Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Коррозиялық ортадағы шаршау
Fatigue in a corrosive environment
Коррозиялық шаршау – коррозиялық ортада болатын шаршау. Бұл коррозия мен циклдық жүктеменің бірлескен әсерінен материалдың механикалық тозуы. Көптеген инженерлік құрылымдар қызмет ету мерзімі ішінде ауыспалы кернеуге ұшырайды және зиянды ортаның әсеріне түседі. Орта болат, алюминий қорытпалары және титан қорытпалары сияқты жоғары беріктікті конструкциялық материалдардың шаршауына маңызды әсер етеді. Технологияның қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жоғары қатаңдыққа ие материалдар жасалуда. Дегенмен, олардың тиімділігі коррозиялық шаршауға төзімділік деңгейіне байланысты. Металдардың шаршау қасиеттеріне коррозиялық ортаның әсері 1930 жылдардан бастап зерттелді. Бұл құбылысты кернеулі коррозиядан туындаған жарықтардың (мысалы, шұңқырлардың) пайда болуына, өсуіне және құрылымның бұзылуына алып жататын кернеулі коррозияның жарылуымен шатастыруға болмайды. Коррозиялық шаршау үшін қажетті жалғыз талап – сынаманың созылатын кернеуге түсуі.
Corrosion fatigue is fatigue in a corrosive environment. It is the mechanical degradation of a material under the joint action of corrosion and cyclic loading. Nearly all engineering structures experience some form of alternating stress, and are exposed to harmful environments during their service life. The environment plays a significant role in the fatigue of high strength structural materials like steel, aluminum alloys and titanium alloys. Materials with high specific strength are being developed to meet the requirements of advancing technology. However, their usefulness depends to a large extent on the degree to which they resist corrosion fatigue. The effects of corrosive environments on the fatigue behavior of metals were studied as early as 1930. The phenomenon should not be confused with stress corrosion cracking, where corrosion (such as pitting) leads to the development of brittle cracks, growth and failure. The only requirement for corrosion fatigue is that the sample be under tensile stress.
С-Н диаграммасына коррозияның әсері
Коррозияның тегіс үлгідегі S-N диаграммасына әсері оң жақта схемалық түрде көрсетілген. А қисығы ауада сынақтан өткен материалдың шаршау қасиеттерін көрсетеді. А қисығында шаршау шегі (немесе лиміті) байқалады, ол қисықтың көлденең бөлігіне сәйкес келеді. B және C қисықтары бір материалдың екі коррозиялық ортадағы шаршау қасиеттерін көрсетеді. В қисығында жоғары кернеулерде шаршаудың дамуы баяулайды және шаршау шегі жойылады. С қисығында қисық толығымен солға жылғады; бұл шаршау беріктігінің жалпы төмендеуін, жоғары кернеуде басталудың үдеуін және шаршау шегінің жойылуын көрсетеді. Технологияның қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жылулық өңдеу немесе қорыту арқылы жоғары берікті материалдар жасалады. Мұндай жоғары берікті материалдар әдетте жоғары шаршау шектерін көрсетеді және шаршау жүктемесі кезінде жоғары пайдалану кернеулерінде қолданылуы мүмкін. Дегенмен, шаршау жүктемесі кезінде коррозиялық ортаның болуы бұл кернеу артықшылығын жояды, себебі шаршау шегі белгілі бір қорытпалар тобының беріктік деңгейіне сезімтал болмайды. Бұл әсер сол жақтағы диаграммада бірнеше болаттар үшін схемалық түрде көрсетілген, бұл коррозиялық ортаның шаршау кезінде жоғары берікті материалдардың функционалдығына тигізетін зиянды әсерін көрсетеді. Сулы ортадағы коррозиялық шаршау – электрохимиялық құбылыс. Жарықтар шұңқырлар немесе тұрақты сырғулар арқылы басталады. Коррозиялық шаршауды азайту үшін қорытпалар қосу, ингибиторлар қолдану және катодтық қорғау шаралары қолданылады, бұл шұңқырлануды азайтады. Коррозиялық шаршау жарықтары металл бетінде басталатындықтан, жалату, қаптау, нитридтеу және құмшаңдату сияқты беттік өңдеулер материалдың осы құбылысқа қарсы тұру қабілетін жақсартады.
The effect of corrosion on a smooth specimen S N diagram is shown schematically on the right. Curve A shows the fatigue behavior of a material tested in air. A fatigue threshold (or limit) is seen in curve A, corresponding to the horizontal part of the curve. Curves B and C represent the fatigue behavior of the same material in two corrosive environments. In curve B, the fatigue failure at high stress levels is retarded, and the fatigue limit is eliminated. In curve C, the whole curve is shifted to the left; this indicates a general lowering in fatigue strength, accelerated initiation at higher stresses and elimination of the fatigue limit. To meet the needs of advancing technology, higher strength materials are developed through heat treatment or alloying. Such high strength materials generally exhibit higher fatigue limits, and can be used at higher service stress levels even under fatigue loading. However, the presence of a corrosive environment during fatigue loading eliminates this stress advantage, since the fatigue limit becomes almost insensitive to the strength level for a particular group of alloys. This effect is schematically shown for several steels in the diagram on the left, which illustrates the debilitating effect of a corrosive environment on the functionality of high strength materials under fatigue. Corrosion fatigue in aqueous media is an electrochemical behavior. Fractures are initiated either by pitting or persistent slip bands. Corrosion fatigue may be reduced by alloy additions, inhibition and cathodic protection, all of which reduce pitting. Since corrosion fatigue cracks initiate at a metal's surface, surface treatments like plating, cladding, nitriding and shot peening were found to improve the materials' resistance to this phenomenon.
Коррозиялық шаршау кезінде жарық таралу зерттеулері
Қалыпты шаршау сынағында тегіс үлгілерде 90 пайыз жарық ядросының пайда болуына жұмсалады, ал қалған 10 пайызы жарық таралуына жұмсалады. Дегенмен, коррозиялық шаршау кезінде коррозия жарық ядросының пайда болуын жеңілдетеді; әдетте, өмірдің шамамен 10 пайызы осы кезеңге жеткілікті. Қалған 90 пайызы жарық таралуына жұмсалады. Сондықтан, коррозиялық шаршау кезінде жарық таралу мінез-құлқын бағалау маңыздырақ. Сындыру механикасы жарық таралу мінез-құлқын тиімді өлшеуге мүмкіндік беретін алдын ала жарылған үлгілерді қолданады. Осы себепті, коррозиялық шаршауды зерттеу үшін жарық таралу жылдамдығын өлшеуге (сындыру механикасын қолдана отырып) басымдық беріледі. Шаршау жарығы сыныққа дейін сындырудың қарқындылық факторынан (сынық беріктігі) төмен тұрақты түрде өседі, сондықтан бұл процесс субкритикалық жарық өсуі деп аталады. Оң жақтағы диаграммада шаршау жарығының өсуі көрсетілген. Бұл логарифмдік-логарифмдік графикте жарық таралу жылдамдығы қолданылған кернеудің қарқындылық диапазонына қарай сызылған. Әдетте, жарық таралу жылдамдығының маңызды емес болатын кернеудің шекті қарқындылық диапазоны бар. Бұл графикте үш кезеңді көруге болады. Шекті деңгейге жақын, жарық таралу жылдамдығы кернеудің қарқындылық диапазонының артуымен бірге артады. Екінші аймақта қисық сызықтыққа жақын және Париж заңына (6) сәйкес келеді; үшінші аймақта жарық таралу жылдамдығы тез өседі, кернеудің қарқындылық диапазоны сыныққа дейін жетеді. Коррозиялық шаршау кезіндегі жарық таралуын мыналарға жіктеуге болады: а) нағыз коррозиялық шаршау, б) кернеулі коррозиялық шаршау немесе в) нағыз, кернеулі және коррозиялық шаршаудың комбинациясы.
In normal fatigue testing of smooth specimens, about 90 percent is spent in crack nucleation and only the remaining 10 percent in crack propagation. However, in corrosion fatigue crack nucleation is facilitated by corrosion; typically, about 10 percent of life is sufficient for this stage. The rest (90 percent) of life is spent in crack propagation. Thus, it is more useful to evaluate crack propagation behavior during corrosion fatigue. Fracture mechanics uses pre cracked specimens, effectively measuring crack propagation behavior. For this reason, emphasis is given to crack propagation velocity measurements (using fracture mechanics) to study corrosion fatigue. Since fatigue crack grows in a stable fashion below the critical stress intensity factor for fracture (fracture toughness), the process is called sub critical crack growth. The diagram on the right shows typical fatigue crack growth behavior. In this log log plot, the crack propagation velocity is plotted against the applied stress intensity range. Generally there is a threshold stress intensity range, below which crack propagation velocity is insignificant. Three stages may be visualized in this plot. Near the threshold, crack propagation velocity increases with increasing stress intensity range. In the second region, the curve is nearly linear and follows Paris' law(6); in the third region crack propagation velocity increases rapidly, with the stress intensity range leading to fracture at the fracture toughness value. Crack propagation under corrosion fatigue may be classified as a) true corrosion fatigue, b) stress corrosion fatigue or c) a combination of true, stress and corrosion fatigue.
Шынайы коррозиялық шаршау
Шынайы коррозиялық шаршауда шаршау жарығының өсу жылдамдығы коррозияның әсерінен артады; бұл әсер шаршау жарығының өсу жылдамдығы диаграммасының барлық үш аймағында байқалады. Сол жақтағы диаграмма – шынайы коррозиялық шаршау кезіндегі жарық өсу жылдамдығының схемасы; қисық коррозиялық ортада төменгі кернеу қарқындылығы факторларының диапазонына қарай жылжиды. Барлық кернеу қарқындылығы факторларында шекті мән төмендейді (және жарық өсу жылдамдығы артады). Үлгінің сынуы, кернеу қарқындылығы коэффициентінің диапазоны, кернеу коррозиясынан жарылуға қатысты қолданылатын шекті кернеу қарқындылығы коэффициентіне тең болғанда болады. Белгілі бір ортада коррозиялық шаршаутың жарық өсуіне тигізетін әсерін талдағанда, коррозия түрі де, шаршау жүктемесінің деңгейі де жарық өсуіне әртүрлі дәрежеде әсер етеді. Коррозияның кең таралған түрлері: жіп тәрізді, шұңқырлы, қабыршақтану, түйіршік аралық; олардың әрқайсысы нақты материалдағы жарық өсуіне өзгеше әсер етеді. Мысалы, шұңқырлау көбінесе ең зиянды коррозия түрі болып табылады, материалдың қасиеттерін нашарландырады (жарық өсу жылдамдығын арттыру арқылы) басқа коррозия түрлерінен гөрі; тіпті материалдың түйірінің мөлшерімен салыстырылатын шұңқырлар да материалды айтарлықтай нашарлатуы мүмкін. Коррозияның жарық өсу жылдамдықтарына тигізетін әсерінің күші шаршау жүктемесінің деңгейіне де байланысты; мысалы, коррозия төмен жүктемелерде жоғары жүктемелерге қарағанда жарық өсу жылдамдығын күрт арттыруы мүмкін.
In true corrosion fatigue, the fatigue crack growth rate is enhanced by corrosion; this effect is seen in all three regions of the fatigue crack growth rate diagram. The diagram on the left is a schematic of crack growth rate under true corrosion fatigue; the curve shifts to a lower stress intensity factor range in the corrosive environment. The threshold is lower (and the crack growth velocities higher) at all stress intensity factors. Specimen fracture occurs when the stress intensity factor range is equal to the applicable threshold stress intensity factor for stress corrosion cracking. When attempting to analyze the effects of corrosion fatigue on crack growth in a particular environment, both corrosion type and fatigue load levels affect crack growth in varying degrees. Common types of corrosion include filiform, pitting, exfoliation, intergranular; each will affect crack growth in a particular material in a distinct way. For instance, pitting will often be the most damaging type of corrosion, degrading a material's performance (by increasing the crack growth rate) more than any other kind of corrosion; even pits of the order of a material's grain size may substantially degrade a material. The degree to which corrosion affects crack growth rates also depends on fatigue load levels; for instance, corrosion can cause a greater increase in crack growth rates at a low loads than it does at a high load.
Кернеу-коррозиялық шаршау
Ең жоғары қолданылатын кернеутік қарқындылық коэффициенті кернеулік коррозия жарылу шегінен асатын материалдарда кернеулік коррозия жарылу жылдамдығына қосымша әсер етеді. Бұл оң жақтағы сызбада көрсетілген. Коррозиялық ортада жарық төменгі кернеу қарқындылығы диапазонында циклдық жүктемеден өседі; кернеулік коррозия жарылуы үшін кернеу қарқындылығы шегінен жоғары, SCC салдарынан қосымша жарық өсуі (қызыл сызық) пайда болады. Кернеу қарқындылығы төменгі аймақтарға әсер етілмейді, ал коррозиялық ортада шаршау жарылысының таралуы үшін шекті кернеу қарқындылығы диапазоны өзгеріссіз қалады. Ең жалпы жағдайда коррозиялық шаршау жарылысының өсуі жоғарыда аталған екі әсердің де комбинациясын көрсетуі мүмкін; жарық өсуінің мінез-құлқы сол жақтағы сызбада көрсетілген.
In materials where the maximum applied stress intensity factor exceeds the stress corrosion cracking threshold value, stress corrosion adds to crack growth velocity. This is shown in the schematic on the right. In a corrosive environment, the crack grows due to cyclic loading at a lower stress intensity range; above the threshold stress intensity for stress corrosion cracking, additional crack growth (the red line) occurs due to SCC. The lower stress intensity regions are not affected, and the threshold stress intensity range for fatigue crack propagation is unchanged in the corrosive environment. In the most general case, corrosion fatigue crack growth may exhibit both of the above effects; crack growth behavior is represented in the schematic on the left.