Дослідження малоциклової корозійної і водневої втоми сталі

7.1 Мета роботи: визначити малоциклову витривалість стальних виробів в різних агресивних середовищах.

Короткі теоретичні відомості

Корозійна втома - це процес поступового виникнення, а далі - розвитку тріщини під впливом тривалого статичного (статична втома) або повторно-змінного навантаження (циклічна втома), тобто - це повільне руйнування металів. Опір, який чинить метал циклічній втомі, називають витривалістю ("виносливостью" – рос.), або циклічною міцністю. Опір статичній втомі має назву - тривалої міцності ("длительной прочности" – рос.). Корозійна втома є основною причиною руйнування гальванічно оброблених деталей, глибинно-насосних штанг, бурильних труб, трубопроводів, іншого обладнання газонафтової, добувної та переробної, хімічної промисловості і т. і. При циклічному навантаженні деталей згин із обертанням є одним із широко розповсюджених видів деформації, так як в цих умовах навантаження кожне волокно металу буде зазнавати за один оберт розтяг-стиск однакової величини, тобто зміна напружень в металі відбувається за синусоїдальним законом. Критерієм витривалості сталі при згині симетричним циклом є умовна границя втоми s_-1, база випробувань у повітрі N=2×10⁶, а в 3% NaCl – N=5×10⁶ циклів навантаження [5,13,38].

Однією з основних вимог до сучасних металоконструкцій обмеженого строку служби є максимальна питома міцність (високе значення відношення міцності до маси). В таких конструкціях (трубопроводи, посудини під тиском, реактори та ін.) виникають напруги, які перевищують границю пружності (“предел упругости” – рос.), що обумовлює довговічність матеріалу не більш 10⁵ циклів - малоциклова корозійна втома (МЦКВ) (на відміну від багатоциклової корозійної втоми, де довговічність зразків складає багато мільйонів циклів). Дуже важливою є діагностика руйнування металовиробів, конструкцій. Руйнування у випадку МЦКВ розвиваються на фоні макроскопічних пластичних деформацій, які охоплюють значну частину переріза ("сечения" – рос.) зразка або деталі.

У той же час при звичайній втомі (багатоцикловій) має місце мікропластична деформація, локалізована у малих об'ємах, поблизу зони втомного руйнування, характер руйнування при МЦКВ має багато спільного з характером руйнування під дією одноразового статичного навантаження і є ніби то проміжним ступенем між статичним і втомним руйнуванням.

Тому навантаження, які викликають руйнування протягом невеликого числа циклів (10³...10⁴ ) одержали назву повторно-статичних навантажень, до них відноситься аварійні та експлуатаційні перевантаження. Циклічні високі напруження і деформації при цьому характеризуються низькою частотою навантаження від десятків циклів у хвилину до одного циклу за добу, тиждень...

Більшість деталей сучасних машин зазнають повторні навантаження, тобто піддаються циклічним навантаженням. Тому критерієм якості металу, який іде на виготовлення цих деталей, є не показники статичної міцності s_в, s_т - границя міцності, плинності ("текучести" – рос.) та пластичності - d і y - відносні видовження ("удлинение" – рос.) та звуження поперечного перерізу, а характеристики циклічної міцності (s_-1) та довговічності – N, тобто показники витривалості сталі, особливо в екстремальних умовах перевантажень та аварійних ситуаціях. Без цих показників неможливо проводити розрахунок деталей машин на міцність та довговічність. Отже малоциклова витривалість на сучасному етапі – це важливішій експлуатаційний критерій конструкційних матеріалів: сталі, інших сплавів [5,13].

Витривалість з сучасних наукових позицій розглядається з точки зору фізико-хімічної механіки матеріалів, тобто з врахуванням впливу фізико-хімічних факторів на процес деформування та руйнування твердих тіл. До експлуатаційних характеристик, одержаних при випробуваннях у повітрі, необхідно додати данні про вплив агресивних середовищ (переважно корозійних, наводнювальних або корозійно-наводнювальних) на витривалість металів [38].

Таким чином, МЦКВ або малоциклова воднева втома (МЦВВ) – це важливий критерій довговічності та витривалості конструкційних матеріалів при циклічному навантаженні. Це опір металу пружно-пластичним деформаціям при обмеженому числі циклів (до 10⁴ ) та жорсткій системі навантаження. Для визначення відносної деформації індикатором вимірюють f – максимальний прогін (рисунок 7.1) із точністю до 0,01 мм. Потім розрахо-вують R_max за формулою:

R_max=(a²+4×f²)/8×f (7.1)

де а-відстань між вістрями ("остриями" – рос.) вилки пристрою.

Проведені тензометричні вимірювання (тензостанцїї 8 - АНЧ – 7М і осцилограф Н-700), які свідчили (у межах точності досліду 2%) про дотримання умови чистого згину зразка. Це означає, що по всій довжині робочої частини зразка при заданій деформації спостерігаються напруження, однакової величини. Тому з достатнім наближенням лінію згину зразка можна прийняти за дугу обводу, тоді ступінь деформації e:

e =(l _max - l _ср)/ l _cp (7.2)

e =(R_max - R_cp)/R_cp (7.3)

e =(t/2·R_cp)·100, % (7.4)

де t - товщина зразка.

Одержане значення e - це повна, тобто сумарна пружна і пластична деформація. За допомогою динамометрів із тензодатчиками визначають навантаження, які відповідають даному ступеню деформації сталі. Крім цього, напруження розтягу у зразках при згині (рисунок 7.1) можна розрахувати за формулою:

s=6·Е×t×f/а² (7.5)

Експериментальна частина

Особливу увагу треба приділити технології виготовлення зразків (суворо додержуючись ідентичності застосованих режимів механічної, термічної обробок):

1. Виготовлення заготівок 3х15х60 мм

2. Фрезерування (в розмір 3х12х57 мм)

3. Попереднє шліфування (до t=2,7 мм)

4. Свердління отвору (d=8мм) у кондукторі.5.

5. Фрезерування робочої частини зразка в спеціальному пристрої.

6. Свердління концентраторі в(якщо необхідно) у кондукторі.

7. Термічна обробка (для одержання необхідної структури)

8. Завершальне шліфування зразків за товщиною до розміру 2,5 0,01 мм.

9. Ручне полірування робочої частини зразку.

10.Після механічної обробки зразки знежирюють у бензині, ацетоні, спирті, ефірі.

11.При необхідності зразки можна піддати електрополіруванню (сірчано-фосфорний електроліт з добавкою хромового ангідриду- CrO₃), відношення Cr^VI/Cr³⁺ =60/40 або 40/60, r=1,6...1,7 г/см³, в'язкість 7-20 сантіпуаз, і_а =3...4 А/см², Т= 343...353 К, t=10...12 хв., для високовуглецевої сталі та термічно обробленої – до 6 хв.

Малоциклову втому стальних зразків (рисунок 7.2) вивчають на машині
ІП-2 (рисунок 7.3) в режимі віднульового згину (одна сторона зразка весь час зазнає напруження розтягу, а друга - напруження стиску). Частота навантаження 50 циклів за хвилину.

	t	Основні розміри, мм t В R Lроб 2,5
Допоміжні розміри H L1 d Ld L
Рисунок. 7.1 - Схема для визначення відносної деформації зразка	Рисунок 7.2 - Зразок для випробувань на малоциклову втому

Порядок виконання роботи:

1. Підготовлений до випробувань зразок закріпляють в утримувачі, завдаючи йому певний прогін та ступінь деформації (указує викладач).

 

Рисунок 7.3 - Принципова схема машини ІП-2:
1 – гвинт, 2 – тяга, 3 – гайка, 4 – динамометр, 5 – зразок, 6,7 – опори

2. Вмикають в електромережу машину ІП-2 і визначають число циклів до руйнування у повітрі –N_П (за лічильником).

3. Закріпляють посудину з робочим середовищем - 3%NaCl і проводять аналогічне визначення числа циклів до руйнування зразків в корозійному середовищі - N_c.

4. Заповнюють посудину свіжим розчином - 3%NaCl, зразок катодно поляризують (і_к =0,05-0,1 А/см²), анод – Pt-дріт або графітові стрижні, і визначають число циклів до руйнування в наводнювальному середовищі – N_н та в корозійно-наводнювальному – NACE (5% NaCl+0.5М CH₃COOH, H₂S насич.) або типу NACE (3% NaCl+0.5М CH₃COOH, pH4) (без катодної поляризації).

5. Повторюють випробування в тих же середовищах але із застосуванням певних засобів захисту від МЦКВ і МЦВВ (за вказівкою викладача).

Розраховують такі показники:

7.3.1 Ступінь захисту від малоциклової корозійної втоми – К відносно повітря (7.6) та корозійного середовища (7.7) і коефіцієнт гальмування МЦКВ – g

K=[(N_c’–N_c) / (N_п–N_c)]·100,% (7.6)

K=[(N_c’–N_c) / N_c ]·100,% (7.7)

g = N_c’/N_c, (7.8)

7.3.2 Аналогічно визначають ступінь захисту від малоциклової водневої втоми (МЦВВ) – К_Н та коефіцієнти гальмування МЦВВ – g

K=[(N_Н’–N_Н) / (N_п–N_Н)]·100,% (7.9)

K=[(N_Н’–N_Н) / N_Н ]·100,% (7.10)

g = N_Н’/N_Н, (7.11)

7.3.3 Коефіцієнти впливу середовища: корозійного – b_с, наводнювального – b_н, корозійно-наводнювального – b_сн (у порівнянні з повітряним):

b_с=N_п/N_c, b_сн= N_п/N_cн, b_н= N_п/N_н (7.12)

У формулах 7.6 –7.12 N_п, N_с, N_сн, N_н – кількість циклів до руйнування в повітрі, корозійному, корозійно-наводнювальному і наводнювальному середовищах (штрих – із захистом).

7.4 Висновки: експериментально визначено малоциклову витривалість сталі (іншого сплаву) в різних агресивних середовищах. Вони становлять:
N_п =..., N_с =..., N_н =..., N_сн =... Відзначають як змінюються коефіцієнти впливу середовищ в інгібованих (неінгібованих) середовищах, вказують на ефективність інгібіторного (чи іншого) захисту.

7.5 Тестові запитання для контролю СР

1. Що таке корозійна втома?

2. Яка різниця між такими поняттями як “витривалість” та “тривала міцність”?

3. Що є критерієм витривалості сталі при згині симетричним циклом?

4. Чим відрізняється малоциклова корозійна втома від багатоциклової корозійної втоми?

5. Назвіть критерій якості металу, який іде на виготовлення деталей машин, що зазнають повторні навантаження високого рівня (тобто піддаються циклічним навантаженням)?

6. Як визначити відносну деформацію зразка?

7. Як вивчають малоциклову втому стальних зразків?

8. Як визначити ступінь захисту від малоциклової корозійної втоми?

9. Які види агресивних середовищ використовують при експериментальних дослідженнях швидкості корозійно-механічних руйнувань?

10. Чим відрізняється малоциклова воднева втома від малоциклової корозійної втоми?

 

Лабораторна робота №8

Діагностика корозійної тривкості сталі
Дослідження протекторного захисту

8.1 Мета роботи: провести діагностику корозійної тривкості сталі в робочих середовищах з різним рН за допомогою якісних і кількісних випробувань; дослідити ефективність протекторного захисту сталі від корозії.

8.2 Короткі теоретичні відомості

Відомо, що 20-25 % щорічно виплавляємого металу іде на запасні частини. Причиною передчасного зносу деталей в 50% випадків є корозійне руйнування. Ремонтом техніки зайнято до 15% робочих. З корозією зв'язані також втрати потужності (для тракторів на 20%), палива (для сільгоспмашин втрати пального збільшуються на 25%). Внаслідок підвищення шорсткості внутрішньої поверхні трубопроводів втрати електроенергії становлять 50 млн. кВт×год/рік для ГРЕС середньої потужності (бо падає напір у трубах). Витрати на ремонт верстату становлять 30-70%, а трактора - 30-40% від вартості нових агрегатів. Витрати на ремонт, які зв'язані із захистом від корозії, становлять 30-90% усіх витрат на ремонт [10,25,26].

Тому так важливо своєчасно діагностувати корозійну тривкість сталі в даному робочому середовищі та знайти найбільш ефективні методи захисту металоконструкцій [2,13,27].

Діагностику корозійної тривкості сталі можна здійснювати за допомогою якісних і кількісних випробувань [11, 28-30]. Наприклад, для діагностики пітингів накладають на поверхню металу (Ме) фільтрувальний папір, змочений розчином NaCl (20г/л) з К₃[Fe(CN)₆] (10 г/л). Поява синіх плям свідчить про наявність пітингів - дуже небезпечних для металічних тонколистових матеріалів. Про якість захисної оксидної плівки на металах судять також за червоними плямами міді в результаті занурення оксидованого зразка в розчин з CuSO₄.

Кількісну діагностику проводять електрохімічними, граві-волюмометрич-ними методами, а також спектрофотометричними, фізико-механічними випробуваннями і т. і. [31-36].

Перш за все треба провести діагностику роботи метала як аноду, або як катоду. Це дає можливість передбачити корозійну тривкість Ме при робочих потенціалах [33-36]. Співставлення швидкості корозії, одержаної електро-хімічними методами з гравіволюмометричними, а також із швидкістю розчинення Ме - за фотоелектроколориметричними, полярографічними, потенціометричними методами, дає можливість охарактеризувати швидкість „аномального” розчинення Ме в електроліті - за хімічним механізмом і вплив на його вклад різних засобів захисту металів від корозії [35]. Комплексна система контролю і оцінки ефективності захисту від корозії [34] дає можливість значно підвищити дієвість корозійного моніторингу.

Катодний протекторний захист металів від корозії (до конструкції, що захищається, приєднується анодний протектор - метал з більш негативним потенціалом у даному середовищі) широко використовується для захисту від корозії підземних і підводних конструкцій. Протектори для захисту сталевих конструкцій – звичайно сплави на основі Mq, Al, Zn. Повний захист можливий, якщо при приєднанні анодного протектора до металу, потенціал металу досягає його оборотного потенціалу (j_Ме)_об.

 

Експериментальна частина