную долговечность
материалов....................................................... 38

3

  3.1. Изменение механических свойств после различных режимов технологической обработки при статическом нагружении материалов.38
    3.1.1. Цельные образцы........................................38
    3.1.2. Сварные образцы........................................43
  3.2. Влияние режимов технологической обработки на сопротивление коррозионной усталости металлических материалов
  и сварных соединений............................................45
    3.2.1. Термическая обработка..................................46
    3.2.2. Механотермическая обработка............................46
    3.2.3. Степень объемного пластического деформирования.........47
    3.2.4. Скорость объемной пластической деформации..............55
    3.2.5. Поверхностное пластическое деформирование..............66
    3.2.6. Сварные соединения.................................... 71
  3.3. Изменение микроструктуры поверхности материалов в процессе циклического нагружения............................ 84
    3.3.1. Медные сплавы..........................................84
    3.3.2. Алюминиевый сплав В95пчТ2..............................87
  3.4. Изменение текущего прогиба образцов в процессе циклических испытаний...........................................89
  3.5. Фрактография усталостных изломов образцов..................92
    3.5.1. Термически и пластически обработанные материалы.....................................................92
    3.5.2. Эффект коррозии........................................97
4. Повышение эксплуатационной долговечности конструкционных материалов.......................................102
  4.1. Кинетика усталостного разрушения металлических материалов после различной технологической обработки......................102
    4.1.1. Усталостное разрушение термообработанных материалов...................................................102
    4.1.2. Усталостное разрушение предварительно деформированных металлов и сплавов...........................107
    4.1.3. Влияние коррозионной среды на процесс усталостного разрушения деформированных материалов........................113

4

  4.2. Сопротивление коррозионно-усталостному разрушению материалов с разной деформационной способностью при статическом нагружении..117
  4.3. Сопоставление эффекта объемной и поверхностной пластической обработки на сопротивление усталости материалов на воздухе

  и в коррозионной среде.....................................121
5. Выводы....................................................129
6. Практическое использование результатов исследования.................................................132
Список литературы............................................134

5

    ВВЕДЕНИЕ


    Приоритетные направления развития современной науки и техники обусловливаются интенсификацией производственных процессов, необходимостью увеличения мощности машин и оборудования, их работоспособности и долговечности в условиях ужесточения требований эксплуатации при решении первоочередных задач по ресурсосбережению, экономии сырья и материалов.
    Самым распространенным (более 80 %) из всех видов разрушений инженерных конструкций является усталостное разрушение, приводящее к огромным финансовым потерям, а порой и человеческим жертвам.
    Проблема обеспечения надежности и безопасной работы деталей машин и технических устройств в различных эксплутационных условиях (воздух, коррозионная среда), наряду с совершенствованием конструкции, включает необходимость оптимизации режимов технологических процессов, которая в значительной мере обусловливается структурой и свойствами применяемых материалов.
    Исследованию закономерностей поведения металлов и сплавов при циклическом нагружении посвящены научные труды известных ученых: И. А. Одинга, С. В. Серенса, Н. Н. Давиденкова, И. В. Кудрявцева, С. Ф. Медведева, Л. М. Школьника, В. Г. Трощенко, В. С. Ивановой, В. Ф. Терентьева, Л. Р. Ботвиной, В. Г. Горицкого и других, атакже работы зарубежных исследователей.
    В промышленности широко используются конструкционные материалы, подвергающиеся различным методам обработки: термической, механической и пластической и др. Наиболее распространенным и производительным из них является холодная штамповка с разными степенями и скоростями пластической деформации. Эффект предварительной пластической деформации на циклическую долговечность и пределы выносливости металлов и сплавов при комнатной температуре на воздухе исследовался многими авторами, и, в частности, Н. И. Черняком. В работах Г. П. Гусляковой подробно изучен вопрос прогнозирования долговечности при циклическом нагружении на воздухе предварительно деформированных металлических материалов и ее повышения путем оптимизации технологических режимов пластической обработки.
    Наиболее частой причиной эксплутационных разрушений деталей и элементов машин и механизмов является коррозионная усталость, представляющая собой одновременное воздействие агрессивной среды и циклических нагрузок, что приводит к огромным финансовым потерям, а порой и человеческим жертвам.
    Влияние коррозионной среды на сопротивление усталостному разрушению металлических материалов изучалось многочисленными авторами, например, Г. В. Акимовым, Л. А. Гликманом, Г. В. Карпенко, В. В. Романовым,

6

В. В. Панасюком, Н. Д. Томашевым, В. И. Похмурским, А. В. Рябченковым, А. В. Карлашевым, О. Н. Романивым, Г. Н. Никифорчиным, Н. А. Махутовым, И. И. Василенко, С. Я. Яремой, Ю. И. Бабеем, Л. А. Сосновским, Ю. А. Эвансом, Р. Н. Паркинсом, Б. Томкинсом, П. М. Скоттом, Мак-Адамом, Дж. Ф. Ноттом идр.
    Однако систематические теоретические и экспериментальные исследования влияния коррозионной среды на сопротивление знакопеременным нагрузкам пластически обработанных металлов и сплавов практически отсутствуют. Поэтому в большинстве случаев без предварительного эксперимента предсказать коррозионно-усталостное поведение деформированных материалов затруднительно.
    В связи с этим и с учетом интенсивного развития прогрессивных методов поверхностного и объемного пластического деформирования проблема установления закономерностей коррозионно-усталостного разрушения с целью прогнозирования и повышения коррозионной долговечности деформационно-упрочненных металлических материалов, а, следовательно, и снижения материалоемкости изделий, представляется весьма актуальной.
    Для инженера технолога важно не только разработать прогрессивный технологический процесс изготовления той или иной детали посредством пластического формоизменения, но и учесть совокупность всех факторов, оказывающих влияние на их коррозионную долговечность в процессе их последующей эксплуатации.
    Учебное пособие написано на основе обобщения литературных источников, научно-исследовательских работ, выполненных автором, а также его совместных работ с проф., д-ром техн. наук Г. П. Гусляковой, канд. техн. наук В. А. Власовым, канд. техн. наук Н. А. Межениным, канд техн. наук М. Ф. Бе-режницкой, доц., канд. техн. наук Ю. В. Бугровым и др. Автор приносит им свою признательность и благодарность за плодотворное сотрудничество. Автор также признателен академику ИАН, проф., д-ру техн. наук М. Г. Михаленко и заслуженному деятелю науки РФ, проф., д-ру техн. наук Ф. П. Михаленко за ценные советы и замечания, сделанные при просмотре материалов рукописи.

7

1. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КОРРОЗИОННОЙ УСТАЛОСТИ



    1.1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

    Режим предварительной термической обработки обусловливает коррозионно-усталостное разрушение материалов. Термообработка стали, обогащая примесями границы зерен, усиливает их действия как анодов в электрохимических парах, способствует интеркристаллитному разрушению и приводит к значительному (на порядок) увеличению долговечности крупнозернистых материалов по сравнению с мелкозернистыми [1]. При этом стали с мартенситной структурой хуже сопротивляются коррозионной усталости, чем стали с перлит-фер-ритной, сорбитной и даже трооститной структурой [1-4].
    Увеличение температуры закалки стали [5] 08Х17Н13М2Т (аустенитная структура) от 1050 °C до 1150 °C и мартенситностареющей стали 18К9М5Т от 850 °C до 950 °C [6], повышает коррозионно-усталостную прочность.
    Одним из эффективных методов улучшения сопротивления усталости сталей в коррозионной среде является правильный выбор режима отпуска [2]. Так, на плоских образцах из мартенситностареющей стали с 18 % Ni показано, что изменение температуры отпуска с 500 °C до 650 °C (после горячей прокатки; термообработки на твердый раствор при 820 °C в течение 1 ч., охлаждения на воздухе; старения при 500 °C в течение 3 ч.) увеличивает коррозионно-усталостную прочность [7]. Аналогичные результаты получены на сталях У8 [8], 40Х [9] и Х20&Мо13 [14]. Однако существуют и другие результаты, указывающие на снижение коррозионной долговечности с повышением температуры отпуска [10].
    Изменение содержания углерода в отожженной стали с 0,03 до 1,09 % приводит [11] к увеличению условного предела коррозионной выносливости в 1,5 раза. Легирование отожженной среднеуглеродистой стали хромом, никелем, марганцем, кремнием до 5 % повышает предел выносливости в воздухе и не меняет в коррозионной среде [1]. Увеличение хрома с 12 до 16 % и введение в сталь молибдена, ванадия, вольфрама, ниобия и других элементов (20Х13, 1Х12Н2ВМФ, 1Х12Н2ВМФБА, 15Х16Н2М) также не оказывает существенного влияния на сопротивление коррозионно-усталостному разрушению [12].
    Разница в абсолютных величинах условного предела коррозионной выносливости стали с различным структурным состоянием при увеличении базы

8

испытания уменьшается [1]. Повышение вследствие изменения химического состава или термообработки предела прочности при статическом напряжении углеродистых, низколегированных и высокопрочных нержавеющих сталей до 1800 МПа [1, 13, 14] приводит к увеличению предела выносливости на воздухе до 800 МПа и практически не влияет на него в коррозионной среде (< 200 МПа).
    Сведения по коррозионной усталости меди и ее сплавов весьма ограничены. Известно, однако, что условный предел коррозионной выносливости на базе 5х10⁷ циклов у чистой меди (99,86 %) и в отожженном состоянии не изменяется по сравнению с испытанием на воздухе, в то время как у оловянистых бронз и латуней он снижается со 140-160 до 110-150 МПа. Увеличение размера меди М3 и латуни Л63 высокотемпературным вакуумным диффузионным отжигом приводит к уменьшению предела коррозионной выносливости [1].

    1.2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

    В коррозионной среде, в отличие от испытания на воздухе, корреляции повышения сопротивления усталости с уменьшением величины шероховатости поверхности не наблюдается [1, 2]. У деталей с меньшей шероховатостью коррозионная выносливость часто ниже, чем у изделий с более шероховатой поверхностью, если в приповерхностных слоях имеются остаточные сжимающие напряжения. Так, условный предел коррозионной выносливости на базе 10⁷ циклов микролегированной стали [15] после шлифовки существенно выше, чем после полировки, а при одинаковой шероховатости поверхности образцов из нормализованной стали 45 сопротивление коррозионной усталости после скоростного точения выше, чем после силового [1]. Условный предел выносливости в 3%-ном водном растворе морской соли на базе 5%0⁷ у закаленной стали ШХ15 после шлифования алмазным кругом в 4 раза выше, чем после шлифования электроко-рундовым кругом [16]. Это обусловлено отпуском закаленной стали на глубину 110-150 мкм и возникновением в поверхностных слоях растягивающих напряжений 370-570 МПа при использовании электрокорундового круга, в то время как после обработки алмазным кругом возникают на поверхности остаточные напряжения до 900-1200 МПа. Аналогичные результаты были получены и на сталях 40Х и Х18Н10Т [17].

    1.3. МЕХАНОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

    Опубликованные данные по этому вопросу ограничены. Известно, что пластическое деформирование растяжением при комнатной температуре до 20 °C


9

полуфабрикатов из нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т с последующим изотермическим старением при 700 °C увеличивает [18] предел выносливости с 270 до 350 МПа при испытании на воздухе, а условный предел коррозионной выносливости (база 2М0⁷ циклов) в атмосфере, насыщенной парами и брызгами кипящего 3%-ого раствора морской соли в воде, до 320 МПа. Это обусловлено увеличением плотности и равномерности распределения дислокаций в стали их полигонизацией, что тормозит движение дислокаций и диффузионные процессы. В то же время пластическое деформирование (0-4 %) закаленной низкоотпущенной стали 40Х с последующим старением, увеличивая время до разрушения в области высоких амплитуд циклических напряжений в коррозионной среде, не оказывает влияние на условный предел коррозионной выносливости [1].

    1.4. ОБЪЕМНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

    Литературные данные по влиянию холодного пластического деформирования на сопротивление коррозионно-усталостному разрушению весьма ограничены и противоречивы.
    Так, циклическая долговечность в коррозионной среде а - латуни, деформированной до 40 %, повышается до 2 раз [19]. Увеличение коррозионной долговечности наблюдается и у деформированных титановых сплавов 3В и 3М [20]. Подобные же результаты получены для нержавеющей стали 12Х18Н10Т [1], меди [13], фосфористой и бериллиевой бронз [13]. Однако, наряду с этим имеются данные, свидетельствующие о том, что холодная пластическая деформация снижает ограниченный предел выносливости в коррозионных средах сталей 30ХН3А, 30ХГСА [21], углеродистых сталей (в %: С: 0,06; 0,1; 0,14; 0,48) [22], нержавеющей стали (18 % Cr; 8 % Ni) [22], никеля [13, 22], алюминия [13, 22], алюминиевых сплавов [13], бронз (88,7 % Си; 7,5 % А1; 2,9 % Fe) [22], (8,9 % Al; 1,4 % Zn), (9,7 % Al; 5 % Ni; 5,4 % Fe) [13], латуни (62 % Си; 37 % Zn) [13], монель-металла (67 % Ni; 30 % Си) [13], (68 % Ni; 29 % Си) [22] и магниевого сплава (2,5 % Al) [13].
    Противоречивость экспериментальных данных, кроме несопоставимости условий испытаний, возможно обуславливается зависимостью сопротивления коррозионной усталости от степени предварительной пластической деформации. Однако сведения об этом редки и носят случайный характер.
    Эффект степени воздействия предварительной деформации на кинетику процесса коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в литературе практически не освещен.


10

    1.5. ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ


    Поверхностное пластическое деформирование (ППД) - обкатка роликами и шариками, обдувка дробью, алмазное выглаживание, кавитация в щелочной среде, виброшлифование и т. п. - является одним из наиболее распространенных и эффективных технологических методов повышения ресурсов деталей машин и механизмов.
    В отечественной и зарубежной литературе подробно освещены технологические возможности современных методов поверхностной обработки изделий с целью повышения выносливости [13, 23-30].
    На основании анализа литературных данных можно сделать вывод, что ППД, как правило, приводит к повышению сопротивления материалов коррозионной усталости, обусловленному уплотнением поверхностных слоев изделий и появлением в них остаточных напряжений сжатия [1,2, 13, 22].
    Особенно значительное повышение коррозионно-усталостных свойств наблюдается после фрикционно-упрочняющих видов поверхностной обработки, когда образуется структура «белого слоя», тонкого слоя вторичной закалки, состоящего из смеси высокодисперсного игольчатого мартенсита и аустенита и очень мелких выделений карбидов типа FeₓC [2, 31-33].


    1.6. СВАРКА

    Согласно современным представлениям, из большого числа факторов, влияющих на сопротивление усталости сварных соединений, наиболее важными являются концентрация напряжений (около различных уступов, пор и надрезов) и остаточные напряжения, величина которых может даже превышать предел текучести исходного материала [13, 34], и, следовательно, существенно (до десятков раз) снизить запас прочности сварных изделий [13, 35, 36]. Наиболее эффективными технологическими способами повышения циклической долговечности при комнатной температуре на воздухе сварных соединений являются термическая обработка и ППД материала шва и околошовной зоны. По этим вопросам в литературе имеется значительное количество работ [34-38]. Данные же по эффекту ППД на сопротивление коррозионной усталости сварных соединений более ограничены. Согласно [36] наклеп сварного шва может значительно повысить сопротивление усталости в коррозионной среде. При этом, если ранее считалось [39], что долговечность сварного соединения определяется преимущественно распространением трещины, поскольку после сварки остаются значительные дефекты,


11

приводящие к устранению стадии зарождения трещины, то в работе [40] показана основная, а, возможно, и доминирующая роль этапа ее образования.

    1.7. МЕХАНИЗМЫ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

    Хотя изучению механизмов коррозионной усталости посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов, в настоящее время еще нет единой точки зрения на процесс коррозионно-усталостного разрушения.
    Характерными признаками коррозионной усталости являются:
    1 - отсутствие истинного (физического) предела выносливости;
    2     - отсутствие четкой корреляции между механическими характеристиками при статическом и циклическом нагружении на воздухе и условным пределом коррозионной выносливости;
    3 - многоочаговый характер разрушения;
    4 - более резкое проявление частотного фактора;
    5     - инверсия масштабного фактора при усталости в коррозионной среде по сравнению с испытанием на воздухе; при этом чем выше агрессивность среды, тем слабее влияние концентраторов напряжений на снижение ограниченного предела выносливости;
    6     - значительное уменьшение чувствительности металлов к концентрации напряжений от острых надрезов, углублений, неметаллических включений, трещин ит.д.;
    7     - основную часть от общего времени до разрушения составляет длительность зарождения трещины.
    Различают три основные стадии коррозионно-усталостного разрушения.
    Первая характеризуется инкубационным периодом, наличием избирательной коррозии, образованием зародышевых дефектов, завершающаяся возникновением макротрещин.
    На второй стадии происходит субкритический рост коррозионно-усталостных трещин.
    Третья кратковременная стадия характеризуется практически мгновенным доломом металла в связи с напряжениями, превышающими предел его прочности.
    Таким образом, совершенно очевидно, что полную картину коррозионноусталостного разрушения металлических материалов, а также влияния на него различных факторов можно представить, лишь изучив этот сложный, распределенный во времени процесс.


12

    Многие авторы указывают на доминирующую роль этапа образования коррозионно-усталостной трещины в циклической долговечности до полного разрушения материалов. Однако, несмотря на очевидную важность стадии зарождения трещины, ее контролирующую роль в коррозионной усталости металлов и сплавов, она до сих пор изучена слабее, чем период ее субкритического роста (порой составляющий лишь = 10 % от полной долговечности), и не поддается количественному описанию.
    В то же время успехи теории механики разрушения, позволяющие получить количественные решения на основе концепции о квазихрупком разрушении твердых тел в результате спонтанного или субкритического развития в них дефектов, вызывающих образование трещин, позволили достаточно глубоко изучить вторую (более короткую, чем первая) стадию процесса - закономерности и количественные оценки роста трещин в условиях коррозионной усталости [14].
    К достоинствам методов механики разрушения можно отнести универсальность и простоту исходных концепций, в соответствии с которыми самые разнообразные виды нагружения твердых тел с трещинами и вызванные ими напряженные состояния могут быть описаны коэффициентами интенсивности напряжений (КИН), а различные предельные состояния - критическими и пороговыми значениями этих коэффициентов.
    Однако, без учета современных представлений электрохимии, физики и металловедения в области разрушения металлов, рассматривать более глубоко природу возникновения и акселерации коррозионно-усталостных повреждений нельзя [41].
    Хотя в настоящее время нет единой теории механизма коррозионно-усталостного разрушения металлов и их сплавов, тем не менее, благодаря работам отечественных и зарубежных ученых, таких как Г. В. Акимов, Л. А. Гликман, Н. Д. Томашев, А. В. Рябченков, Г. В. Карпенко, В. В. Романов, А. В. Карлашов, В. И. Похмурский, О. Н. Романов и Г. Н. Никифорчин, Л. А. Сосновский и Н. А. Махутов, Мак-Адам, Дж. Ф. Нотт, Ю. Р. Эванс, выявлены некоторые закономерности усталостного разрушения материалов в коррозионной среде.
    Существую гипотезы, позволяющие объяснить снижение сопротивления развитию трещин при воздействии агрессивных сред и циклического нагружения.
    При этом определяющими факторами коррозионной усталости являются [1,14, 42, 46]:
    1 - адсорбционное воздействие поверхностно-активных сред;
    2     - локальное электрохимическое растворение активированных механическими напряжениями анодных участков металла (анодное растворение);
    3 - водородное охрупчивание.

13