Системы сплавов, подверженных внутрикристаллитному растрескиванию

Магниевые сплавы. На основании изучения зависимости между содержанием железа в магниевых сплавах и их устойчивостью про­тив внутрикристаллитного коррозионного растрескивания было вы­сказано предположение, что железо-алюминиевая составляющая, преимущественно выделяющаяся параллельно определенным кри­сталлографическим плоскостям, в частности плоскости базиса, может быть катодной фазой. Было показано, что раз­ность потенциалов между соединением Fe—А1 и твердым раствором Мg—А1 в солянохроматных растворах составляет 1 в. Наблюдаемое межкристаллитное растрескивание некоторых магниевых, сплавов в дистиллированной воде, в растворах хроматов и фторидов, возможно, обусловлено присутствием незначительных примесей по границам зерен. Как известно, сопротивление магния общей корро­зии зависит от наличия некоторых примесей — таких, как железо, медь, никель и кобальт, которые в этом отношении особенно активны.

Аустенитные нержавеющие стали типа 18-8. Стабильность аустенитной фазы в нержавеющих сталях зависит в основном от содер­жания в сплаве никеля и азота. Однако, в сталях типа 18-8 в ре­зультате холодной обработки или деформации какая-то часть аустенита может превратиться в мартенсит. Было высказано пред­положение, что пластинки мартенсита являются анодной фазой в процессе местной коррозии. Это предположение подверглось критике на основании того, что некоторые аустенитные нержавею­щие стали, которые даже под влиянием значительной холодной обработки не претерпевают мартенситного превращения, подвер­жены коррозионному растрескиванию. Кроме того, нержавеющая сталь типа 18-8 подвержена коррозионному растрескиванию в ат­мосфере пара, содержащего хлориды, при температурах, слишком высоких для мартенситных превращений.

Существенным доказательством электрохимического характера локального коррозионного разрушения, т. е. первой стадии процесса коррозионного растрескивания, является возможность предотвра­щения растрескивания при катодной поляризации и при деаэрации коррозионной среды для некоторых алюминиево-магниевых сплавов. Удаление кислорода из раствора понижает скорость катодного процесса и тем самым препятствует электрохимическому разруше­нию.

 

РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН

 

Существенным подтверждением гипотез механизма коррозион­ного растрескивания является более подробное изучение харак­тера развития трещин, в частности, микрокиноскопическое иссле­дование процесса развития трещин. Фильм, заснятый Престом, Беком и Фонтана, показывает, что развитию внутрикристаллитной трещины в магниево-алюминиевых сплавах предшествует волна пластической деформации. Как ранее установлено, для возникно­вения пластической деформации необходимо наличие небольшой трещины, как источника развития хрупкого разрушения. Кроме того, в результате деформации металла у вершины первоначально образовавшейся трещины должно происходить дальнейшее ее углубление и расширение, что наблюдается в действительности. Степень развития трещины в результате деформации определяется, несомненно, пластическими характеристиками материала, и сле­дует ожидать, что при наличии непрерывной хрупкой фазы для раз­вития трещины потребуется небольшая деформация и расширения трещины совсем не произойдет или будет весьма незначительным.

В результате пластической деформации обычно происходит раз­рушение защитных поверхностных пленок в трещине, что вызывает ускорение коррозионного процесса. Но разрушение пленки может играть и более существенную роль в процессе деформации. Было показано, что защитные пленки на монокристаллах и в некоторых поликристаллических материалах препятствуют протеканию про­цессов ползучести и деформации. Было высказано предположе­ние, что такие пленки действуют как барьер при передвижении дислокаций и, следовательно, препятствуют деформации. Кон­центрация дислокаций под поверхностной пленкой вызывает высо­кую концентрацию напряжений. Когда пленка разрушается или устраняется химическим путем, дислокации стремятся к передвиже­нию по своему первоначальному направлению, вызывая тем самым самопроизвольную деформацию. Если это передвижение происходит в плоскости развития трещины, должно происходить ее углубление и расширение. Деформация, которая происходит у вер­шины трещины, очень локализована и трудно обнаруживается обычными методами металлографического анализа. Кроме того, cледует учесть, что деформированные участки и поверхности образующихся трещин подвержены интенсивной коррозии, которая может легко уничтожить все признаки существования деформации.

Имеются данные о том, что напряженные и деформированные металлы более активны, чем ненапряженные. Таким образом, участкам с коррозионными трещинами свойственна большая электрохимическая активность, что приводит к ускорению процесса трещинообразования. Не может быть сомнения, что ускоренный коррозионный процесс вызван разрушением поверхностной пленки и наличием напряженных анодных участков, но мало вероятно, что эти факторы способствуют общему процессу развития трещин. Если они оказывают влияние, то только в основном на возникновение небольших местных трещин, необходимых для создания концентра­ции напряжений и последующего трещинообразования.

Развитие трещины, которая вызывает разрушение металла, не обязательно происходит в том же месте, где появилась первая мел­кая трещина. Форма образца и характер деформации могут быть такими, что основная трещина развивается на некотором расстоя­нии от первоначально появившейся небольшой трещины.

Ирвин и соавторы характеризуют процесс развития тре­щины следующим образом. Первоначальное зарождение трещин происходит на разрозненных, не связанных между собой участках с большими растягивающими напряжениями. Мелкие разрознен­ные трещины, соединяясь, образуют одну трещину. Как отмечается, процесс трещинообразования начинается на ослабленных участках металла, и первые стадии его сопровождаются пластической дефор­мацией. Развитие трещины носит прерывистый характер, и это является основным свойством быстрого трещинообразования.

Быстрое начало и прекращение отдельных процессов прерыви­стого трещинообразования производит на металл сильное механи­ческое воздействие, что может вызвать дальнейшее развитие и раз­ветвление трещины. Развитие трещины приостановится, когда она достигнет области, где нет достаточных растягивающих напряже­ний, направление которых перпендикулярно направлению развития трещины. Следовательно, для последующего развития трещины не­обходима дальнейшая деформация. Большие трещины обладают способностью развиваться быстрее, чем мелкие.                                                                  По мере роста мелких трещин крупные трещины развиваются значительно бы­стрее, и вскоре начинает преобладать только одна трещина, кото­рая останавливает развитие других. Характер развития трещин в пластичных металлах обеспечивает возникновение ряда быстро развивающихся трещин, так как новые трещины образуются по ходу.продвижения основной трещины и соединяются с ней. Когда энергия деформации, выделяющаяся при развитии основной тре­щины, становится равной работе деформации, происходит процесс быстрого саморастрескивания. В эту главу не входит подробное обсуждение работ Ирвина и Орована об относительном равновесии между совершённой работой и энергией, освобождаю­щейся при развитии трещины. Следует указать, что если энергия деформации, выделяющаяся при развитии трещины, больше энер­гии, необходимой для нового разрушения поверхности, трещина будет развиваться самопроизвольно. Ирвин также показал, что ско­рость развития трещины будет увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнуто неустойчивое состояние, после чего произойдет быстрое разрушение.

Изложенное рассмотрение процесса возникновения и развития трещины более точно характеризует природу коррозионного растре­скивания. На прерывистый характер развития трещин указываютЭделеану, Джильберт и Хадден, Фармери  для алюминие­вых сплавов, а также Преет, Бек и Фонтана для магниевых спла­вов. Очевидно, нет сомнения, что при растрескивании материал подвергается серии отдельных механических разрушений, которые, соединяясь вместе, образуют трещину. Кроме того, фильмы и микрофотографии, имеющиеся в литературе, показывают, что растрескивание происходит путем  продвижения  развивающейся трещины.  Можно ожидать, что изложенный механико-электрохимический механизм коррозионного растрескивания может достаточно точно объяснить наблюдаемые явления процесса коррозионного растрескивания, среди которых основ­ными являются следующие:

1. Трещины не возникают и не развиваются под действием сжи­мающих напряжений.

2. Более высокие напряжения, особенно напряжения, близкие к пределу текучести, вызывают более высокую концентрацию на­пряжений и соответственно уменьшают устойчивость металла прот­ив растрескивания.

3. Для создания достаточной концентрации напряжений и после­дующей деформации необходим какой-то минимум напряжений, тот минимальный предел напряжений не является абсолютной величиной и зависит от формы образца и условий испытания. Следует также указать, что предел упругости или текучести на отдельных микроскопических участках может быть значительно ниже, чем те­кучесть сплава.

4. В том случае, когда разрушение металла происходит почти сразу после образования первоначальной трещины, время до рас­трескивания зависит от времени, необходимого для зарождения мелких коррозионных трещин. Важным фактором является также состояние поверхности. При разрушении, включающем ряд повтор­ных циклов процесса растрескивания, общее время до разрушения определяется как суммарное время образования серии коррозион­ных трещин. Не наблюдается значительного отличия во времени до разрушения образцов, нагруженных в течение всего испытания, и образцов, нагруженных незадолго до разрушения; время, необхо­димое для коррозионного растрескивания, не зависит существенно от условий создания напряженного состояния металла.

5. Доказательством того, что наибольшее влияние приложен­ные напряжения оказывают незадолго до разрушения, служит самопроизвольное растрескивание металла после зарождения пер­воначальной трещины. Если процесс растрескивания происходит за счет образования серии мелких трещин и по мере развития трещины металл приближается к неустойчивому состоянию, то при на­личии деформированных участков металлапроизойдет самопроиз­вольное развитие трещины и полное разрушение металла.

6. Катодная защита препятствует развитию локальных корро­зионных разрушений. При наложении катодного тока увеличи­ваются радиусы возникающих коррозионных углублений, в резуль­тате чего коррозионный процесс может происходить только при увеличении напряжений. Поэтому для предотвращения коррозион­ного растрескивания при повышенных напряжениях должна приме­няться более эффективная защита, которая будет препятствовать возникновению локальных коррозионных разрушений и созданию концентраторов напряжений.

Полагают, что если развитие трещины достигнет такого зна­чения, что создаются условия для самопроизвольного растре­скивания, то применение ка­тодной защиты не окажет ни­какого влияния.

7. Если время до растрески­вания относительно мало и раз­вивается только одна или не­сколько трещин, то не наблю­дается существенного отличия в коррозии (в количестве ме­талла, переходящего в раствор) напряженных и ненапряженных образцов, как показал, например, Эделеану для сплава А1—7% Мg, так как развитие трещин идет практически только за счет механического разрушения. С другой сто­роны, процесс химического разрушения приводит к переходу в рас­твор измеримого количества металла, но переход металла в раствор не будет существенно зависеть от времени до разрушения.

8. Предложенный механизм растрескивания согласуется с наблюдаемым явлением, обнаруживающим одинаковую скорость развития образовавшихся трещин в материале, подверженном коррозионному растрескиванию, и в сравнительно устойчивом материале. Зависимость устойчивости металла против коррозионного растре­скивания от его структуры и коррозионной среды в значительно мольшей степени проявляется в первый период зарождения локаль­ного разрушения, чем при последующей стадии развития трещин.

9. Чем меньше размер зерна металла, тем больше его устойчи­вость против коррозионного растрескивания. При увеличении раз­мера зерна уменьшается время до разрушения. Казалось бы, что чем больше число зерен, тем больше число границ зерен, имеющих высокую электрохимическую активность, в результате чего более вероятен процесс локального коррозионного разрушения; однако при мелкозернистой структуре условия для зарождения трещин довольно неблагоприятные. Доказано, что сопротивлениехрупкому разрушению поликристаллических металлов обратно пропорционально квадратному корню размера зерна. Сле­довательно, для разрушения мелкозернистого поликристалличе­ского материала требуются повышенные напряжения. Поэтому крупнозернистые металлы с благоприятной ориентацией границ зерен очень неустойчивы против коррозионного растрескивания.

В случае межкристаллитного растрескивания большое значение имеет выделение растворенных атомов по границам зерен, так как предполагается, что адсорбция растворенных атомов по границам зерен уменьшает энергию границ зерен и снижает напряжения, необходимые для того, чтобы вызвать хрупкое разрушение (т. е. снижает работу, необходимую для образования новой поверхности). Любой адсорбционный процесс на участках металла с несо­вершенной структурой, который уменьшает работу, необходимую для образования новой поверхности, значительно увеличивает тен­денцию таких участков к трещинообразованию при наличии напря­жений.

Очевидно, следует предположить, что хрупкое межкристаллитное растрескивание сплавов вызвано содержанием по границам зерен интерметаллических фаз; в этом случае существуют очень благо­приятные условия для развития по границам зерен местной корро­зии, а развитие хрупкого разрушения происходит за счет интерметаллической фазы. Для однородных твердых растворов, в которых имеет место межкристаллитное растрескивание (напри­мер, в а -латуни), определяющим фактором является адсорбция или выделение растворенных атомов по границам зерен.