Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Утомление в коррозионной среде
Fatigue in a corrosive environment
Коррозионное утомление – это утомление, происходящее в коррозионной среде. Оно представляет собой механическое разрушение материала под совместным воздействием коррозии и циклической нагрузки. Практически все инженерные конструкции подвергаются воздействию некоторой формы переменного напряжения и неблагоприятным условиям окружающей среды в течение всего срока эксплуатации. Окружающая среда играет значительную роль в утомлении высокопрочных конструкционных материалов, таких как сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Разрабатываются материалы с высокой удельной прочностью для удовлетворения требований современной техники. Однако их пригодность во многом зависит от степени их сопротивления коррозионному утомлению. Влияние коррозионных сред на усталостное поведение металлов изучалось уже в 1930-х годах. Это явление не следует путать с коррозионным растрескиванием, при котором коррозия (например, точечная) приводит к образованию хрупких трещин, их росту и разрушению. Единственным условием для возникновения коррозионного утомления является наличие растягивающих напряжений в образце.
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.
Влияние коррозии на диаграмму S-N
Влияние коррозии на S-N диаграмму для гладкого образца показано схематически справа. Кривая А демонстрирует поведение материала при усталостном испытании в воздухе. На кривой А виден предел (или порог) усталости, соответствующий горизонтальному участку кривой. Кривые B и C представляют поведение того же материала в двух коррозионных средах. На кривой B усталостный разрушение при высоких уровнях напряжения замедляется, а предел усталости исчезает. На кривой C вся кривая смещается влево, что указывает на общее снижение прочности на усталость, ускоренное зарождение трещин при более высоких напряжениях и исчезновение предела усталости. Для удовлетворения потребностей развивающихся технологий разрабатываются более прочные материалы посредством термической обработки или легирования. Такие высокопрочные материалы обычно демонстрируют более высокие пределы усталости и могут использоваться при более высоких рабочих напряжениях даже при циклическом нагружении. Однако присутствие коррозионной среды при усталостном нагружении нивелирует это преимущество в напряжении, поскольку предел усталости становится практически нечувствительным к уровню прочности для определенной группы сплавов. Этот эффект схематически показан для нескольких сталей на диаграмме слева, иллюстрирующей негативное влияние коррозионной среды на функциональность высокопрочных материалов при усталости. Коррозионная усталость в водных средах представляет собой электрохимический процесс. Разрушение инициируется либо точечной коррозией, либо персистентными полосами скольжения. Коррозионную усталость можно снизить за счет легирования, ингибирования и катодной защиты, которые уменьшают точечную коррозию. Поскольку трещины коррозионной усталости зарождаются на поверхности металла, обработка поверхности, такая как нанесение покрытий, облицовка, азотирование и дробеструйная обработка, позволяет повысить устойчивость материалов к этому явлению.
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.
Исследования распространения трещин при коррозионной усталости
При обычном испытании на усталость гладких образцов около 90 процентов времени уходит на зарождение трещин, и только оставшиеся 10 процентов – на их распространение. Однако при коррозионной усталости коррозия облегчает зарождение трещин; как правило, для этой стадии достаточно около 10 процентов ресурса. Остальные (90 процентов) ресурса расходуются на распространение трещин. Таким образом, более целесообразно оценивать поведение трещин при распространении в условиях коррозионной усталости. Механика разрушения использует образцы с предварительными трещинами, что позволяет эффективно измерять поведение трещин при распространении. По этой причине при изучении коррозионной усталости особое внимание уделяется измерениям скорости распространения трещин (с использованием механики разрушения). Поскольку усталостная трещина растет стабильно при значениях фактора интенсивности напряжений ниже критического значения для разрушения (трещиностойкости), этот процесс называется субкритическим ростом трещины. Диаграмма справа показывает типичное поведение роста усталостной трещины. На этом логарифмическом графике скорость распространения трещин отображается в зависимости от диапазона приложенного фактора интенсивности напряжений. Обычно существует пороговый диапазон фактора интенсивности напряжений, ниже которого скорость распространения трещин пренебрежимо мала. На этом графике можно выделить три стадии. Вблизи порога скорость распространения трещин увеличивается с ростом диапазона фактора интенсивности напряжений. Во втором участке кривая почти линейна и описывается законом Парижа (6); в третьем участке скорость распространения трещин резко возрастает, что приводит к разрушению при значении трещиностойкости. Распространение трещин при коррозионной усталости может быть классифицировано как: а) истинная коррозионная усталость, б) коррозионная усталость под воздействием напряжения или в) комбинация истинной, усталостной и коррозионной усталости.
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.
Настоящая коррозионная усталость
При истинной коррозионной усталости скорость роста усталостной трещины усиливается коррозией; этот эффект наблюдается во всех трех областях диаграммы скорости роста усталостной трещины. Диаграмма слева представляет собой схематическое изображение скорости роста трещин при истинной коррозионной усталости; кривая смещается в область меньших значений диапазона коэффициента интенсивности напряжений в коррозионной среде. Порог снижается (а скорость роста трещин увеличивается) при всех значениях коэффициента интенсивности напряжений. Разрушение образца происходит, когда диапазон коэффициента интенсивности напряжений достигает применимого порогового значения для коррозионного растрескивания. При анализе влияния коррозионной усталости на рост трещин в конкретной среде необходимо учитывать как тип коррозии, так и уровни усталостных нагрузок, поскольку они в различной степени влияют на рост трещин. К распространенным типам коррозии относятся нитевидная, точечная, слоистая и межкристаллитная; каждый из них по-разному влияет на рост трещин в конкретном материале. Например, точечная коррозия часто является наиболее вредным типом, сильнее ухудшая характеристики материала (увеличивая скорость роста трещин), чем любой другой вид коррозии; даже ямы размером, сопоставимым с размером зерна материала, могут значительно ухудшить его свойства. Степень влияния коррозии на скорость роста трещин также зависит от уровня усталостных нагрузок; например, коррозия может сильнее увеличивать скорость роста трещин при низких нагрузках, чем при высоких.
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.
Утомление от коррозии
В материалах, где максимальная приложенная величина коэффициента интенсивности напряжений превышает пороговое значение для коррозионного растрескивания, коррозионное растрескивание способствует увеличению скорости роста трещин. Это показано на схеме справа. В коррозионной среде трещина растет под воздействием циклической нагрузки при меньшей величине коэффициента интенсивности напряжений; при превышении пороговой величины коэффициента интенсивности напряжений для коррозионного растрескивания происходит дополнительный рост трещины (обозначен красной линией) из-за СКК. Области с меньшей величиной коэффициента интенсивности напряжений не затронуты, а пороговый диапазон коэффициента интенсивности напряжений для распространения усталостных трещин в коррозионной среде не изменяется. В наиболее общем случае рост трещин при коррозионной усталости может проявлять оба вышеописанных эффекта; поведение роста трещин представлено на схеме слева.
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.