<<
>>

Коррозионно-усталостное разрушение (растрескивание)


Этот вид разрушения свойствен несущим (силовым) элементам оборудования и конструкций, испытывающим совместно воздействие циклических напряжений или температуры и корозионно-активной среды.
Применительно к элементам газо-нефтехимического оборудования циклические напряжения возникают в несущих элементах конструкций в результате колебания давления и температуры, а также при подвижке основания из-за перемещения (оседания) грунта.
Агрессивная среда усугубляет отрицательное воздействие циклических нагрузок и, как правило, повышает скорость зарождения и распространения трещин. Влияние среды по своему влиянию на скорость трещинообразования может быть существенно разным на стадиях зарождения и распространения коррозионно-усталостных трещин. Степень влияния среды на трещинообразование весьма зависит от частоты и амплитуды циклического нагружения.
Известны различия между многоцикловой и малоцикловой усталостью. Малоцикловая коррозионная усталость связана с повторной пластической деформацией и рассматривается как вид коррозии в процессе упругопластического деформирования. Многоцикловая коррозионная усталость происходит в условиях упругого деформирования.
По данным [172] значительное ускорение скорости роста трещины в стали 60ХС (f = 18 Гц, R = 0,33) наблюдается при переходе от испытания на воздухе к испытаниям в воде. При этом по мере снижения температуры отпуска чувствительность к среде усиливается. Она максимальна для низкоотпущенного мартенсита. Увеличение скорости роста трещины обнаруживается прежде всего на участке II диаграммы циклической трещиностойкости. При этом происходит повышение параметров С и п в уравнении Пэриса.
Обстоятельные исследования [172] показывают существенную роль среды на скорость роста трещины на I участке кинетической диаграммы усталостного разрушения. Пороговые амплитудные значения коэффициента интенсивности напряжений в коррозионной среде AKthc становятся структурно-чувствительными характеристиками. В табл. 5.6 приведены результаты исследования влияния углерода и температуры отпуска на пороговую трещиностойкость конструкционных сталей. Степень чувствительности сталей к дистиллированной воде оценивали коэффициентом влияния среды
Pth = A^thc/A^-th*
Таблица 5.6. Пороги циклической трещиностойкости хромокремнистых сталей

Сталь


AKth, МПа • л/м

AKthc, МПа • л/м

Pth


200

5,9

5,3

0,90

20ХС

400

6,6

6,6

1,00


500

7,3

7,6

1,04


200

5,1

4,4

0,86

40ХС

300

5,2

4,8

0,92


500

5,4

5,4

1,00


200

4,2

3,2

0,76

60ХС

300

4,2

3,8

0,90

400

4,2

4,2

1,00


500

4,2

4,3

1,07


Из табл.
5.6 следует, что для всех сталей повышение температуры отпуска благоприятно влияет на коррозионно-усталостную трещиностойкость сталей. Уменьшение количества углерода в стали снижает степень влияния воды на пороговый уровень AKthc. Поскольку изменение температуры отпуска существенно изменяет структуру стали, то изменение (3th с отпуском указывает на чувствительность Ai?thc к струк туре материала.

По данным Восиковского [173], величина AKthc чувствительна к изменению асимметрии цикла, уменьшаясь по мере роста R. Исследование выполнено (при f — 0,01 -s-10 Гц) на трубной стали HY 130 (типа 10ХН5ГМ) в 3,5%-ном водном растворе NaCl при потенциале коррозии. Для оценки ДKthc предложено соотношение вида
Д*4Ьс=ДГШс(1-ДГ,
где AK°thc - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений в коррозионной среде при Л = 0; т- показатель степени.
Среда оказывает разное влияние на стали с разным уровнем прочности. На рис. 5.47 представлены кинетические диаграммы усталостного разрушения высокопрочной стали 45ХН2МФА, термообработанной на мартенсит (о0 2 = 1730 МПа) и среднепрочной стали 16ХНЗМА, термообработанной на сорбит (а02 = 600 МПа) [172]. Если для стали 45ХН2МФА водная среда существенно ускоряет рост трещины во всем диапазоне значений ДК и частот нагружения, то для стали 16ХНЗМА это влияние наблюдается в интервале средних и повышенных значений ДК. С понижением частоты нагружения ускоряющее действие водной среды для обеих сталей усиливается.
Как видно из рис. 5.47, б, при низких припороговых значениях ДК для пластичной стали 16ХНЗМА влияние воды сказывается в по-

Рис. 5.47. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения сталей 45ХН2МФА (а) и 16ХНЗМА (б) при испытании на воздухе (1) и в дистиллированной воде (2-4) при R = 0,5 и частоте 10 (1,2), 1 (3) и 0,1 Гц (4)



Рис. 5.48. Структура металла сварного шва стали 09Г2С в условиях коррозионно-усталостного растрескивания, х 200


вышении сопротивления развитию усталостной трещины. Для стали с мартенситной структурой влияние частоты нагружения на величину AKthc неоднозначно. Если при уменьшении частоты нагружения от 10 до 1 Гц происходит снижение ДKthc, то при дальнейшем снижении f до 0,1 Гц величина ДКЛс резко увеличивается.
Обстоятельными исследованиями [172] показано, что среда может существенно изменить характер кинетических диаграмм усталостного разрушения. Наиболее частым является наличие на кинетической диаграмме перегиба, тесно связанного с механическими параметрами нагружения. При диагностировании состояния коррозионно-усталостного растрескивания следует помнить о склонности трещин при этом виде растрескивания к ветвлению, затуплению и закрытию. Особенно повышенную склонность к ветвлению проявляет металл сварных соединений (рис. 5.48). При своем распространении трещина пересекает зерна псевдоэвтектоида и зерна феррита. Наиболее часто наблюдается закрытие коррозионно-усталостных трещин в области низких значений коэффициентов интенсивности напряжений.
Естественно в условиях ветвления, затупления и закрытия трещин существенно изменяется напряженное состояние в вершине трещины. В этом случае традиционные кинетические диаграммы теряют свою эффективность при прогнозировании ресурса конструкции. По представлениям [172] следует использовать эффективную величину коэффициента интенсивности напряжений ДKeff, учитывающую как изменение морфологии вершины трещины при воздействии коррозионной среды, так и ее закрытие. В этом случае AKiff = axC/xAff, где

а - коэффициент релаксации коэффициента интенсивности напряжений; U - коэффициент открытия трещины.
Характер ветвления сталей в условиях коррозионноусталостного растрескивания в значительной степени определяется структурой, а также условиями испытания. На рис. 5.49 представлено изменение доли межзеренного разрушения в стали 45ХН2МФА с мартенситной структурой в зависимости от величины АК и частоты нагружения [172]. Независимо от условий испытания рост уровня А К обусловливает увеличение в микростроении усталостных изломов доли межзеренного разрушения по границам исходных зерен аустенита.
Уменьшение / от 10 до 0,1 Гц приводит к повышению доли фасеток межзеренного разрушения в изломе. При дальнейшем снижении / до 0,1 Гц уменьшается склонность к межзеренному растрескиванию. Для стали с мартенситной структурой ветвление трещины имеет меж- зеренный характер.
Согласно [172], в низкоуглеродистых сталях распространение усталостных трещин в коррозионной среде происходит транскристал- литно с образованием не только типичных усталостных бороздок, но и с образованием бороздок хрупкого типа. В последнем случае регулярные следы остановки фронта трещины наблюдаются на фоне картины речного узора, свойственного механизму хрупкого транскристаллитного скола (см. рис. 2.45, а).
Приведенные выше данные о влиянии структуры и условий нагружения на кинетическую диаграмму коррозионно-усталостного разрушения предполагают существенную роль водорода в механизме распространения трещины. В случае высокочастотного нагружения скорость диффузии атомов водорода недостаточна для обеспечения Критической концентрации водорода в высоконапряженной зоне впереди вершины трещины [172]. С возрастанием скорости роста трещины

уменьшается степень влияния среды. Напротив, увеличение длительности взаимодействия среды с напряженным металлом в вершине трещины приводит к усилению ее роли. Во-первых, это способствует достижению в окрестности трещины высокой концентрации водорода. Во-вторых, создаются условия для формирования плотных защитных пленок, которые препятствуют проникновению сквозь них водорода.
Вероятно, столь аномально проявившееся влияние частоты нагружения 0,1 Гц на кинетическую диаграмму усталостного разрушения стали 45ХН2МФА (см. рис. 5.47) обусловлено образованием защитной пленки, затрудняющей адсорбцию атомов водорода в окрестности вершины трещины. В результате снижается степень водородного охрупчивания границ зерен и соответственно уменьшается скорость роста трещины в припороговой области. Ослабление водородного охрупчивания фрактографически проявляется в уменьшении доли межзеренного разрушения и снижении степени ветвления трещин по границам зерен.
С позиций влияния водорода на скорость роста трещины можно рассматривать и ее ускорение при повышенных уровнях ДК для стали 16ХНЗМА. С увеличением уровня нагрузки следует ожидать улучшения условий для накопления водорода в зоне максимальной интенсивности пластической деформации. Перенос (транспортировка) водорода обеспечивается движущимися дислокациями. С понижением частоты нагружения значительная часть водорода, доставленного дислокациями внутрь металла, может диффундировать из локальных областей с наибольшей интенсивностью пластической деформации в зону максимальной напряженности [172].
Степень влияния среды существенным образом зависит от температуры испытания (эксплуатации). Для свариваемой конструкционной стали BS 4360 показатель степени п уравнения Пэриса в среде водорода существенно выше, чем на воздухе [98]:



Степень влияния водорода на параметры уравнения Пэриса зависит от температуры испытания. При этом скорость роста трещины в среде водорода возрастает при снижении температуры испытания с 80 до 25°С.
При диагностировании коррозионно-усталостного растрескивания следует проанализировать излом. На поверхности разрушения у его края часто удается обнаружить очаг («точку»), от которого расходится эквидистантно фронт растрескивания. Этот фронт при своем движении оставляет следы в месте его остановки. Следы остановки трещины нередко соответствует условиям, когда изменяются механический режим нагружения и/или состав коррозионно-активной среды.
Практический случай развития коррозионно-усталостного растрескивания в заводском сварном соединении на примере стального сварного вертикального резервуара РВСпк-50000 рассмотрен в разд. 5.12. 
<< | >>
Источник: Горицкий В.М. Диагностика металлов. 2004

Еще по теме Коррозионно-усталостное разрушение (растрескивание):

  1. Коррозионное растрескивание под напряжением
  2. Усталостное разрушение
  3. Влияние состава стали на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением
  4. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения
  5. Хлоридное растрескивание
  6. Щелочное растрескивание
  7. 5.5.4. Характеристики коррозионной трещиностойкости сталей
  8. Сульфидное растрескивание
  9. ГЛАВА3.КОРРОЗИОННЫЕ СРЕДЫ
  10. Водородное растрескивание