Введение
Общее название преждевременного разрушения под воздействием растягивающих напряжений и агрессивных сред
В материаловедении, разрушение под воздействием окружающей среды или коррозионное растрескивание – это общее название, данное преждевременному разрушению материалов, таких как металлы и сплавы, композиты, пластмассы и керамика, под влиянием растягивающих напряжений и агрессивных сред. Металлы и сплавы демонстрируют такие явления, как коррозионное трещинование, водородное охрупчивание, охрупчивание жидкими металлами и коррозионная усталость, которые все подпадают под эту категорию. Агрессивные среды, такие как влажный воздух, морская вода, коррозионные жидкости и газы, вызывают разрушение под воздействием напряжений. Композиты с металлической матрицей также восприимчивы ко многим из этих процессов. Пластмассы и композиты на основе пластмасс могут набухать, расслаиваться и терять прочность при воздействии органических жидкостей и других агрессивных сред, таких как кислоты и щелочи. Под влиянием напряжения и окружающей среды многие конструкционные материалы, особенно высокопрочные, становятся хрупкими и теряют сопротивление разрушению. Хотя их трещиностойкость остается неизменной, их пороговый коэффициент интенсивности напряжений для распространения трещин может значительно снижаться. Следовательно, они становятся склонными к преждевременному разрушению из-за субкритического роста трещин. Целью данной статьи является краткий обзор вышеупомянутых процессов деградации.
Коррозионная трещина
Коррозионное растрескивание под напряжением – это явление, при котором синергетическое воздействие коррозии и растягивающих напряжений приводит к хрупкому разрушению обычно пластичных материалов при, как правило, более низких уровнях напряжений. В процессе коррозионного растрескивания материал относительно слабо подвергается воздействию коррозионной среды (отсутствует общая коррозия, наблюдается только локальная коррозия), однако внутри него формируются тонкие трещины. Этот процесс имеет серьезные последствия для применения материала, поскольку допустимые безопасные уровни напряжений в коррозионной среде значительно снижаются. Сезонное растрескивание и каустическое охрупчивание – два вида коррозионного растрескивания под напряжением, которые влияли на работоспособность латунных гильз и клепаных стальных котлов соответственно.
Колючесть водорода
Небольшое количество водорода, присутствующего внутри определенных металлических материалов, делает их хрупкими и подверженными субкритическому росту трещин под нагрузкой. Водородное охрупчивание может возникать как побочный эффект процессов электроосаждения. Отсроченный разрушение – это разрушение компонента под нагрузкой после истечения определенного времени, что является характерной особенностью водородного охрупчивания (2). Попадание водорода в материал может происходить во время нанесения покрытий, травления, фосфатирования, плавки, литья или сварки. Коррозия в процессе эксплуатации во влажной среде генерирует водород, часть которого может проникать в металл в виде атомарного водорода (H•) и вызывать охрупчивание. Для повреждения металлов необходимо наличие растягивающих напряжений, как внутренних, так и внешних. Как и в случае коррозионного растрескивания под напряжением, водородное охрупчивание также может приводить к снижению порогового значения коэффициента интенсивности напряжений для распространения трещин или увеличению скорости субкритического роста трещин в материале. Наиболее заметным эффектом водорода в материалах является резкое снижение пластичности при испытаниях на растяжение. Он может увеличивать, уменьшать или не изменять предел текучести материала. Водород также может вызывать ступенчатую текучесть в некоторых металлах, таких как ниобий, никель и некоторые стали (3).
Качественные исследования
Одной из самых страшных катастроф, вызванных коррозионным растрескиванием под напряжением, было обрушение моста Сильвер-Бридж в штате Западная Вирджиния в 1967 году, когда единственная хрупкая трещина, возникшая из-за коррозии, достигла критического размера. Трещина образовалась в одном из звеньев стяжного стержня одной из подвесных цепей, и весь узел быстро разрушился из-за перегрузки. Катастрофа развивалась стремительно, и весь мост исчез менее чем за минуту, унеся жизни 46 водителей и пассажиров, находившихся на нём в тот момент.