Исследование механических свойств материалов при низких температурах.

       Для определения механических свойств при низких температурах используют те же стандартные методы , что и для исследований их при комнатной или повышенной температуре .

       Главным узлом всякой установки для испытаний при низких температурах является ванна (криостат) , обеспечивающая необходимые условия. При испытаниях до температуры -77К ( -196С - температура жидкого азота ) применяются двухстенные ванны из красной меди , латуни или нержавеющей стали с войлочной изоляцией . При температурах ниже -77К криостат состоит в большинстве случаев из двух вставленных друг в друга стеклянных или металлических сосудов Дьюара , пространство между которыми заполнено жидким азотом .

       Температура до 153К измеряется термометрами (спиртовыми , толуоловыми , пентановыми ) , ниже 153К - термопарами ( пластиновыми , медь-константовыми ) . Иногда температура помещённого  в охлаждающую среду образца определяется по прекращению кипения зеркала жидкости , при этом считается , что он принял температуру хладагента .

Хладагент	Охлаждающая смесь	Темпе	ратура
		°С	°К
Твёрдая углекислота          (сухой лёд )	Размельчённый сухой лёд со спиртом или ацетоном	-40 ¸ -70	233 ¸ 203
Жидкий азот	Жидкий азот со спиртом или бензином	-100	173
	Жидкий азот с петролеумным эфиром	- 120	153
	Жидкий азот с изолентаном	-160	113
Жидкий кислород	-------	-183	90
Жидкий азот	-------	-196	77
Жидкий неон	-------	-246	27
Жидкий водород	-------	-253	20
Жидкий гелий	-------	-269	4
Жидкий гелий ( с откачкой )	-------	-271,5	1,6
Гелий-3 ( с откачкой )	-------	-272,8	0,3

      Определение склонности сплавов к коррозионному растрескиванию при постоянных нагрузках .

       При одновременном действии статических растягивающих напряжений ( внешних или внутренних ) и коррозионной среды многие сплавы подвержены коррозионному растрескиванию .

       Характерными особенностями коррозионного растрескивания являются :

1.   хрупкий характер разрушения .

2.   направление трещин перпендикулярно растягивающим напряжениям ; при этом трещины имеют межкристаллитный или транскристаллитный , или , наконец , смешанный характер.

3.   зависимость времени до растягивания от величины растягивающих напряжений : с уменьшением растягивающих напряжений время до растрескивания увеличивается.

       Коррозионному растрескиванию подвержены алюминиевые сплавы типа дуралюмина , сплавы систем Al-Mg , Al-Mg-Zn , Al-Mg-Cu , мягкие стали , коррозионные стали , медные сплавы , высокопрочные низколегированные стали , магниевые сплавы и др.

       Большинство исследователей считают , что процесс коррозионного растрескивания имеет электрохимическую природу . Образование трещин при коррозии под напряжением сплавов связывается с возникновением гальванического элемента “концентратор напряжений (анод) - остальная поверхность (катод)” , с ускорением процесса распада пересыщенных твёрдых растворов , в результате чего возникают местные гальванические элементы и коррозионные трещины развиваются вследствие растворения вновь образующихся анодных участков , с механическим разрушением плёнок  , избирательной коррозией пересыщенных твёрдых растворов , изменением внутренней энергии , абсорбции поверхностно-активных анионов и катионов среды и др.

       Изучение кинетики развития трещины при коррозии под напряжением высокопрочных сталей методом электросопротивления показало , что процесс развития трещин складывается из трёх этапов . На первом этапе образуется коррозионная трещина . На втором этапе происходит скачкообразное развитие трещины , что свидетельствует о значительной роли механического фактора . Переход от первого этапа ко второму сопровождается значительным увеличением скорости развития трещины . На третьем этапе происходит лавинообразное развитие трещины  .

       При определении склонности сплавов к коррозионному растрескиванию растягивающие напряжения в образцах создаются двумя способами :

1.   путём приложения постоянной нагрузки .

2.   путём сообщения образцу постоянной деформации ( изгиб ) .

       Полная характеристика склонности сплава к коррозионному растрескиванию может быть получена путём снятия кривых коррозионного растрескивания от величины растягивающих напряжений .
          s, кг/мм(2)                 Рис. 1                             Кривая коррозионного растрескивания                            стали 30ХГСНА в камере с распылённым                       150             3 % NaCl .
   

100
  

50
       0         25          50            75        t , сутки




         Образование коррозионных трещин связано с неравномерным увеличением скорости коррозии сплава при приложении растягивающих напряжений . Если v1- cкорость коррозии в месте концентрации напряжений , v2 - скорость коррозии на остальной поверхности сплава , то образование коррозионной трещины будет происходить при напряжениях , когда v1 > v2  . Чем больше разность скоростей коррозии v1 - v2 , тем больше склонность сплава к коррозионному растрескиванию . Эти положения лежат в основе уравнения кривой коррозионного растрескивания .

                                    (1)        (s-sкр ) t = К , где

s - извне приложенное растягивающее напряжение ;

sкр - критическое напряжение , ниже которого не происходит коррозионного растрескивания ;

t- время до растрескивания ;

К - константа , характеризующая меру увеличения скорости распространения коррозионной трещины (1/t) при увеличении растягивающих напряжений . Чем больше К , тем в меньшей степени увеличивается скорость распространения трещины при увеличении растягивающих напряжений .

       При извне приложенных напряжениях , равных или меньше sкр , коррозионного растрескивания не происходит . Величина sкр является основной количественной характеристикой сопротивления сплава коррозионному растрескиванию , чем выше  sкр , тем выше сопротивление сплава коррозионному растрескиванию . Уравнению (1) удовлетворяют экспериментальные данные по коррозионному растрескиванию низколегированных высокопрочных конструкционных сталей в кислых , нейтральных и щелочных растворах и во влажной среде ; латуни в растворе аммиака ; низколегированных мягких сталей в растворе азотнокислого аммония , щелочи ; алюминиевого сплава В96 в 3 % растворе NaCl ; магниевого сплава МА2-1 в атмосферных условиях и МА3 в растворе NaCl + K2Cr2O7 ; ряда коррозионностойких сталей в 3 % растворе NaOH + 0,15% NaCl при повышенной температуре .

       На рисунке (2) приведена кривая коррозионного растрескивания a - латуни в растворе аммиака ( плотность 0,94 ) при полном погружении :
          s,  кг/мм(2)                                              Обращает на себя внимание тот факт , что                     для латуни в растворе аммиака                                                                    8        критическое напряжение меньше нуля

                                                                            ( -23,1 Мн/м(2) или 2,31 кг/мм(2) ) . Это               6        указывает на возможность её                                                                                 коррозионного растрескивания в                   4       отсутствии извне приложенных                                    2        напряжений ( за счёт внутренних                      напряжений ) .

               10  14  18  22  26  30  34       t , час
       В указанных условиях для a - латуни кривая коррозионного растрескивания описывается уравнением :

                                    ( s + 2,31 )t= 115,6 кг/{мм(2)*ч};

       На величину критического напряжения оказывают влияние :

1.   состав коррозионной среды ,

2.   химический и фазовый составы сплава ,

3.   термическая обработка ,

4.   состояние поверхностного слоя ,

5.   величина и характер внутренних напряжений .
       Низколегированные высокопрочные стали типа 30ХГСНА обнаруживают коррозионное растрескивание в кислых , нейтральных , щелочных растворах и во влажной атмосфере . Между результатами испытаний на коррозии . Под напряжением высокопрочных сталей во влажной атмосфере ( атмосфера индустриального района , пресная , тропическая камера , и камера с распылением 3%-го раствора NaCl ) и в 20%-ном растворе серной кислоты с добавкой 30 г/л NaCl имеется определённая связь : чем больше критическое напряжение в указанном растворе , тем больше время до растрескивания напряжённых образцов во влажной атмосфере .

         Рис. 3                                                                    Зависимость времени растрескивания                                            высокопрочных сталей при напряжении                                145 кг/мм(2) от величины sкр .                    

 150                  1-

                                                                       

1.   пресная камера ;

2.   индустриальная атмосфера ;

3.   тропическая камера ;

50   2                   3-           4-                    4.   камера с распылением 3%-го NaCl ( 20%                                       раствор H2SO4 c добавкой NaCl (30 г/л) ).         

                                                                 

       0   10   20   30   40    50   60   70   sкр (кг/мм(2))
       Одним из важных факторов , определяющих сопротивление высокопрочных сталей коррозионному растрескиванию , является характер и величина внутренних напряжений в поверхностном слое . С увеличением внутренних растягивающих напряжений сопротивление стали коррозионному растрескиванию понижается . Создание сжимающих напряжений в поверхностном слое обкаткой , вибронаклёпом , обдувкой чугунным , кварцевым или корундовым песком повышает сопротивление стали коррозионному растрескиванию . Увеличение содержания углерода в a-Fe приводит к увеличению внутренних напряжений , в результате чего критическое напряжение стали понижается . Чем больше содержание легирующих элементов , затрудняющих диффузию углерода , тем выше температура отпуска , при которой наблюдается понижение сопротивления стали коррозионному растрескиванию . Так , если для стали 30ХГСНА понижение sкр наблюдается после отпуска при 250°С , то для стали 40ХН2СВА (ЭИ643) , содержащей больше легирующих элементов , тормозящих диффузию углерода - при 400°С .

       При дальнейшем повышении температуры отпуска сопротивление стали коррозионному растрескиванию повышается .

       При коррозии под напряжением с водородной деполяризацией может происходить наводораживание и связанное с этим ухудшение механических свойств стали . Высказываются соображения , что наблюдаемое в указанных условиях растрескивание стали происходит не вследствие увеличения скорости коррозии при положении растягивающих напряжений , а за счёт наводораживания ( водородное растрескивание ) . С другой стороны , если исходить из адсорбционной гипотезы влияния водорода на механические свойства стали и допустить , что сопротивление хрупкому разрушению стали линейно уменьшается с увеличением концентрации адсорбированного водорода , то зависимость времени до растрескивания от величины извне приложенных растягивающих напряжений можно описать уравнением :

      

 (2)   (s - А)Öt = Кн , или       s =  А + Кн (1/Öt) , где  Кн - константа ;

                                                                                        А - сопротивление хрупкому                                       разрушению стали при данной                                                 концентрации адсорбированного                      водорода ;
       Экспериментальные данные по водородному растрескиванию при катодной поляризации в кислых и щелочных растворах (Рис. 4) удовлетворяют уравнению (2) . Зависимость времени до растрескивания наводороженной при кадмировании стали от величины растягивающих напряжений ( Рис. 5) также описывается уравнением (2) .
s

 , кг/мм(2)      Рис. 4                                    s , кг/мм(2)      Рис. 5                                                                                          

   70                                                                     200     

   60                                                                    

   50                                                                150

   40

   30                                                                                        

   20                                                                                       100        

   10

                                                                                                                                      1/Öt ,

                 5           10          15      1/Öt , мин(-1/2)   0,02      0,04     0,06  0,08  0,1  мин(-1/2)
Кривая водородного растрескивания          Кривая водородного растрескивания кадми-

стали 30ХГСНА (катодная поляриза-          рованной стали ЭИ643 (надрезанные образ-

ция при 1А/дм(2) в 20%-ном H2SO4 +         цы ) .

+ NaCl (30 г/л) ) .
       Как видно из рисунка 5 , при изображении экспериментальных данных по водородному растрескивания кадмированной стали в координатах s, 1/Öt получаем прямую , что находится в соответствии с уравнением (2) .

       Таким образом , различная функциональная зависимость t от s при водородном и коррозионном растрескивании , уравнения (1) и (2) позволяют различать эти явления .
               Влияние среды на разрушения сплавов при циклических                                                                         нагружениях .

      

       Коррозионная усталость металла - процесс постепенного накопления повреждений , обусловленных одновременным воздействием переменных нагрузок и коррозионно-активной среды , которые приводят к уменьшению долговечности и снижению запаса циклической прочности .

       Под воздействием коррозионных сред значительно снижается усталостная прочность сталей и сплавов . Величина снижения в большинстве случаев зависит от коррозионной стойкости материала . Следует отметить , что структурное состояние стали влияет на предел коррозионной усталости . Наиболее неблагоприятна структура низкого отпуска . Показатели коррозионной усталости сталей после закалки и отпуска ниже чем нормализованных и отожженных .

       Наиболее низкое значение предела коррозионной усталости свойственно сталям (некоррозионностойким ) с мартенситной структурой . При sв , равном 170-200 кг/мм(2) , предел коррозионной усталости не превышает 15 кг/мм(2) (рис. 6) .

       Повышение предела выносливости на воздухе не увеличивает выносливость в коррозионной среде . Предел коррозионной усталости коррозионностойких сталей обычно пропорционален пределу прочности при растяжении (см. рис. 6 ) до 130-140 кг/мм(2) .

       Сплавы титана не чувствительны к воздействию коррозионных сред в условиях переменных нагрузок . Пассивность титана обусловлена наличием на его поверхности окисной плёнки, не имеющей пор. Существует мнение , что в окисных плёнках возникают остаточные напряжения сжатия . По некоторым данным , в растворах хлоридов при наличии острого концентратора типа трещины или острого надреза невосприимчивость титановых сплавов к воздействию среды исчезает . Долговечность образцов с трещиной в морской воде ниже долговечности на воздухе .

       Предел выносливости алюминиевых и магниевых сплавов снижается от воздействия среды в 1,8 - 3 раза . Сопротивление усталости медных сплавов при испытании в пресной и морской воде снижается незначительно.

       Для всех материалов последовательное действие напряжений и коррозионной среды менее опасно , чем одновременное .

       Характерным для коррозионной устойчивости является появление на поверхности образцов гораздо большего числа трещин , чем у испытываемых на воздухе .
                               а)                                                                          б)

 s , кг/мм(2)                                                       s ,   кг/мм(2) 

          

   80                                                                                        24

   75                                                                                        22         

   70                                                                                

   65                                                                                        16         




                                                                        12

   

                                                                         10         




   12                                                                                          8         

                    10(5)  10(6)        10(7)     N                           10(5)   10(6)   10(7)        N
       Рис. 6 . Кривые коррозионной усталости стали 30ХГСНА (а) и алюминиевого сплава Д1 (б) .

             - испытания на воздухе ;

             - испытания в водопроводной воде (полное погружение) ;      
       На кривой коррозионной усталости металлов отсутствует горизонтальный участок  , и даже при очень большом числе циклов она остаётся наклонной к оси абсцисс , при этом угол наклона с увеличением базы может уменьшаться (рис. 7) .

       Предел коррозионной усталости в значительной степени зависит от частоты нагружений , причём эта зависимость обнаруживается в области частот до 50 Гц . Это связанно с тем , что для большинства материалов время нахождения под воздействием среды вносит существенную поправку в получаемые результаты . Поэтому увеличение частоты нагружений с десятков циклов в минуту до десятков тысяч циклов в минуту вызывает повышение характеристик коррозионной усталости .

       Сопоставляя влияние концентрации напряжений при испытании на воздухе и в коррозионной среде , можно отметить , что при испытаниях на коррозионную усталость действие концентраторов напряжений ослабляется . С повышением длительности испытаний ( понижением уровня напряжений ) увеличивается роль коррозионного фактора , определяющего снижение предела коррозионной усталости образца с надрезом и сглаживается влияние остроты надреза .

       Для нержавеющих сталей , склонных к щелевой коррозии , наличие острых концентраторов при коррозионной усталости оказывается значительно более опасным , чем в условиях обычной усталости .

       Проявление масштабного фактора в условиях коррозионной среды отличается от наблюдаемого на воздухе . когда с увеличением диаметра образца предел выносливости металла уменьшается . С увеличением диаметра образца предел его коррозионной усталости увеличивается . Для стали . например , изменение  диаметра образца с 5 до 40 мм , приводит к повышению предела коррозионной усталости на 46% . При наличии концентрации напряжений проявление масштабного эффекта усиливается .

       Состав среды является одним из основных факторов , определяющих снижение циклической прочности металла . Однако для разных материалов наиболее опасным оказываются различные среды .

       В условиях циклических нагружений атмосфера не является инертной средой . Влияние атмосферы зависит от количества находящейся в ней влаги . Так , повышение относительной влажности с 58 до 100% снижает предел коррозионной усталости сталей на 4 - 5 кг/мм(2) .

       Предел коррозионной усталости алюминиевого сплава Д16-Т при полном погружении в раствор хлористого натрия составляет 5 кг/мм(2) , а при подаче каплями- 9 кг/мм(2) . Это объясняется тем , что пассивирующий эффект кислорода воздуха в большей степени проявляется при коррозионной усталости металлов , образующих с ним окисные или гидроокисные защитные плёнки . поэтому выносливость алюминиевого сплава возрастает с увеличением аэрации , чего не наблюдается у сталей .

       В подавляющем большинстве исследований коррозионно-усталостная прочность металлов определялась в 3%-ном растворе NaCl , значительно снижающем усталостную прочность сталей и алюминиевых сплавов . Прочность металла в конструкциях , эксплуатирующихся в слабоагрессивных средах , значительно выше .
   s-1 , кг/мм(2)                           Рис. 5

                                                                                                                       

                Конструкционные стали ,

                нержавеющие стали

 70

                                                                    Воздух

 60                                                                                  




 50




                                                                                                Нержавеющие стали        

 40




                                                                                        Конструкционные стали

 30

                                       Водопроводная вода

                                                                                       

                                                Морская вода        

   0

             20    40     60   80  100   120   140  160  180   200  220   240       sв, кг/мм(2)                                             

График зависимости предела коррозионной усталости от предела прочности для различных сталей .

      СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ , ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ПРИ НАПИСАНИИ ДОКЛАДА .
1. Под редакцией Туманова А. Т. “ Методы исследования механических свойств металлов ”. Том 2 , Москва , “Машиностроение” , 1974 год.

2. Под редакцией В. А. Винокурова “Сварка в машиностроении” , том 3 , Москва , “Машиностроение” , 1979 год .

3. Рахштадт А. Г. , Геллер Ю. А. “Металловедение” , Москва , 1994 год .

4. А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа , 1995 год .