15 мая 2016г.
Условия работы в процессе эксплуатации автомобилей отличаются разнообразием (по нагрузке, температуре, среде). Наряду с совершенствованием конструкции вопросы обеспечения их надежности и безопасной работы включают оптимизацию технологических процессов, которые в значительной мере обусловливаются структурой и свойствами применяемых материалов [1-4]. Большинство корпусных деталей изготавливаются из листовых штампованных сталей, который в процессе эксплуатации испытывают циклические нагрузки. При этом разрушения деталей и элементов автомобилей часто происходит из-за коррозионной усталости [7], приводящей к огромным финансовым потерям, а порой и человеческим жертвам.
Влияние коррозионной среды на сопротивление усталостному разрушению металлических материалов изучалось многочисленными отечественными и зарубежными исследователями. Однако систематические теоретические и экспериментальные исследования влияния коррозионной среды на сопротивление знакопеременным нагрузкам пластически обработанных металлов и сплавов практически отсутствуют [7,9,10].
При циклическом нагружении в поверхностных слоях металла все процессы, связанные со структурной повреждаемостью, идут с опережением [5,8]. Это особенно актуально при коррозионной усталости [2-4].
Важную роль в задержке и развитии усталостных трещин играет наличие поверхностных (в большинстве случаев оксидных) пленок, состояние которых во многом определяет интенсивность растворения металла и поглощение им водорода [6,7]. Характер первичных коррозионных повреждений поверхности металлов зависит от многих факторов, в том числе и от условий образования и разрушения барьерных оксидных пленок.
Единой точки зрения на процесс коррозионно-усталостного разрушения в настоящее время еще нет. Различают три основные стадии коррозионно-усталостного разрушения.
Первая характеризуется инкубационным периодом, наличием избирательной коррозии, образованием зародышевых дефектов, завершающаяся возникновением макротрещин.
На второй стадии происходит субкритический рост коррозионно-усталостных трещин.
Третья кратковременная стадия характеризуется практически мгновенным доломом металла в связи с напряжениями, превышающими предел его прочности.
Хотя многие авторы [6] указывают на превалирующую роль этапа образования коррозионно-усталостной трещины в циклической долговечности до полного разрушения материалов, тем не менее он до сих пор изучен слабее, чем период ее субкритического роста (порой составляющий лишь ≈ 10 % от полной долговечности), и не поддается количественному описанию. В настоящее время нет единой теории механизма коррозионно- усталостного разрушения металлов и их сплавов, однако, выявлены некоторые закономерности усталостного разрушения материалов в коррозионной среде.
Существую гипотезы, позволяющие объяснить снижение сопротивления развитию трещин при воздействии агрессивных сред и циклического нагружения. Основными факторами коррозионной усталости являются:
– адсорбционное воздействие поверхностно-активных сред;
– локальное электрохимическое растворение активированных механическими напряжениями анодных участков металла (анодное растворение);
– водородное охрупчивание.
Они могут быть определяющими как раздельно, так и в совокупности, в зависимости от химического состава материала, режима обработки (термической, пластической, механической и т.д.), вида нагружения и свойств агрессивной среды. Удельный вес каждого из этих факторов в облегчении разрушения (зарождении и развитии трещин) изменяется в очень широких пределах и к настоящему времени окончательно не выявлен.
Адсорбционное воздействие поверхностно-активных веществ
Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности твердых тел уменьшает поверхностную энергию и приводит к облегчению их деформации и разрушения (эффект Ребиндера). Различают «внешний» и «внутренний» эффект Ребиндера. Внешний вызывается адсорбцией на внешней поверхности деформированного материала и внутри его на поверхностях развитых дефектов. Этот эффект в связи с облегчением выхода на поверхность дислокаций и их разрядки, приводит к пластификации материала снижению границы текучести и коэффициента упрочнения, увеличению числа пачек скольжения и уменьшению их размеров у монокристаллов.
Внутренний эффект возникает при проникновении активных компонент внутрь материала и образовании из них «облаков Коттрела», которые блокируют дислокации, тем самым охрупчивая материал. Этому содействует продвижение путем нерегулярной диффузии активных компонент среды к вершинам зарождающихся трещин, что вызывает разрыхление в этом месте решетки в связи с ее хемоактивацией под влиянием концентрации деформации.
Для слабых ПАВ (органических кислот, спиртов и т.д.) обычно наблюдается пластифицирование – понижение предела текучести вследствие облегчения выхода дислокаций на поверхность деформируемого тела, а для сильных (расплав легких металлов) – охрупчивание, вызываемое ослаблением межатомных связей в вершине трещины и облегчением их разрыва. Влияние слабых ПАВ менее существенно, однако оно достигает значительной величины для высокопрочных сталей с мартенситной структурой.
Локальное анодное растворение
По этому механизму появление и развитие трещины происходит из-за [7] локального химического отличия зернограничной области электрохимического растворения в ней сплава, а впоследствии и в вершине трещины, то есть обусловлено структурной гетерогенностью материала и наличием в ней механических напряжений. В сплаве могут быть структурные составляющие, способствующие образованию гальванического элемента, то есть уже до наложения напряжений в структуре сплава существуют активные участки («предварительно существующие активные участки»). Выделения или сегрегации компонентов сплава могут действовать или в качестве анодов в локальном элементе, или в качестве эффективных катодов, которые могут вызывать локальное растворение непосредственно прилегающей к ним матрицы.
Заключительный этап появления механизма анодного растворения имеет отношение к природе полос скольжения в матрице. Если скольжение ограничивается несколькими действующими плоскостями скольжения (например, низкая энергия дефекта упаковки материала), ступени скольжения будут большими и образуется несколько глубоких трещин.
Если в скольжении участвуют диффузионные процессы, то образуется много небольших ступеней скольжения и воздействие среды не так локализовано. Этот эффект используется при термообработке алюминиевых сплавов, когда применяется незначительное перестаривание с целью повышения сопротивления коррозии под напряжением.
Разновидностью механизма локального анодного растворения является субмикроскопический рост трещины в условиях поочередного образования и разрушения защитных пленок в вершине трещины [6]. Так, при циклическом нагружении происходит генерирование активных участков за счет протекания пластической деформации материала в вершине трещины зачастую в каждом цикле нагружения, что обусловливает транскристаллитный характер разрушения. При этом интенсивность коррозионного субмикроскопического роста трещины по этому механизму зависит в значительной степени от времени репассивации ювенильной поверхности [7].
Известен механо-электрохимический механизм субмикроскопического роста трещины, по которому [6] чередуются электрохимическая и механическая стадии роста трещины. На первой стадии по фронту трещины идет локальная селективная коррозия с образованием питтингов, а на второй происходит разрыв перемычек между ними.
Водородное охрупчивание
Существующие модели водородной интенсификации роста трещин описаны в ряде монографий и обзоров [6,7], однако полностью механизмы водородного охрупчивания пока не установлены.
Согласно гипотезе молекулярного давления водорода, в полости или микротрещине при интенсивном катодном насыщении, а также при охлаждении насыщенного водородом металла возникает высокое давление водорода и соответственно высокие внутренние напряжения, соизмеримые по величине с напряжениями от внешней нагрузки (в рамках механики распространения микротрещин по Гриффитсу–Оровану). Атомарный водород в пересыщенном твердом растворе диффундирует в пустоты и трещины, образованные в процессе деформации, рекомбинирует там до молекулярной формы, создавая очень большое внутреннее давление. При этом происходит нестабильное растрескивание в вершине трещины.
По другой гипотезе предполагается снижение поверхностной энергии (эффект Ребиндера) из-за адсорбции водорода на внутренних поверхностях несплошностей. При этом водород может или диффундировать в металл, образуя хрупкую фазу в вершине трещины, или адсорбироваться в некоторой области перед вершиной треугольника, где напряжения и условия деформации особенно благоприятны для зарождения трещины.
Общепринятая точка зрения состоит в том, что предполагается ослабление сцепления атомов металла (межатомных связей) водородом, растворенным в кристаллической решетке. При этом по источнику образования водород может быть внутренним (попавшим в металл в результате предварительного электрохимического наводороживания или металлургического передела) или внешним (поступающим в металл из жидкой или газовой среды при совместном воздействии на металл нагрузки и среды), а по способу доставки его в зону предразрушения – дислокационным (водород захватывается и переносится движущимися дислокациями) или диффузионным (диффузия водорода в зону предразрушения под действием высокого градиента напряжений перед вершиной трещины).
Дислокационный способ более вероятен при коррозионном растрескивании в сравнительно пластичных сплавах, а также при циклическом напряжении, когда в пределах циклической пластической зоны имеет место движение дислокаций в каждом цикле нагружения.
Диффузионный же способ транспортировки водорода является контролирующим в случае высокопрочных низкопластичных сплавов, где дефектная неравновесная структура весьма благоприятна для водородного охрупчивания.
В отечественной и зарубежной литературе представлено огромное количество экспериментальных данных и предложен ряд гипотез, касающихся влияния коррозионной среды на изменение характеристик сопротивления усталости металлов и сплавов. Рассмотренные выше механизмы процесса коррозионной усталости действуют на всех этапах коррозионно-усталостного разрушения, но определяющими являются в основном в период до появления магистральных трещин.
Однако сведения по влиянию остаточной пластической деформации на сопротивление коррозионной усталости штампованных сталей ограничены и противоречивы [7].
Выводы
Анализ опубликованных данных позволяет сделать следующие вывод, что рассмотренные механизмы процесса коррозионной усталости действуют на всех этапах коррозионно-усталостного разрушения, но определяющими являются в основном в период до появления магистральных трещин. Существующие гипотезы хотя и позволяют определенным образом объяснить снижение сопротивления развитию трещин при воздействии агрессивных сред и циклического нагружения, однако не в состоянии теоретически предсказать эффект воздействия предварительного технологического пластического деформирования в процессе штамповки кузовных элементов автомобиля на изменение их коррозионной долговечности.
Поэтому, по литературным данным, не представляется возможным без предварительного эксперимента дать достаточно надежную оценку влияния коррозионной среды на циклическую долговечность и параметры процесса усталостного разрушения технологически обработанных материалов.
Список литературы
1. Пачурин Г.В. Эффект пластической обработки сталей и их сварных соединений // Коррозия: материалы, защита. – 2003. – № 3. – С. 6-9.
2. Пачурин Г.В. Долговечность штампованных конструкционных материалов на воздухе и в коррозионной среде // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. № 10. С. 21-27.
3. Пачурин Г.В. Долговечность на воздухе и в коррозионной среде деформированных сталей // Технология металлов. – 2004. – № 12. – С. 29-35.
4. Пачурин Г.В. Долговечность пластически деформированных коррозионно-стойких сталей // Вестник машиностроения. – 2012. – № 7. – С. 65-68.
5. Пачурин Г.В. Структурная повреждаемость и сопротивление усталости латуни Л63 // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 3-1. – С. 22-27.
6. Пачурин Г.В. К вопросу о гипотезах коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 3-1. – С. 28-34.
7. Пачурин Г.В. Коррозионная долговечность изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов: Учебное пособие. – 2-е изд., доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 160 с.
8. Пачурин Г.В. Структурная повреждаемость и сопротивление усталости технически чистой меди // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 2-2. – С. 22-27.
9. Пачурин Г.В. Сопротивление усталости при разных температурах отожженной и упрочненной меди М1 // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 3-2. – С. 81-88.
10. Пачурин Г.В. Кинетика усталостного разрушения некоторых цветных металлов и сплавов при разных температурах // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.
