Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1. Основные закономерности усталостного разрушения металлических материалов в коррозионной среде 12
1.2. Влияние технологии обработки на усталостное разрушение материалов в коррозионной среде 18
1.2.1. Термическая обработка 21
1.2.2. Механическая обработка 34
1.2.3. Механо-термическая обработка 35
1.2.4. Объемное пластическое деформирование 36
1.2.5. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) 37
1.2.6. Сварка 39
1.3. Гипотезы коррозионно-усталостного разрушения металлических материалов 41
1.3.1. Адсорбционное воздействие поверхностно-активных веществ 44
1.3.2. Локальное анодное растворение 45
1.3.3. Водородное охрупчивание 46 Выводы 51 Проблема исследования, постановка задач и методов их решения 53
Глава 2. Теоретическое обоснование влияния предварительной пластической деформации на сопротивление коррозионной усталости конструкционных материалов54
2.1. Влияние структуры и свойств поверхности на физические механизмы коррозионно-усталостного разрушения деформированных металлов и сплавов
2.1 1. Факторы, влияющие на склонность металлов к окислению 54
2.1.2. Эффект влияния предварительной термической и пластической обработки на пассивацию металлов 64
2.1.3. Изменение плотности металла при термической и пластической обработке 65 66
2.1.4. Роль структуры и свойств поверхностных слоев в коррозионно-усталостном разрушении металлов
2.2. Сравнительная оценка циклической долговечности деформирован ных конструкционных материалов в коррозионной среде и на воздухе 70
Выводы 77
Глава 3. Материалы, методика, оборудование эксперимента 79
3.1. Материалы и режимы технологической обработки 79
3.1.1. Химический состав и микроструктура 79
3.1.2. Образцы и технология их изготовления 85
3.1.3. Микроструктура, шероховатость, микротвердость и остаточные напряжения образцов 93
3.2. Испытание материалов при статическом нагружении 95
3.3. Испытание материалов при циклическом нагружении 96
3.3.1. Двухпозиционная установка для испытания плоских образцов на консольный изгиб 96
3.3.2. Коррозионно-усталостные испытания цилиндрических образцов 97
3.3.3. Определение величины приложенного напряжения 98
3.3.4. Оценка точности определения напряжений 99
3.3 5. Фрактографические исследования изломов образцов 100
3.3.6. Определение скорости роста трещин и построение кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) 100
3.3.7. Построение кривых изменения текущего прогиба 101
3.4. Математическое планирование экспериментов 102
3.5. Статистическая обработка результатов испытаний 103
Глава 4. Основные закономерности влияния термической, механо-термической и пластической обработки на эксплуатационную долговечность материалов 105
4.1. Изменение механических свойств при статическом нагружении материалов после различных режимов технологической обработки 105
4.1.1. Цельные образцы 105
4.1.2. Сварные образцы. 120 Выводы 126
4.2. Влияние термической, МТО и пластической обработки на сопротивление коррозионной усталости металлических материалов и сварных соединений. 127
4.2.1. Термическая обработка 127
4.2.2. Механо-термическая обработка 129
4.2.3. Объемное пластическое деформирование 130
4.2.3 1. Степень деформации 132
4.2.3.2. Скорость деформации 166
4.2.4. Поверхностное пластическое деформирование 179
4.2.5. Сварные соединения 187
43. Изменение микроструктуры материалов в процессе циклического нагружения
4.3.1.Медные сплавы 210
43.2. Алюминиевый сплав В95пчТ2 219
4.4. Изменение текущего прогиба образцов в процессе циклических испытаний 222
4.5. Фрактография усталостных образцов 227
4.5.1. Термически и пластически обработанные материалы 227
4.5.2. Эффект коррозии 236 Выводы 236
Глава 5. Разработка метода прогнозирования и повышения эксплуатационной долговечности материалов, деталей машин и механизмов
5.1. Кинетика усталостного разрушения металлических материалов после различной технологической обработки (термической, пластической) 245
5.1.1. Усталостное разрушение терм обработанных материалов 245
5.1.2. Усталостное разрушение предварительно деформированных металлов и сплавов 248
5.1.3. Влияние коррозионной среды на процесс усталостного разрушения деформированных материалов 252
Выводы 256
5.2. Сопротивление коррозионно-усталостному разрушению материалов с различной деформационной спсобностью при статическом нагружении 257 Выводы 261
5.3. Сопоставление эффекта объемной и поверхностной пластической обработки на сопротивление усталости металлов и сплавов на воздухе и в коррозионной среде 262
Выводы 272
5.4. Практическое использование результатов исследования 272
Основные выводы 275
Список использованных источников 280
- Поверхностное пластическое деформирование (ППД)
- Эффект влияния предварительной термической и пластической обработки на пассивацию металлов
- Испытание материалов при статическом нагружении
- Объемное пластическое деформирование
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема обеспечения надежности и безопасной работы деталей машин и технических устройств в различных эксплуатационных условиях (воздух, коррозионная среда), наряду с совершенствованием конструкции, включает необходимость оптимизации режимов технолої ических процессов, которая в значительной мере определяется структурой и свойствами применяемых материалов.
Наиболее распространенной причиной эксплуатационных 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.
Процесс усталостного разрушения материалов зависит от их природы, технологической обработки и условий циклического нагружения (среды, амплитуды напряжения).
В промышленности широко используются металлы и сплавы, подвергающиеся различным режимам термической, механической и пластической обработки. Наиболее распространенными и производительными из них являются объемное и поверхностное пластическое деформирование (ППД). В литературе достаточно подробно освещен вопрос прогнозирования долговечности при циклическом нагружении на воздухе предварительно деформированных металлических материалов и ее повышения путем оптимизации технологических режимов пластической обработки. 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 в разном структурном состоянии затруднительно.
Важность влияния коррозионного воздействия среды на сопротивление металлических материалов усталостному разрушению отмечается многими отечественными и зарубежными исследователями. Однако одна и та же среда может существенно снизить значение параметров коррозионно-усталостного разрушения одних металлов и сплавов и не оказывать заметного влияния на другие. Попытки классификации рабочих сред по механизму их влияния на выносливость металлических материалов пока не дали желаемых результатов в силу огромного разнообразия сред (например: газообразные, влажный воздух, жидкие среды), с одной стороны и недостаточно глубокого раскрытия механизма коррозионно-усталостного разрушения - с другой. В данной работе в качестве коррозионной среды ограничились широко распространенным и
ДОСТаТОЧНО агреССИВНЫМ ПО ОТНОШеИИЮ К СТаЛЯМ " |,птм» 3%-яым плдигмм
раствором морской соли. I МСцИлиивИАЛЫМв і
В связи с этим и с учетом интенсивного развития прогрессивных методов объемного и поверхностного пластического деформирования крупная и важная научно-техническая проблема установления закономерностей сопротивления усталостному разрушению на воздухе и в коррозионной среде деформационно-упрочненных металлических материалов и повышения на их основе долговечности изделий при снижении материалоемкости представляется весьма актуальной.
Цель работы:
установить основные закономерности влияния технологии обработки (термообработка, механотермическая обработка, сварка, объемная пластическая деформация с разной степенью и скоростью, ППД) на циклическую коррозионную долговечность конструкционных материалов;
изучить эффект коррозионной среды на усталостное разрушение деформационно-упрочненных металлических материалов и их сварных соединений в различном структурном состоянии при разных амплитудах циклического нагружения;
исследовать корреляцию параметров сопротивления коррозионно-усталостному разрушению деформированных металлов и сплавов с их механическими свойствами при статическом растяжении;
разработать метод прогнозирования и повышения сопротивления коррозионно-усталостному разрушению деформационно-упрочненных металлических материалов в различном структурном состоянии;
разработать и внедрить в производство практические рекомендации по технологическим режимам обработки (термической и пластической) конструкционных материалов с целью повышения коррозионной долговечности и снижения металлоемкости изделий.
Фактический материал. Работа выполнена в соответствии с запросами производства согласно комплексного плана Минавтопрома "Разработка предложений по экономии металлов и черного проката в ХП и XIII пятилетках (Тема 6.3)" и плана совместных работ ГОП ВНТОМ и ПАЗ с июля 1990 г. по июнь 1992 г., хозяйственными договорами с рядом авиационных и автомобильных предприятий, а также госбюджетных работ. Исследования проводились с использованием материальной и экспериментальной базы ГАПО им. С.Орджоникидзе, ПО "Теплообменник", ОАО "ГАЗ" и ОАО "Павловский автобус".
При обобщении материалов использованы результаты многолетней личной работы, а также выполненные и опубликованные совместно с Г.П.Гусляковой, В.А.Власовым, Н.А.Межениньш, М.Ф.Бережницкой, Ю.В.Бугровым и др. Приношу им свою признательность за многолетнее плодотворное сотрудничество, а также благодарю всех, оказавших помощь в таких объемных исследованиях.
- Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованным использованием современных методов' исследования, подтверждена значительным объемом
if.-.
экспериментальных данных, промышленным опробованием и внедрением в производство разработанных технологических режимов обработки, натурными испытаниями, апробацией полученных результатов на научно-технических конференциях и семинарах разного уровня. Научная новизна:
1. Исследовано влияние термической и пластической (объемной и
поверхностной) обработки конструкционных материалов (более 20 марок)
различных классов (стали аустенитной, феррит-перлитной, троостито-
сорбитной, мартенситно-аустенитной и мартенситной структурой, а также
медные, алюминиевые и титановые сплавы) на кинетику структурной
повреждаемости и циклическую долговечность на воздухе и в коррозионной
среде. Получены уравнения кривых усталости и вероятностные кривые
распределения циклической долговечности металлов и сплавов с разной
структурой после термической, объемной деформации и ППД, на основании
которых впервые выявлено немонотонное влияние степени предварительной
деформации на коррозионную долговечность.
-
Выявлены закономерности накопления повреждений и интенсивности их развития в процессе испытаний после различных режимов объемной и поверхностной пластической обработки, влияющие на долговечность на воздухе и в коррозионной среде конструкционных материалов в различном структурном состоянии.
-
Разработана физико-математическая модель зависимости коррозионной долговечности деформационно-упрочненных металлов и сплавов от различных параметров: коэффициент концентрации напряжении; интенсивность коррозионных процессов; значение электродного потенциала материала; частота циклического нагружения; энтальпия активации процесса циклического разрушения; время коррозионного воздействия; истинная (локальная) амплитуда деформаций; величина истинной геометрической протяженности профиля поверхности; плотность металла (поврежденность, дефектность поверхности) при циклическом нагружении и т.д..
4. Впервые установлено, что влияние коррозионной среды на
долговечность деформированных металлических материалов можно оценивать
по изменению величины структурно-чувствительного показателя А в
уравнении кривой деформационного упрочнения при статическом растяжении
<г=<т0-(?: уменьшение значения показателя А материала в результате
равномерной пластической деформации обуславливает повышение величины
отношения их долговечности в коррозионной среде к долговечности на
воздухе Na/Ne.
5. Разработан метод прогнозирования и повышения сопротивления
коррозионно-усталостному разрушению пластически обработанных
металлических материалов с учетом их структурной повреждаемости,
основанный на оценке их способности к упрочнению при статическом
нагружении.
6. Разработаны и опробованы в промышленных условиях рекомендации по технологии обработки (термической, механотермической, объемной и поверхностной пластической) исследованных конструкционных материалов, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства изделий (А.С. № 1058747, СССР - опубл. в Б. И. 1983. - с. 126; положительное решение на выдачу патента России от 27.02.1992 г. по заявке № 49485514 (052957) класс С21Д1/34 и класс С21Д8/00; патент Украины № 11098 от 25.12.96 г. - Бюл. № 4).
Практическая ценность работы и ее реализация на предприятиях автомобильной и авиационной промышленности:
1. Разработан метод прогнозирования и практические рекомендации
повышения сопротивления коррозионно-усталостному разрушению
пластически обработанных металлических материалов, заключающийся в том,
что обработка, приводящая к уменьшению значения показателя
деформационного упрочнения материалов, позволяет не только повысить
эксплуатационные свойства штампованных деталей, но также сократить
трудоемкость и энергозатраты при проведении поисковых работ, рационально
произвести выбор материала металлических изделий, сократить их
металлоемкость за счет уменьшения толщины.
2. Разработанные рекомендации внедрены на ОАО «Павловский
автобус», что позволило в условиях эксплуатации автобусов ПАЗ повысить
стабильность прочностных свойств штампованных деталей, повысить их
долговечность на воздухе и в коррозионной среде, сократить номенклатуру
марок и сортамента сталей на заводе, снизить металлоемкость автобуса.
Металлоемкость одного автобуса ПАЗ-3205 понижается на -5% или -100 кг.
Экономический эффект от внедрения в производство ПАЗ оптимальных
технологических решений составляет 1350 млн. рублей в год (по ценам 1995
г.).
3. Разработан новый технологический процесс обработки стали 40Х,
повышающий сопротивление усталостному разрушению на воздухе и
коррозионной среде (до 10 раз); положительное решение на выдачу патента
России от 27.02.1992 г. по заявке № 49485514 (052957) класс С21Д1/34 и класс
С21Д8/00. Патент Украины №11098 от 25.12.96г. (бюл. №4).
4. Предложен новый режим обработки сварных соединений из
нержавеющих сталей аустенитного класса типа 12Х18Н10Т (А.С. № 1058747
(СССР) - опубл. в Б. И. 1983. - С. 126), повышающий ресурс изделий в 2,1 раза,
что дает экономический эффект 143, 5 тыс. рублей в год (по ценам 1983г.) в
условиях ПО «Теплообменник».
5. Разработан оптимальный режим дробеструйной обработки,
повышающий коррозионную долговечность (при амплитуде деформации 0,25
%) сварных соединений из сталей 20, 08кп и 08ГСЮТ в 2,3; 3,3 и 3,6 раза,
соответственно: обдувка смесью (1:1) чугунной колотой (диаметр 0,8... 1,5 мм)
и стальной круглой (диаметр 1,0...3,0 мм) дроби в течение 120 с.
6. Разработанные технологические процессы термической и пластической
обработки сварных соединений и оптимизации технологических режимов
объемного и поверхностного пластического деформирования металлических
материалов, обуславливающие создание стабильной равномерной структуры и
высоких сжимающих напряжений, позволили получить в условиях ПО
«Теплообменник» экономический эффект 1,5 млн. рублей (по ценам 1986 г.).
-
Разработаны оптимальные режимы пластического деформирования ряда авиационных материалов, позволяющие в условиях ГАПО им. С. Орджоникидзе получить экономический эффект 143,4 тыс. рублей в год (по ценам 1985 г.).
-
Спроектированы и внедрены двухпозиционная установка с жесткой схемой нагружения частотой 1500 цикл/мин для цельных и сварных (стыковых и Т-образных) тонколистовых материалов при знакопеременном консольном изгибе с регулируемой асимметрией цикла и оригинальная камера для цилиндрических образцов при испытании по схеме консольного изгиба с вращением частотой 3000 об/мин на машине МИП-8, позволяющая фиксировать изменение текущего прогиба образца в процессе усталости (А.С. №920456, Кл. G01N3/32,1981 г.).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Впервые полученные теоретические и экспериментальные
зависимости, устанавливающие ранее неизвестную функциональную связь
между влиянием пластического деформирования на изменение коррозионной
долговечности металлов и сплавов с разной структурой по сравнению с
испытанием на воздухе и их способностью к деформационному упрочнению
при статическом нагружении.
-
Установленные закономерности изменения накопления повреждений деформированных металлов и сплавов, позволяющие прогнозировать коррозионную долговечность, оптимизировать режимы термической, механотермической и пластической обработки с целью повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов. Впервые показана теоретически и подтверждена экспериментально возможность прогнозирования сопротивления металлов и сплавов коррозионно-усталостному разрушению по показателю степени в уравнении кривой деформационного упрочнения при статическом растяжении.
-
Разработанный метод прогнозирования и повышения циклической долговечности в среде 3%-ного раствора морской соли в воде пластически обработанных металлов и сплавов, заключающийся в том, что понижение показателя упрочнения в результате увеличения степени равномерной предварительной деформации конструкционных материалов обеспечивает повышение отношения их коррозионной долговечности к долговечности на воздухе.
4. Разработанные на основании установленных закономерностей и
зависимостей практические рекомендации по оптимизации режимов
термической, объемной и поверхностной пластической обработки широко
используемых на предприятиях автомобильной и авиационной промышленности конструкционных материалов, улучшающие их эксплуатационные свойства.
5. Разработанные новые способы повышения долговечности изделий в коррозионной среде, определяющие высокие их эксплуатационные свойства (А.С. №1058747, СССР; положительное решение на выдачу патента России от 27.02.1992 г. по заявке № 49485514 (052957) кл. С2ІД1/34 и кл. С21Д8/00; патент Украины № 11098 от 25.12.96 г.).
6 Спроектированные установки для коррозионно-усталостных испытаний, обеспечивающих высокую точность экспериментов при простоте их зксплуаіации(А.С. №920456, кл. G01 N3/32, 1981 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, межреспубликанских, региональных, межотраслевых и областных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, которые проводились, в том числе, в городах: Минск (1977 г.); Свердловск (1977 г.); Киев (1977, 1984 гг); Киров (1977 г.); Абакан (1988 г.); Чебоксары (1989 г.); Волгоград (1989,1990,1991 гг.); Львов (1989 г.); Винница (1991г.); Одесса (1991г.); Новокузнецк (1991г.); Арзамас (1998 г.); Н. Новгород (Горький) (1983,1984,1986,1987,1989,1992,1994,1995,1997гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в более 100 печатных работах, в том числе 2 брошюрах, статьях, тезисах докладов; получено и внедрено 2 авторских свидетельства, патент Украины, положительное решение на выдачу патента России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложения. Основная часть диссертации содержит 223 страницы машинописного текста, 99 рисунков, 8 таблиц, библиографию из 475 наименований. Приложение приведено на 169 страницах машинописного текста и содержит 120 рисунков, 5 таблиц и акты внедрения результатов работы.
Поверхностное пластическое деформирование (ППД)
ПТЩ (обкатка роликами и шариками, обдувка дробью, алмазное выглаживание, гидродробеструйная обработка, виброгалтовка, «кавитация в щелочной среде», виброшлифование и другие) являются одним из наиболее распространенных и эффективных технологических методов повышения ресурса деталей машин и механизмов. В отечественной и зарубежной литературе подробно освещены [2, 6, 75, 86, 109-»-126] технологические возможности современных методов поверхностной обработки изделий с целью повышения выносливости на воздухе. 2. На основании анализа литературных данных можно сделать вывод, что предварительная поверхностная упрочняющая обработка, как правило, приводит к повышению сопротивления материалов коррозионной усталости, обусловленному уплотнением поверхностных слоев изделий и появлением в них остаточных напряжений сжатия [3, 5, 6, 8, 88]. Так, например, обработка дробью увеличивает ограниченный предел коррозионной выносливости закаленной с 1050С (аустенитная структура без включений карбидов) стали 08Х17Н13М2Т вдвое [127], а закаленных и отпущенных высокопрочных сталей 40ХГСНМА и 30 ХГСНА в 5,8 и 5,0 раз [128], соответственно. Аналогичные результаты получены [129] для сплава Ті - 6А1 - 4V.
Обкатка роликами гладких образцов повышает на 20 - 30% [3] предел выносливости на воздухе и в 3%-ном растворе NaCl на базе испытания 10 циклов нержавеющих сталей мартенситного класса 13Х12Н2ВМФ и 13Х12Н2МВФБА, а высокопрочных сталей 30ХГСНА и. 40ХГСНМА соответственно в 1,2 и 1,1 раза на воздухе и приблизительно в 7,3 и 5,8 раза в коррозионной среде [128]. Однако, дальнейшее увеличение циклов нагружения приводит к резкому снижению (в 2 - 3 раза) уровня разрушающих циклических нагрузок, а на базе 5 10 циклов какого-либо влияния ППД на выносливость сталей 13X12Н2ВМФ и 13Х12Н2МВФБА не оказывает [3]. Существенное увеличение коррозионно-усталостной прочности после пластического деформирования поверхности установлено для алюминиевых сплавов Д1Т, Д16Т, Д16АТ, Д16АТВ, В92Т и В93 [130], стали Х17Н5МЗ [88].
Особенно значительное повышение коррозионно-усталостных свойств сталей наблюдается после фрикционно-упрочняющих видов поверхностной обработки [131 134], когда образуется структура «белого слоя», тонкого слоя вторичной закалки, состоящего из смеси высокодисперсного игольчатого мартенсита и аустенита и очень мелких выделений карбидов типа FexC [132]. Так, фрикционно-упрочняющая обработка закаленной и низкоотпущенной стали 40Х повышает циклическую прочность в условиях чистого изгиба с вращением на воздухе приблизительно в 1,5 раза (рис. П. 1.3, кривые 3 и I) и в коррозионной среде почти в 10 раз (рис. П. 1.3, кривые 4 и 2) [135]. Это явление объясняется [135] прочностью (6 Ша у белого слоя против 2,5 ПТа у исходного металла [133]) белого слоя, его электрохимическим благородством по отношению к основному металлу, а также действием в поверхностном слое значительных (до 5100 МПа) остаточных напряжений сжатия (рис. П. 1.4, кривая 2). Аналогичные результаты получены [133] для стали 45 в состоянии поставки (перлит-ферритная структура), согласно которым фрикционное упрочнение повышает циклическую трещиностойкость стали на воздухе почти на всех участках КДУР (рис. П. 1.5, а), а в коррозионной среде - лишь на первом и втором ее участках (рис. П. 1.5, б), и ее эффективность максимальна при низких значениях ДА . С помощью фрикционной обработки наиболее значительное увеличение выносливости (до 4 раз) достигается, по мнению [132], для углеродистых сталей с содержанием углерода около 0,6%. По данным [131, 134] благоприятное воздействие «белые слои» оказывают на коррозионно-усталостную стойкость легированных сталей 12ХНЗА, 38ХНМА, 40ХН1М, 18ХГТ, ЗОХГСА, 35ХГСА и высокопрочного чугуна ВЧ 50-1,5. Зарождение коррозионно-усталостной трещины происходит [3, 128] ( в подповерхностном слое, в зоне растягивающих напряжений, а последующее ее развитие идет в двух направлениях: с поверхности вглубь металла и под поверхностным слоем по направлению к поверхности.
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 [6, 136] и, следовательно, существенно снизить прочность сварных изделий [6, 137, 143]. Наиболее эффективными технологическими способами повышения циклической долговечности при комнатной температуре на воздухе сварных соединений являются термическая обработка и поверхностное пластическое деформирование материала шва и околошовной зоньи По этим вопросам в литературе имеется значительное количества работ [136-5-142]. Так, линейное сжатие (при напряжении 2стг) стыковых сварных соединений из стали 10Г2С1 (ав= 522 МПа; от = 368 МПа) на их поверхности полностью снимает [136] растягивающие и наводит остаточные сжимающие напряжения (рис П. 1.6), в результате чего циклическая долговечность увеличивается в 5 - 10 раз, а предел выносливости в 1,4 раза (рис П.1 7), хотя трещины зарождаются, как обычно, в переходной зоне шва.
Данных по эффекту ППД на сопротивление коррозионной усталости сварных соединений мало. Согласно [143] наклеп сварного шва может значительно повысить сопротивление усталости в коррозионной среде (база 5-Ю7 циклов) сплава Ті - 6А1 - 4V [129], в то время как после дробеструйной обработки отмечено увеличение сжимающих остаточных напряжений, приводящих к росту оце. При этом, если ранее считалось [144], что усталостная долговечность сварного соединения определяется преимущественно распространением трещины, поскольку после сварки остаются значительные дефекты, приводящие к устранению стадии зарождения трещины, то в работе [145] показана основная, а возможно, и доминирующая роль этапа ее образования
Эффект влияния предварительной термической и пластической обработки на пассивацию металлов
Несмотря на огромный объем литературы о пассивности материалов, в настоящее время нет единой концепции природы пассивации [227, 228]. Это связано с тем, что кинетика электродного процесса, в частности анодного, является функцией многих переменных, включая природу металла, строения его поверхности, природу электролита и, кроме того, время, в течение которого изменяются эти переменные [174].
Существуют две господствующие гипотезы пассивности металла [228, 229]: пленочная и адсорбционная.
Пленочный механизм пассивности металлов предполагает наличие на их поверхности тонкой безпористой пленки оксида, изолирующей металл от воздействия агрессивной среды [160,162,230].
Согласно второй гипотезе пассивность металла обусловлена наличием на его поверхности адсорбированного пассивирующего слоя кислорода, толщина которого составляет монослой или даже доли монослоя [231,232].
В некоторых работах дается попытка сближения адсорбционного и пленочного механизмов пассивации [162]. При этом считается, что на поверхности благородных металлов образуется адсорбционный слой кислорода, а неблагородных - фазового оксида [229], так как практически наиболее важным является процесс взаимодействия металла с кислородом.
Кинетика роста, структура и свойства оксидной пленки зависят от ее термодинамической стабильности, особенностей кристаллического строения, объемного и кристаллохимического соответствия металлу, а также от состояния поверхностного слоя металла, распределения напряжений в нем, его текстуры и плотности дефектов. Поэтому можно ожидать существенного влияния пластической деформации материалов на кинетику роста и структуру оксидных пленок.
Действительно было установлено, что предельный ток пассивации при снятии анодных поляризационных кривых существенно выше у отожженных никеля [233] и титана [234] по сравнению с деформированными. Большую склонность перехода деформированных металлов в пассивное состояние по сравнению с отожженными наблюдали и в работах [229, 235]. При этом выявлено, что если на поверхности отожженного металла оксидные пленки образуются преимущественно по границам зерен, то на деформированном - по всей поверхности [233].
Феноменологический критерий деформируемости базируется на сложившихся в настоящее время представлениях о закономерностях влияния истории термической, МТО и пластической обработки на накопление повреждений.
Один из способов оценки повреждений, образующихся в материале в процессе деформирования, сводится к идее связать меру поврежденности металла с изменением его плотности [236, 242].
Плотность металлов и сплавов является одной из важнейших физических характеристик. Она зависит от фазового и структурного состояний материала и от происходящих в нем превращений [241, 243- 251].
Изменение плотности различных металлов в процессе пластической деформации наблюдали в работах [252+255], причем максимальное уменьшение плотности достигало 1%. Отмечено [255-5-257], что изменение плотности такого порядка связано с появлением в металле определенного количества несплошностей - субмикротрещин. В работе [254] исследовали изменение плотности алюминия и меди при волочении. Плотность меди при деформации до 5(Н60% увеличивалась, а плотность алюминия не изменялась и была равна примерно 2,7 г/см .
На основании экспериментальных данных об изменении удельного объема меди в процессе ползучести при 500С показано [239], что уже к концу второй стадии удельный объем меди возрос на 46 10"5 см3/г.
Плотность отожженных (600С, 3 часа) образцов из алюминия возрастает с 2,6964 г/см до 2,6990 г/см при увеличении степени суммарного обжатия от 0 до 2,2%, а затем снижается и при ez, равному 6%, составляет лишь -2,6962 г/см3 [245].
Закономерности изменения плотности металлов при обработке давлением подробно рассмотрены в работах [242, 244]. Установлено, что с увеличением степени деформации конструкционных материалов их плотность может измениться в любую сторону (как увеличиваться, так и уменьшаться), что обусловливается природой материала, предысторией обработки (термической, пластической и др.), показателем деформационного состояния и т.д.
Неоднозначность зависимости изменения плотности металлических материалов от степени их обжатия отмечается также в [241].
Испытание материалов при статическом нагружении
Предварительная деформация и исследование механических свойств материалов после различных режимов технологической обработки проводились на универсальных машинах ZD 10/90 и пИнстрон-1115", УМЭ-10ТМ с записью диаграмм напряжение — деформация.
По данным эксперимента строились кривые деформационного упрочнения в двойных логарифмических координатах lg т/ = f(lg /), состоящие, как правило, из двух ветвей и выражающиеся известным уравнением: оі — о#С (3.5) где с/ = Р\1 Fi — истинное напряжение, МІІа; Єї = ln(F„ IF/) — истинная деформация; A - показатель упрочнения при статическом нагружении, представляющий собой тангенс угла наклона кривой к оси деформации. tg a = d(lg (ті) I d(lg єі) (соответственно Aj — показатель до излома иАг — после излома кривой). Определялись прочностные (рв и aoj) и пластические ( д, у/) характеристики материалов.Исследования сопротивления усталостному разрушению материалов после различн видов технологической обработки проводились на испытательных машинах: МИП-8 (переоборудованной для нагружения грузами) - симметричный консольный изгиб с вращением с частотой 3000 об/мин, "Шенк - отнулевой цикл растяжения с частотой 2800 об/мин. При этом для обеспечения возможности наблюдения возникновения и замера развития усталостных трещин на поверхности образца МИП-8 оснащалась фазосинхронизатором и оптическим микроскопом (увеличение 37) со стробоскопическим освещением (рис. П.3.20) [283]. Знакопеременное нагружение образцов в коррозионной среде (3%-ный водный раствор морской соли) проводились на машинах МИП-3, ИП-2М, а также на специально спроектированных установках и приспособлениях [284- 292,306].
Кинематическая схема установки и электрическая схема ее автоматического отключения и отсчета числа циклов нагружения каждого образца представлены на рис. П.3.21 и П 3.22 [284, 293]. На установке можно испытывать два образца одновременно с различной асимметрией (0-И0 мм) и амплитудой циклического нагружения по «жесткой» схеме консольного изгиба.
Для коррозионно-усталостных испытаний плоских цельных образцов использовалась специальная установка [287, 288] рис. П.3.23. Она представляет собой рабочую камеру в виде ванны, которая крепится с помощью болтов к плите и имеет устройство для слива коррозионной среды. К днищу ванны приварены неподвижные упоры. Испытываемый образец закрепляется верхним концом в захватах ползунка двухпозиционной установки, перемещающихся возвратно-поступательно по направляющим, а нижний между упорами с помощью самотормозящейся клиновой пары. Подвижный клин перемещается при помощи прижимного рычага, имеющего возможность поворота вокруг оси в вилке, установленной на степы ванны. Устройство обеспечения необходимого зажима образца (специальный регулирующий болт и регулирующая высокая гайка, фиксируемая штифтом и контргайкой) с целью удобства работы с камерой и исключения коррозии резьбовых элементов болта и гаек вынесена за пределы камеры.
Для испытания плоских сварных образцов Т-образной формы была спроектирована камера (рис. П.3.24) [292], представляющая собой рабочую ванну, прикрепленную болтами к плите двухпозиционнай установки и имеющую устройство для слива коррозионной среды. Образец закрепляется верхтпш концом в захватах ползуна, перемещающегося возвратно-поступательно в направляющих, а нижняя часть образца прижимается к днищу рабочей ванны с помощью передней и задней рамок, имеющих сварную конструкцию. Устройство обеспечения необходимого усилия зажима образца с целью удобства работы с камерой и исключения коррозии резьбовых элементов болтов и гаек также вынесено за пределы камеры.
Испытания на коррозионную усталость осуществлялись на машине МИП-8 и двухпозиционной установке. В первом случае была разработана камера (а. с. 920456 Кл G 01 N3/32. 1981 г.) [289 291], принципиальная схема которой приведена на рис. П.3.25. Она позволяет проводить испытания цилиндрических образцов как в коррозионной среде, так и в среде жидкого хладагента. Для этого камера выполнена в виде двойного полого цилиндра с торцевыми крышками. Высокая точность экспериментов обеспечивается тем, что камера в процессе испытания поворачивается вокруг полуосей синхронно с изменением текущего прогиба образца. Дополнительные напряжения, возникающие в образце от массы камеры (выполнена из алюминиевого сплава), составляют (5 МПа) и учитываются при оценке приложенного изгибающего момента.
Объемное пластическое деформирование
Предел выносливости закаленных и высокоотпущенных сталей ЗОХНЗА и ЗОХГСА после растяжения на 2,6 и 5,3% уменьшается при круговом изгибе на воздухе (долговечность 2-10 циклов), но не изменяется при испытании в водопроводной воде [85].
Предварительное пластическое деформирование нержавеющих сталей типаХ18Н10Т и ОХ18АГ15 улучшает [337] их стойкость против коррозии под напряжением в 5 - 10 раз. Последующее после деформации изотермическое старение при 500- 800С способствует повышению коррозионно-усталостной прочности стали Х18Н10Т [3].
Анализ результатов наших экспериментов показывает, что эффект влияния коррозионной среды (3%-ный раствор NaCl в воде) на сопротивление усталости различных металлических материалов зависит от степени и скорости предварительного пластического деформирования, а также амплитуды приложенного напряжения [333, 336-К340].
Конструкционные стали. Согласно полученным в работе данным сопротивление усталости закаленных и высокоотпущенных сталей 40Х, 20X13 и 14Х17Н2 в области больших амплитуд напряжений более высокое, а в области малых амплитуд, наоборот, более низкое в коррозионной среде, чем на воздухе [306,341+346].
Для закаленных с высоким отпуском сталей 20X13 и 14X17Н2 мартенситного класса влияние степени предварительной деформации на ограниченный предел выносливости ORN И долговечность N также зависит от амплитуды приложенного напряжения (рис. 4.15+4.18).
При высоких амплитудах (N 104 циклов) предварительная деформация увеличивает N и CTKN стали 20X13, но эффект величины гпр.д., практически не обнаруживается [347, 348].
При амплитудах, соответствующих N 104 циклов, GRN И N этой стали уменьшается с ростом Ещ .д., особенно при Епр.д, — 5 и 13%, и тем в большей степени, чем ниже ста, как и для стали 14Х17Н2 при N 103 циклов, у которой, однако, Єпр.Дф = 25% вызывает повышение долговечности по сравнению с є пр. д. = 5 и 13% почти до уровня долговечности недеформированных образцов.
Сопротивление коррозионной усталости сталей 20X13 и 14Х17Н2 (после закалки с высоким отпускам) в области больших амплитуд напряжения более высокое, а в области малых ста, наоборот, более низкое, чем при испытании на воздухе.
Растяжение образцов (до 25%) приводит к повышению долговечности в коррозионной среде при высоких амплитудах испытания, но при всех ста, она оказывается ниже, чем на воздухе. Например, при амплитуде 380 МПа после Єпр.д. =25% коррозионно-циклическая долговечность сталей 14Х17Н2 и 20X13 снижается соответственно в 1,51 и 1,26 раза по сравнению с долговечностью термообработанных образцов на воздухе (рис 4.19, 4.20).
Похожие диссертации на Закономерности сопротивления усталостному разрушению на воздухе и в коррозионной среде деформационно-упрочненных металлических материалов и повышение на их основе долговечности изделий
