Коррозионное растрескивание » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Коррозионное растрескивание

16.06.2021

При совместном воздействии постоянного растягивающего напряжения и определенной коррозионной среды разрушение деталей из некоторых алюминиевых сплавов происходит в результате коррозионного растрескивания (KP). При очень высокой склонности к коррозии этого типа разрушение деталей толщиной 13 мм может произойти за короткий промежуток времени, исчисляемый сутками. К KP чувствительны сплавы систем Al-Cu-Mg (2ХХХ) и Al-Mg (5XXX) при содержании свыше 3 % Mg, а также Al-Zn-Mg-Cu сплавы (7ХХХ). В очень редких случаях KP происходит в сплавах системы Al-Mg-Si (6ХХХ). Алюминий промышленной чистоты, Al-Mn сплавы (3ХХХ) или Al-Mg сплавы с содержанием менее 3 % Mg не склонны к коррозии под напряжением. В табл. 7.2 представлены обобщенные данные о сопротивлении KP промышленных деформируемых алюминиевых сплавов.

Если напряжения действуют в продольном или поперечном направлении, то коррозионное растрескивание может происходить при их величинах, близких к пределу текучести. Если же они действуют в высотном направлении, например перпендикулярно плоскости разъема штамповки, KP может происходить при их более низком уровне. Склонность к KP усиливается в агрессивной среде, содержащей ионы хлора, однако при очень высокой склонности материала к KP достаточной для разрушения оказывается влажная атмосфера.

Склонность алюминиевых сплавов к KP зависит от микроструктуры. На сопротивление KP сплавов, чувствительных к этому виду разрушения существенно влияет технология изготовления. Обычно характер разрушения межкристаллитный, причем в процессе участвуют активные выделения по границам зерен. Недавно установлено, что важную роль в KP играет водородное охрупчивание, обусловленное коррозионными реакциями в локальных ячейках на границах зерен, что особенно важно для сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu и Al-Mg.

Краткий исторический обзор. Первые случаи разрушения алюминиевых сплавов при KP были зафиксированы в начале 30-х г. Большая часть этих случаев была связана со сплавами системы Al-Cu-Mg (2ХХХ), применявшимися в самолетных конструкциях. Анализу этих разрушений был посвящен ряд исследований. Указанные сплавы были склонны к межкристаллитной коррозии после старения на максимальную прочность и очень чувствительны к KP. Впоследствиии эти сплавы были заменены более коррозионностойкими, такими как 2014, 2024 и 2124.

В настоящее время большинство широко применяемых высокопрочных алюминиевых сплавов не склонно к KP в эксплуатации в определенном состоянии после термической обработки, однако при некоторых особых обстоятельствах в них может проявляться чувствительность к KP. В частности, растягивающие напряжения, действующие в высотном направлении, должны быть минимально возможными. Это можно учесть при проектировании конструкции и таким образом избежать опасности коррозионного растрескивания или уменьшить ее. В последние годы появилось много публикаций, в которых подробно рассмотрены необходимые принципы проектирования. В следующем разделе описаны наиболее важные металлургические и технологические факторы, определяющие чувствительность алюминиевых сплавов к KP.

Механизм коррозионного растрескивания. Поскольку в большинстве алюминиевых сплавов разрушение при KP обычно имеет межкристаллитный характер, определяющую роль в чувствительности к KP играют выделения по границам зерен. В термически упрочняемых сплавах избирательный распад по границам зерен может быть результатом слишком медленного охлаждения при закалке или неправильно подобранного режима искусственного старения. В термически неупрочняемых Al-Mg сплавах распад по границам зерен происходит при умеренно повышенных температурах. Во всех деформируемых сплавах максимальная чувствительность к KP наблюдается в плоскости наибольшей протяженности границ зерен. На рис. 7.4 показана такая коррозионная трещина, распространяющаяся вдоль границ зерен. Для катаных полуфабрикатов (листов и плит) такая картина имеет место в случае, когда приложенное напряжение действует перпендикулярно плоскости прокатки, а трещина развивается в плоскости прокатки. В поковках (штамповках) и прессованных полуфабрикатах, которые имеют более сложную макроструктуру и в которых часто трудно определить истинное направление, максимальная склонность к KP наблюдается в случае, когда приложенное напряжение перпендикулярно двум основным направлениям волокна металла, а при этом трещина развивается в плоскости течения металла.

Вследствие ориентационной зависимости чувствительности алюминиевых сплавов в KP следует избегать напряжений в наиболее неблагополучном направлении. Остаточные напряжения даже в большей мере, чем эксплуатационные, обусловливают коррозионное растрескивание из-за недооценки их при проектировании. Снижение напряжений в высотном направлении до минимума значительно уменьшает вероятность KP у сплавов, склонных к такому разрушению.

На протяжении многих лет KP алюминиевых сплавов рассматривали как электрохимический процесс.

В 60-х гг., было установлено, что водородное охрупчивание по границам зерен играет главную роль в процессе KP высокопрочных сталей и титана. Однако в работах, опубликованных в 1974 г., было показано, что при катодной защите на уровне -1,5 В по каломельному насыщенному электроду водород не способен проникать в сплав 7075 с такой скоростью, какая необходима для водородного охрупчивания; при изменении уровня катодной защиты до -2,0 В скорость проникновения водорода значительно возрастает, и в этом случае происходит водородное охрупчивание. Позднее было установлено, что атомарный водород абсорбируется алюминием и вызывает охрупчивание некоторых алюминиевых сплавов. В работах подтверждена роль водорода в KP сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. В 1980 г. было обнаружено, что в Al-Mg сплаве при выдержке во влажной атмосфере образуется гидрид магния. В работе установлено, что изменение склонности к KP у Al-Zn-Mg сплавов может быть связано с содержанием магния в поверхностной оксидной пленке, которая влияет на диффузию водорода в металл. В то время как коррозионное растрескивание Al-Cu-Mg сплавов рассматривается как простое растворение локальных ячеек по границам зерен в присутствии растягивающих напряжений, недавно полученные результаты позволяют предположить, что KP в Al-Mg и Al-Zn-Mg-Cu сплавах фактически связано с водородным охрупчиванием в результате скопления водорода в вершине трещины.

Сплавы системы Al-Cu-Mg (серия 2ХХХ). Сплавы этой серии упрочняются в основном закалкой и старением; часто для повышения прочности в эти сплавы вводят добавки кремния и марганца. Максимальное упрочнение достигается при содержании меди от 4 до 6 % в зависимости от влияния других элементов, присутствующих в сплаве. После нагрева под закалку и охлаждения с этой температуры сплавы указанной системы упрочняются либо естественным старением (при комнатной температуре) до состояния Т3 или Т4, либо искусственным старением (при повышенных температурах) до состояний Т6 и Т8. На последовательных стадиях старения по границам зерен образуются выделения промежуточного строения. В процессе старения происходит также образование выделений равновесных фаз CuAl2 или Al2CuMg по границам зерен, вследствие чего создаются приграничные участки обедненного твердого раствора. Склонность сплава к межкристаллитной коррозии и к коррозионному растрескиванию зависит от разности электродных потенциалов между граничными выделениями, обедненным твердым раствором и телом зерна.

Наиболее широко применяемыми сплавами этой системы являются 2014 и 2024. Оба сплава легированы магнием и марганцем; в сплав 2014 вводится кремний для повышения склонности к старению. Два других сплава, также применяемых в больших количествах, — это 2011, сплав системы Al-Cu-Bi-Pb, хорошо обрабатывающийся резанием, и сплав 2219 системы Al-Cu-Mn-Zr-V, отличающийся хорошей свариваемостью. Склонность этих сплавов к KP после естественного старения сильно зависит от скорости охлаждения при закалке. На рис. 7.5 показано увеличение сопротивления KP и межкристаллитной коррозии в закаленном состоянии с возрастанием скорости охлаждения при закалке. Несмотря на то что умеренная склонность к межкристаллитной коррозии естественно состаренного материала указывает на чувствительность к KP, искусственно состаренный материал при наличии межкристаллитной коррозии может обладать высоким сопротивлением KP.

Сплавы системы Al-Cu-Mg в естественно состаренном состоянии имеют умеренное сопротивление KP. Указанные сплавы часто применяют именно в этом состоянии благодаря относительно высокой пластичности и вязкости разрушения. Сопротивление KP вначале значительно снижается после коротких выдержек при искусственном старении, а затем повышается и по завершении старения становится таким же или выше, чем у сшивов после естественного старения (рис. 7.6). Это объясняется тем, что при окончании формирования выделений по границам зерен количество меди в твердом растворе уменьшается, вследствие чего снижается разность электродных потенциалов между телом зерна и обедненными медью приграничными зонами.

Сплавы системы Al-Mg (5ХХХ). В отличие от Al-Cu-Mg сплавов в Al-Mg сплавах не происходит значительного повышения прочности в результате дисперсионного твердения. Эти сплавы часто применяют в нагартованных состояниях (состояния Н). Однако избирательный распад твердого раствора с образованием выделений по границам зерен наблюдается после длительного естественного старения или кратковременного нагрева при повышенных температурах, в результате чего сплавы приобретают чувствительность к коррозионному растрескиванию. Как правило, это касается сплавов 5182, 5083, 5086, 5154, 5356 и 5456, в которых содержание магния превышает 3 %. Процесс образования выделений идет медленно при комнатной температуре, но предварительная холодная деформация или нагрев при повышенных температурах значительно ускоряют его Выделения в-фазы (Mg2Al3), образующиеся в процессе распада, являются сильным анодом по отношению к Al — Mg матрице, поэтому при наличии анодных участков в виде выделений в-фазы, располагающихся по границам зерен, материал становится чувствительным к KP.

Обычно наиболее неблагоприятные структурные изменения в сильно-нагартованном материале происходят при комнатной температуре спустя несколько лет или после продолжительной выдержки при относительно высоких температурах (от 66 до 180 °C), что показано на рис. 7.7. Нагрев при более высоких температурах вызывает укрупнение выделений и образование непрерывных цепочек из них по границам зерен, при этом чувствительность к KP уменьшается или вообще отсутствует.

Сплавы системы Al-Mg-Si (6ХХХ). Эти термически упрочняемые сплавы средней прочности обычно имеют прекрасное сопротивление KP. Эти сплавы при старении упрочняются за счет образования выделений Mg2Si. В наиболее широко распространенном сплаве этой системы (6061) магний и кремний содержатся в стехиометрическом соотношении в количествах, необходимых для образования Mg2Si. В другие сплавы вводится избыток кремния для повышения прочностных свойств, но при этом повышается чувствительность сплавов к KP, если неправильно выбирают режимы термической обработки. Случаи разрушения сплавов серии 6ХХХ в эксплуатации в результате коррозионного растрескивания встречаются редко, несмотря на то, что эти сплавы в состояниях Т4 и Т6 могут быть подвержены межкристаллитной коррозии. Вместе с тем при лабораторных испытаниях на KP естественно состаренных образцов сплава 6061-Т4 после закалки с температуры, выше установленной для этого сплава, с последующим медленным охлаждением имели место случаи разрушения. Такая чувствительность к KP может быть уменьшена применением старения до состояния Т6. Как правило, коррозионное растрескивание можно предотвратить, если температура нагрева под закалку не превышает рекомендованную для данного сплава, при этом следует избегать медленного охлаждения при закалке.

Сплавы систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu (7ХХХ). Сплавы серии 7ХХХ делятся на три класса:

1) двойные Al — Zn сплавы, используемые для плакировки;

2) сплавы средней прочности системы Al-Zn-Mg, содержание меди в которых менее 1 %;

3) высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, применяемые в авиакосмической промышленности.

Сплавы средней прочности и высокопрочные сплавы упрочняются посредством термической обработки: нагрева под закалку с последующим охлаждением и искусственным старением, представляющим собой сложную последовательность процессов, конечной стадией которой является образование стабильных выделений MgZn2 и Mg3Zn3Al2. В некоторые сплавы для повышения прочности вводят до 3 % Cu, однако содержание меди должно быть ограниченно, если желательно, чтобы сплав был свариваемым и обладал удовлетворительной общей коррозионной стойкостью. Небольшие добавки марганца, хрома и циркония играют роль антирекристаллизатора и способствуют сохранению текстуры деформации в деформируемых полуфабрикатах. Последнее очень желательно с точки зрения сопротивления KP, поскольку развитие межкристаллитного разрушения при коррозионном растрескивании крайне затруднено в направлении, перпендикулярном сильновытянутым зернам с большой протяженностью границ.

Высокопрочные сплавы, легированные медью (7049, 7050, 7178 и 7075), в недостаренном состоянии и после старения до максимума прочности (Т6) очень чувствительны к коррозионному растрескиванию в высотном направлении. Это ограничивает применение сплавов в состоянии Т6 только конструкциями, где приложенные напряжения не действуют в высотном направлении. Для уменьшения склонности к коррозионному растрескиванию применяют перестаривание при некоторой потере прочностных свойств. Разработано несколько режимов получения перестаренного состояния (Т7), обеспечивающего уровень прочности в определенном интервале при соответствующей стойкости против KP (рис. 7.8). У сплавов, состаренных до максимума прочности, быстрое охлаждение при закалке повышает сопротивление коррозионному растрескиванию. Чувствительность к KP указанных высокопрочных сплавов зависит от содержания меди и отношения содержания цинка к содержанию магния, а также от количества циркония, хрома и марганца в сплаве. Наиболее широко из этой группы сплавов применяется сплав 7075; при медленном охлаждении от температуры нагрева под закалку он обладает низким сопротивлением коррозионному растрескиванию. Повышение сопротивления KP в массивных сечениях достигнуто благодаря разработке сплавов 7049 и 7050 с увеличенным отношением цинка к магнию и добавкой циркония для уменьшения склонности сплава 7050 к KP при медленном охлаждении при закалке. Однако повышение отношения Zn:Mg сверх 3 неблагоприятно влияет на сопротивление KP.

Сплавы серии 7ХХХ средней прочности с добавками меди или без них разработаны как материалы общеконструкционного назначения. Плиты для брони из более прочного свариваемого сплава без меди (7039) имеют низкое сопротивление коррозионному растрескиванию в высотном направлении. Сообщается об их успешном использовании в условиях контролируемых напряжений в этом направлении. У сплава 7021, содержащего < 0,25 % Cu, в форме листов сопротивление KP повышено благодаря введению циркония, препятствующего рекристаллизации. Максимальное сопротивление коррозионному растрескиванию у сплавов средней прочности достигается при отношении содержания цинка к магнию, равном примерно 2,7. Сплавы 7016 и 7029 с более высоким содержанием меди (-0,5—1 %) высоко технологичны при формообразовании и имеют хорошую поверхность в прессованных полуфабрикатах; эти сплавы используют в автомобильной промышленности. Максимальное сопротивление коррозионному растрескиванию достигается при деформации непосредственно после закалки (W) в сочетании с последующим двухступенчатым старением. Однако эти сплавы рекристаллизуются в процессе прессования, поэтому они все-таки могут быть подвержены коррозионному растрескиванию.

Испытания алюминиевых сплавов на склонность к коррозионному растрескиванию проводят по стандартным методикам. Результаты многочисленных исследований описаны в работах. В работе предложен новый метод ускоренных испытаний.

Коррозионная усталость. Усталостное разрушение металла имеет чисто физический механизм и является результатом многократного воздействия циклических напряжений. При увеличении амплитуды напряжений долговечность образцов уменьшается. Типичная кривая усталости металла (зависимость числа циклов N от величины приложенного напряжения о) приведена на рис. 7.9 (кривая А); она по строена в логарифмической шкале по оси абсцисс. Кривая вначале имеет ниспадающий характер, а затем выходит на горизонталь; напряжение, ниже уровня которого не происходит разрушения при определенном числе циклов, называется ограниченным пределом выносливости.

При воздействии коррозионноактивной среды кривая усталости (в данном случае — коррозионной усталости) располагается ниже кривой А (кривая Б, рис. 7.9). Таким образом, коррозионная усталость — явление разрушения при одновременном воздействии циклических напряжений и коррозионной среды. В этом случае угол наклона кривой O-N уменьшается (с увеличением базы испытаний усталостная прочность снижается) и на ней отсутствует горизонтальный участок. Необходимо установить максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при определенном числе циклов нагружения заданной частоты и амплитуды в коррозионной среде. Процесс коррозионной усталости протекает быстрее, чем мог бы происходить при раздельном влиянии циклического нагружения и коррозии.

Обычное усталостное разрушение и разрушение при коррозионной усталости можно различить по характерным "устричным раковинам" на поверхности усталостного излома (рис. 7.10) и хрупкому характеру разрушения. Визуальный осмотр поверхностей изломов часто не позволяет обнаружить разницу между коррозионноусталостным и обычным усталостным разрушением.

Испытания на усталость проводят в условиях окружающей атмосферы на специальных лабораторных установках, где металлический образец определенной формы подвергается воздействию переменных напряжений при разных видах нагружения: при осевом нагружении, при кручении или знакопеременном изгибе. При определении предела выносливости гладких полированных образцов при изгибе с вращением на машине Мура за базу испытаний принимают 5*10в8 циклов. Для листовых образцов предел выносливости обычно определяют при знакопеременном изгибе на машине Краузе на базе 5*10в7 циклов.

Испытания на коррозионную усталость проводят на тех же установках, но образец при этом подвергают воздействию коррозионной среды. С этой целью его либо опрыскивают или орошают каплями, что создает атмосферу тумана в испытательной камере, либо полностью погружают в раствор. В качестве коррозионной среды наиболее часто используют дистиллированную или деминерализованную воду, водопроводную воду и солевые растворы (включая естественную или специально приготовленную морскую воду). Корреляция данных, полученных при испытаниях на коррозионную усталость в лабораторных условиях, с результатами эксплуатации материала в реальных условиях затруднена из-за сложности воспроизведения коррозионной среды. Для безопасной работы конструкции испытания материала на коррозионную усталость следует проводить перед изготовлением изделий и при этом применять такой спектр нагрузок и такую коррозионную среду, которые бы наиболее полно имитировали условия эксплуатации.

Алюминиевые сплавы, как и многие стали, имеют относительно низкий предел коррозионной усталости, равный почти 1/2 предела усталости при испытаниях на воздухе и 1/4 исходного временного сопротивления разрушению при растяжении. Как это ни удивительно, но на величину предела коррозионной усталости незначительно влияют различия в режимах термической обработки даже в случае сплавов систем Al-Cu-Mg (2ХХХ), Al-Mg-Si (6ХХХ) и Al-Zn-Mg-Cu (7ХХХ). Разрушение алюминиевых сплавов при коррозионной усталости имеет транскристаллитный характер, и этим оно отличается от межкристаллитного коррозионного растрескивания. Локализованные поражения поверхности алюминия (питтинги, межкристаллитная коррозия) служат концентраторами напряжений и сильно снижают долговечность.

При испытаниях на воздухе величина относительной влажности не оказывает существенного влияния на коррозионную усталость алюминиевых сплавов. Однако при очень низкой относительной влажности (< 5 %) долговечность увеличивается. Лабораторными испытаниями на коррозионную усталость установлено, что при наличии влаги на поверхности образца долговечность значительно снижается. Существенной разницы в значениях предела коррозионной усталости при испытаниях в деминерализованной воде, жесткой водопроводной воде или солевых растворах не обнаружено. Это удивительный факт, поскольку при испытаниях на обычную коррозионную стойкость поведение алюминия очень различно в этих средах.

Число исследований, касающихся влияния металлургических факторов на коррозионную усталость, ограниченно. Это не позволяет предполагать, что сплавы с высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию должны иметь также высокую коррозионную усталость. Однако известно положительное влияние меди на сопротивление коррозионному растрескиванию сплавов серии 7ХХХ; повышенное содержание меди в этих сплавах также увеличивает сопротивление коррозионной усталости. И хотя долговечность образцов сплава 7075-Т6 при испытаниях на воздухе выше, чем образцов сплава 7075-Т73, она практически одинакова при коррозионноусталостных испытаниях в среде 0,5 н. раствора NaCl. Это указывает на несколько большую чувствительность материала в состоянии Т6 к воздействию среды; однако влияние коррозионной среды в любом случае очень важно.

Поверхностный наклеп повышает усталостную долговечность материала, а также, по-видимому, увеличивает сопротивление коррозионной усталости. Однако следует обращать внимание на то, чтобы слишком сильный наклеп поверхности не вызвал чрезмерной пластической деформации, которая может привести к склонности к расслаивающей коррозии или коррозионному растрескиванию. Защитные покрытия на поверхности также положительно влияют на сопротивление коррозионной усталости. Сварка снижает долговечность как при испытаниях на воздухе, так и в коррозионной среде, но наклеп поверхности после сварки повышает предел коррозионной усталости. Лакокрасочные покрытия также увеличивают коррозионноусталостную прочность, а наибольшая долговечность сварных образцов при испытаниях на коррозионную усталость достигается нанесением лакокрасочных покрытий, что показано на диаграммах рис. 7.11. Результаты испытаний на коррозионную усталость сплавов систем Al-Mg, Al-Mg-Si и сплава 7075-Т6 опубликованы Такеучи. Сплавы серий 2ХХХ и 7ХХХ исследованы Колем и Пейном, а также Лорковичем, сплав 6061-Т6 — Бифером, Al-Zn-Mg-Cu сплав — авторами работы. В работах сообщается об исследовании влияния катодной защитны на сопротивление коррозионной усталости. В работе приводятся сведения о разработке ингибитора коррозионной усталости для высокопрочных алюминиевых сплавов, Некоторые руководящие указания по выбору сплавов с учетом коррозионной усталости изложены в работе.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: