Образование эксплуатационных дефектов в сварных соединениях при воздействии статических нагрузок

Автор: А.В.Лупачёв, ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Виды воздействия на металл и образование дефектов

При эксплуатации машин и оборудования на их материалы действуют различные механические нагрузки и активные среды. Воздействие эксплуатационных нагрузок, влияние окружающей среды (температура, влажность, пары кислот, щелочей, агрессивных компонентов топлива и т.д.), фазовые и структурные превращения, протекающие во времени в условиях воздействия эксплуатационных факторов,  при неблагоприятных сочетаниях могут вызывать уменьшение рабочего сечения элементов конструкций при сплошной коррозии, зарождение и развитие эксплуатационных повреждений при местной коррозии (коррозионные язвы, питтинги, фреттинг-коррозия, трещины и др.). В табл. 1 приведены основные дефекты деталей, возникающие при статических и циклических нагрузках в нормальных условиях и при воздействии различных рабочих сред.

Таблица 1 — Повреждения материала при воздействии механических нагрузок, рабочих сред и температур

№	Виды воздействия на металл	Наименования дефектов
1	Статическое нагружение	Трещины однократного нагружения (хрупкие, вязкие) Трещины замедленного разрушения Коррозионное поражение металлов: коррозия под напряжением и коррозионное растрескивание Адсорбционное cнижение прочности Водородная хрупкость
2	Динамическое нагружение	Износ Трещины механической усталости Трещины коррозионной усталости Кавитационные разрушения Эрозия поверхности материала Выкрашивание Трещины контактной усталости
3	Термические нагрузки	Трещины термической усталости (малоцикловые и многоцикловые), недопустимые деформации, трещины
4	Радиационные повреждения	Изменение свойств и охрупчивание материала

Образование трещин однократного нагружения

Трещина однократного нагружения, как правило, образуется в материале деталей при воздействии на них нагрузок, превышающих прочность деталей.  Трещина называется трещиной вязкого разрушения, если предшествующая образованию трещины деформация происходила в объеме, соизмеримым с объемом детали, и со значительными затратами энергии. Если в зоне о6разования трещины отсутствуют видимые следы макропластической деформации, трещина называется хрупкой, на ее развитие затрачивается энергии меньше. Вязкие трещины имеют, как правило, внутризеренный характер распространения. Вязкая трещина ориентирована либо нормально  к направлению действия растягивающих напряжений, либо совпадает с направлением действия касательных напряжений. Хрупкое разрушение может иметь как внутризеренный, так и межзеренный характер,  приводя соответственно к  образованию металлического или зернистого излома. Хрупкие трещины  pacполагаются по поверхностям, перпендикулярным к направлению действия наибольших растягивающих напряжений. Возникновение и развитие трещины идет в несколько этапов:

1. образование микротрещины на атомарном уровне;
2. страгивание и рост трещины;
3. рост трещины до критических размеров;
4. быстрый рост трещины и разрушение металла.

Трещины замедленного разрушения

Замедленным (задержанным) разрушением принято называть хрупкое разрушение, наступающее с течением времени под воздействием статической нагрузки при напряжениях, меньших предела прочности (иногда ниже предела текучести) материала без влияния повышенной температуры и коррозионных активных сред.

К факторам, повышающим склонность материалов к замедленному разрушению, относят:

• наличие в них водорода;
• в закаленных сталях — закономерности мартенситного превращения, приводящего к возникновению в структуре стали остаточных микронапряжений;
• постепенное накопление дефектов структуры при вязком течении по границам зерен.

Возникновению трещин замедленного разрушения способствует наличие на поверхности детали хрупкого слоя, а также монтажные перекосы. Часто решающим фактором разрушения является действие внутренних растягивающих напряжении, возникающих при сварке, закалке, механической обработке и пр. При замедленном разрушении могут наблюдаться как множественные, так и единичные трещины. При этом виде разрушения характер трещин в существенной степени определяется классом и структурой материала. Так, алюминиевые сплавы замедленно разрушаются, как правило, по границам зерен; стали — часто по телу зерен или границам субзерен. Характер разрушения в значительной степени определяется и уровнем действующих напряжений. Так, в алюминиевых сплавах при относительно низком уровне напряжений, излом в зоне замедленного разрушения практически полностью межзеренный, при повышенных напряжениях — смешанный.

Повреждения при ползучести

Разрушением от ползучести называют разрушение деталей после пластического течения их материала под воздействием постоянного напряжения при относительно высоких температурах. Для ползучести является характерным множественное трещинообразование. При температуре примерно выше половины абсолютной температуры плавления материала характер разрушения изменяется. Материалы, которые деформировались ранее по типу вязкого транскристаллического сдвига, теперь могут разрушаться в результате разделения по границам зерен. Ниже указанной температуры области "граница зерен" служит эффективным барьером для движущихся дислокаций, но с началом возвратных процессов она способствует разрушению. Фактором, ограничивающим долговечность деталей, являются предельно допустимые деформации.

Таким образом, типичным для длительного высокотемпературного нагружения является межзеренное разрушение. Однако не исключено и внутризеренное разрушение, возможность которого определяется скоростью деформирования и температурой. С повышением температуры переход от внутризеренного разрушения к межзеренному смещается в область более высоких скоростей деформирования.

Большое влияние на характер разрушения оказывают размер зерен и их разнозернистость. Для материала с разнородным зерном характерно межзеренное разрушение и внутризеренное — по более крупным.

Среды, воздействующие на материалы и вызывающие или способствующие их разрушению, могут быть: коррозионно-активные; адсорбционно-активные; абразивно-активные; радиационно-активные. Как при статическом, так и при переменном нагружении металла особую опасность вызывает такой дефект, как коррозионное повреждение.

Коррозионные повреждения металлов

Коррозия металлов — это физико-химическое взаимодействие металлического материала и среды, приводящее к ухудшению эксплуатационных свойств материала, среды или технической системы.

Коррозионные процессы классифицируют:

• по механизму реакции взаимодействия металла со средой;
• по типу коррозионной среды;
• по виду коррозионных разрушений на поверхности или в объеме металла;
• пo характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

Механизм коррозии металла определяется типом агрессивной среды. В сухих окислительных газах при повышенных температурах на поверхности большинства конструкционных металлов образуется слой твердых продуктов коррозии (окалина). Скорость такой коррозии лимитируется диффузией ионов металла через слой окалины к границе слой-газ или окислителя к границе слой-металл.

Иной механизм имеет очень распространенная коррозия металлов в электролитических средах. В этом случае атом металла и частица окислителя непосредственно не контактируют и процесс включает две реакции: анодное  растворение металла и катодное восстановление окислителя. По типу коррозионной среды выделяют коррозию в природных средах: атмосферную, морскую, подземную, биокоррозию.

Еще более многообразны виды коррозии металлов в технических средах; различают коррозию в контактных (соприкосновение в электролите металлов, образующих замкнутый гальванический элемент), щелевую (в узких зазорах между деталями, куда может проникать электролит), щелочах, органических средах, расплавах солей и т.д.

Некоторые виды коррозионных разрушений сварных соединений и металла показаны на рис.1 и рис.2.

Рис. 1. Виды коррозионных разрушений сварных соединений: а — равномерная коррозия; б — сосредоточенная на шве; в — сосредоточенная в зоне термического влияния; г — преимущественно основного металла; д — межкристаллитная коррозия в зоне термического влияния; е — ножевая на участке сплавления; ж —  в сварном шве; з — точечная; и — коррозионное растрескивание

Рис. 2. Виды коррозии металлов: а — сплошная равномерная; б — сплошная неравномерная; в — структурно-избирательная; г — пятнами; д — язвами; е — точками (питтинговая); ж — подповерхностная; з — межкристаллитная

Коррозия, захватившая всю поверхность металла, называется сплошной. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинакова ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В реальных условиях опасность локальных коррозионных разрушений чаще всего выше опасности равномерной коррозии.

Причины локальной коррозии металлов разнообразны: различия в составе зерна металла в объеме и на границе, концентрация механических напряжении, микровключения, разная природа контактирующих металлов, диффузионная неравнодоступность участков поверхности и т.п. Участки поверхности металла, на которых наблюдается повышения значения анодного тока коррозии, могут быть макро- или макроскопическими. На первых возникает обычно контактная коррозия в месте соединения разнородных металлов, щелевая коррозия (внутрищелевая поверхность — анод, открытая — катод), на поздних стадиях — питтинговая коррозия; на вторых стадиях — межкристаллитная коррозия и на ранних стадиях — питтинговая коррозия. Рост коррозионных трещин в ряде случаев объясняется анодным процессом, локализованным в вершине трещины.

В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна, язвы (питтинг) и точки. Точечные поражения могут дать начало подповерхностной коррозии, распространяющейся в стороны под очень тонким, например, наклепанным слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится. Наиболее опасные виды местной коррозии — межкристаллитная (интеркристаллитная), которая, не разрушая зерен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зерна. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали (рис. 3) или конструкции (рис. 4).

Рис. 3. Коррозионное растрескивание поверхности детали

Близка к ним по характеру ножевая коррозия, словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва при эксплуатации некоторых сплавов в особо агрессивных растворах. Иногда специально выделяют поверхностную ножевидную коррозию, развивающуюся, например, под неметаллическими покрытиями, и послойную коррозию, идущую преимущественно в направлении пластической деформации. Специфична избирательная коррозия, при которой в сплаве могут избирательно растворяться отдельные компоненты твердых растворов. Особую группу образуют коррозионно-механические разрушення, в которую входят: коррозионное растрескивание, коррозионная yсталость,  фреттинг-коррозия, водородное охрупчивание, эрозионная коррозия, кавитационная коррозия.

Рис.  4. Коррозионное разрушение трубы

Скорость коррозии характеризуется качественными и количественными показателями. К первым относят: изменение внешнего вида поверхности металла; изменение его микроструктуры и др. Количественными показателями служат: время до появления первого коррозионного очага, число кoррoзионных очагов за определенный промежуток времени; уменьшение толщины металла, отнесенное к единице времени  и т.д.

Коррозионному  воздействию особенно подвержены холоднодеформированные области изделий, поэтому необходимо вернуть холоднодеформированный материал в исходное состояние с помощью термообработки, например, отпуска для снятия напряжений, не упуская из видy возможности протекания рекристаллизации.

Питтинги возникают главным образом в защитном слое (нанесенном или образовавшимся естественным образом) по местам различных дефектов (трещин от внутренних напряжений, пор, микровключений, выхода на поверхность границ зерен, дислокаций и т.д.). В зависимости от продолжительности питтинговой коррозии и других факторов глубина и поперечник питтинга могут  изменяться от мкм до см. Питтинги могут нарушать функционирование самых различных изделий — oт тонких мембран и проводников микросхем до толстостенных аппаратов, емкостей, труб. Среди причин коррозионных повреждений химического и энергитического оборудования доля питтинговой коррозии составляет от 15 % до 50 %. От питтингов часто развиваются коррозионные трещины.

Межкристаллитная коррозия — это преимущественное разрушение металла вдоль границ зерен.

При незначительных общих коррозионных потерях разрушение проникает на большую глубину и сопровождается снижением прочности и пластичности материала, что о конечном счете приводит к выходу из строя всей конструкции. Межкристаллитной коррозии подвержены многие сплавы на основе Fе (в т.ч. ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные и др. стали), Ni, А1 н другие материалы, имеющие, как правило, неоднородную структуру.

Межкристаллитная коррозия — электрохимический процесс, обусловленный тем, что твердый раствор может расслаиваться с образованием по границам зерен фаз, обогащенных каким-либо компонентом мaтeриала (так называемые избыточные фазы), а участки, непосредственно прилегающие к границам зерен, оказываются обедненные этим компонентом (обедненные зоны). Под действием той или иной агрессивной среды происходит избирательное анодное растворение либо самих избыточных фаз, либо соседних с ними обедненных зон.

Анализ случаев выхода из строя нефтехимического оборудования по причине межкристаллитной коррозии показал, что разрушение обычно происходит в сварных швах и по зоне термического влияния, иногда корродирует основной металл. Чаще всего межкристаллитные трещины начинают развиваться от непроваров и других дефектов сварки.

Стойкость материала против межкристаллитной коррозии повышают выбором режима термообработки, снижением содержания примесей, легированными элементами, предотвращающими образование нежелательных фаз по границам зерен.

Коррозионное растрескивание происходит при одновременном воздействии статических растягивающих напряжений (внешних и внутренних) и коррозионной среды. Подобно хрупкому разрушению, происходит практически без пластической деформации макрообъемов металла. Непременным условием такой кoppoзиии является локализация процесса на наиболее напряженных местах поверхности. Это могут быть трещины в защитных покрытиях, границы зерен, выходы дислокаций. В зависимости от особенностей структуры металла  и состава коррозионной среды коррозионное разветвление может быть меж- или транскристаллитным. В общем процессе развития коррозионной трещины (сильно разветвленной) различают инкубационный период (до появления зародышевой трещины), периоды развития трещины и хрупкого разрушения.

Следует различать коррозионное растрескивание под напряжением, требующее растягивающего напряжения, и межкристаллитную коррозию, которая происходит и в отсутствие напряжения.

Коррозионное растрескивание следует также отличать от разрушения в результате коррозионной усталости. Последний термин применим к растрескиванию металла, подвергающегося циклам повторного или знакопеременного напряжения в коррозионной среде.

Фреттинг-коррозия возникает в местах контакта плотно сжатых или катящихся одна но другой деталей, если в результате вибраций между их поверхностями возникают микроскопические смещения сдвига.

Механизм этого вида изнашивания следующий:

• пластическое деформирование микровыступов, повышение контактных температур, разрушение пленок оксидов, адгезионное схватывание поверхностей, срезание образовавшихся связей, усталостные явления. Разрушившиеся выступы быстро окисляются кислородом воздуха;
• инкубационное накопление усталостных повреждений, уменьшение скорости изнашивания вследствие адсорбции на продуктах изнашивания кислорода и влаги;
• поверхностно-усталостное разрушение.

Фреттинг-коррозия развивается на поверхностях сопряжении с натягом, контактных поверхностях шарнирных механизмов. При этом ослабляется натяг поверхностей или их заклинивание, если продукты изнашивания не выходят из зоны контакта.

Уменьшение или предотвращение фреттинг-коррозии достигается конструктивными или технологическими методами. Первое направление заключается в увеличении натяга в сопряжениях, использовании демпфирующих устройств, применении жидких и твердых смазочных материалов. Второе направление включает упрочнение поверхностей пластическим деформированием, термической, химико-термической обработкой, нанесение гальванических или полимерных покрытий.

Абсорбционное cнижение прочности

Сорбция — поглощение вещества из окружающей среды твердыми или жидкими телами. Поглощающее тело (поглотитель) наз. сорбентом, поглощаемое вещество — сорбатом, или сорбтивом. Различают следующие виды сорбции: абсорбция, адсорбция, хемосорбция и капиллярная конденсация.

Абсорбция — поглощение сорбата (точнее — абсорбата) всем объемом сорбента (абсорбента). При абсорбции молекулы абсорбата диффундируют через поверхность раздела фаз и распространяются по объему абсорбента, внедряясь между молекулами или узлами кристаллической решетки. Если абсорбент — жидкое тело, то абсорбция из газовой фазы тождественна растворению, а абсорбция из несмешивающейся жидкой фазы — экстракции. Поглощение газов металлами, а также некоторыми другими материалами называется окклюзией (абсорбцией).

Адсорбция — поглощение сорбата (точнее — адсорбата) поверхностью сорбента (адсорбента). При физической, т. е. не сопровождающейся химическими превращениями, адсорбции молекулы адсорбата удерживаются у поверхности силами межмолекулярного взаимодействия. Они образуют адсорбционный слой толщиной в одну (мономолекулярная адсорбция), две или несколько молекул (полимолекулярная адсорбция), сохраняя способность диффундировать вдоль поверхности и покидать ее вследствие теплового движения (десорбция). Энергия связи адсорбированных молекул с поверхностью адсорбента при физической адсорбции обычно составляет несколько ккал/мол. Одним из проявлений адсорбции является адсорбционное понижение прочности твердых тел (эффект Ребиндера), которое облегчает обработку металлов давлением и резанием, диспергирование твердых тел, бурение горных пород и т. п. Сорбционные процессы, протекающие при воздействии рабочих сред, часто влияют на эксплуатационные свойства конструкционных материалов, вызывая водородную хрупкость, коррозионную усталость, коррозионное растрескивание и др.

Хемосорбция — поглощение сорбата с образованием различных химических соединений в объеме или поверхности сорбента. Хемосорбция обычно сопровождается тепловым эффектом в несколько десятков, иногда в сто и более ккал/мол).

Капиллярная конденсация — конденсация пара в узких порах и микротрещинах твердого сорбента. При адсорбции в порах сорбента слой адсорбированного вещества образует вогнутый мениск, над которым давление насыщенного пара р_т ниже давления насыщенного нара над плоской поверхностью р_s. Поэтому при р_s >  р > р_т  поглощаемый пар конденсируется в порах сорбента, резко увеличивая его поглотительную способность (сорбционную емкость). Капиллярная конденсация происходит лишь при смачивании сорбента жидким конденсатом. В реальных сорбционных процессах различные механизмы сорбции обычно действуют одновременно, причем часто осложняются побочными явлениями.

Водородная хрупкость

Под влиянием растворенного водорода металлы могут настолько охрупчиваться, что уже при приложении малого растягивающего напряжения образуются трещины. Источниками поступления водорода могут являться термическая диссоциация воды при металлургических процессах (литье, сварка), диссоциация газов, коррозия, гальванические процессы и т.п. При диффузии водорода извне границы зерен оказываются наиболее благоприятными путями диффузии; они тем самым вносят преимущественный вклад в охрупчивание. Другими благоприятными путями проникновения водорода являются также поры и неметаллические включения. Водород может диссоциировать в результате хемосорбции на железе и служить источником его хрупкости.

Водород, обладая малым диаметром атома (иона), легко диффундирует в сталь на большие глубины, где он может взаимодействовать с углеродом и другими элементами, вызывая водородную коррозию. Разрушение, вызванное воздействием водорода, происходит интенсивнее под действием внешней медленно возрастающей или постоянной статической нагрузки (медленное разрушение); при наличии остаточных напряжений (усадочные напряжения и напряжения, связанные с превращениями); холодной деформации; увеличении прочности в результате закалки; низких температурах.

По отношению к исходному аустенитному зерну вызванное воздействием водорода разрушение стали может быть как межзеренным, так и внутризеренным.

Литература

1. Визуальный и измерительный контроль. Под ред. В.В.Клюева.- М.: РОНКТД, 1998.-249 с.
2. Дефекты стали. Справ. изд. / Под ред. Новокщеновой С.М., Винград М.И.- М.: Металлургия, 1984.- 19 с.
3. Кузменко И.М. Механика разрушения: Учеб. пособие.- Могилев: МГТУ, 2001.- 174 с.
4. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман, В.М.Матюнин и др.; Под ред. Г.П.Фетисова.- М.: Высш. шк., 2001.- 638 с.
5. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона.- М.: Машиностроение, 1996.- 576 с.
6. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И.В. Семеновой.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.- 336 с.
7. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / Е.Р.Хисматулин, Е.М.Королев, В.И.Лившиц и др.- М.: Машиностроение, 1990.- 384 с.
8. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П.А. Витязь, B.C. Ивашко, А.Ф. Ильюшенко и др. Минск: Беларуская навука, 1998.- 583 с.