Коррозионная усталость – это усталость в агрессивной среде. Это механическая деградация материала под совместным действием коррозии и циклического нагружения. Практически все инженерные конструкции в течение срока службы испытывают ту или иную переменную нагрузку и подвергаются воздействию вредных сред. Окружающая среда играет значительную роль в усталости высокопрочных конструкционных материалов, таких как сталь, алюминиевые и титановые сплавы. В соответствии с требованиями современной технологии разрабатываются материалы с высокой удельной прочностью . Однако их полезность во многом зависит от степени устойчивости к коррозионной усталости.
Влияние агрессивных сред на усталостное поведение металлов изучалось еще в 1930 году [1] .
Это явление не следует путать с коррозионным растрескиванием под напряжением , при котором коррозия (например, питтинговая коррозия) приводит к развитию хрупких трещин, росту и разрушению. Единственным требованием коррозионной усталости является то, чтобы образец находился под растягивающим напряжением.
Влияние коррозии на диаграмму SN гладкого образца схематически показано справа. Кривая А показывает усталостное поведение материала, испытанного на воздухе. Порог (или предел) усталости виден на кривой А, соответствующей горизонтальной части кривой. Кривые B и C представляют усталостное поведение одного и того же материала в двух агрессивных средах. На кривой B усталостное разрушение при высоких уровнях напряжения замедляется и предел выносливости устраняется. На кривой C вся кривая смещена влево; это свидетельствует об общем снижении усталостной прочности, ускорении наступления при более высоких напряжениях и устранении предела выносливости.
Чтобы удовлетворить потребности развивающихся технологий, более прочные материалы разрабатываются путем термической обработки или легирования . Такие высокопрочные материалы обычно имеют более высокие пределы выносливости и могут использоваться при более высоких уровнях эксплуатационных напряжений даже при усталостной нагрузке. Однако наличие коррозионной среды при усталостном нагружении нивелирует это преимущество по напряжению, поскольку предел выносливости становится практически нечувствительным к уровню прочности для конкретной группы сплавов. [2] Этот эффект схематически показан для нескольких сталей на диаграмме слева, которая иллюстрирует ослабляющее воздействие агрессивной среды на функциональность высокопрочных материалов при усталости.
Коррозионная усталость в водных средах является электрохимическим явлением. Переломы инициируются либо ямками, либо постоянными полосами скольжения . [3] Коррозионную усталость можно снизить за счет добавок в сплавы, ингибирования и катодной защиты, которые уменьшают точечную коррозию. [4] Поскольку коррозионно-усталостные трещины возникают на поверхности металла, было обнаружено, что обработка поверхности, такая как гальваническое покрытие, плакирование, азотирование и дробеструйная обработка, улучшает устойчивость материалов к этому явлению. [5]
При обычных испытаниях на усталость гладких образцов около 90 процентов тратится на зарождение трещин и только оставшиеся 10 процентов на распространение трещин. Однако при коррозионной усталости зарождению трещин способствует коррозия; обычно для этой стадии достаточно около 10 процентов жизни. Остальная часть жизни (90 процентов) тратится на распространение трещин. Таким образом, более полезно оценить поведение распространения трещин во время коррозионной усталости.
В механике разрушения используются предварительно растрескавшиеся образцы, что позволяет эффективно измерять поведение распространения трещин. По этой причине особое внимание уделяется измерениям скорости распространения трещин (с использованием механики разрушения) для изучения коррозионной усталости. Поскольку усталостная трещина стабильно растет ниже критического коэффициента интенсивности напряжений для разрушения (вязкости разрушения), этот процесс называется докритическим ростом трещины.
Диаграмма справа показывает типичное поведение роста усталостных трещин. На этом логарифмическом графике скорость распространения трещин представлена в зависимости от диапазона приложенной интенсивности напряжения. Обычно существует пороговый диапазон интенсивности напряжений, ниже которого скорость распространения трещины незначительна. На этом графике можно представить три этапа. Вблизи порога скорость распространения трещины увеличивается с увеличением диапазона интенсивности напряжений. Во второй области кривая почти линейна и подчиняется закону Пэрис (6); В [6] в третьей области скорость распространения трещины быстро возрастает, причем диапазон интенсивности напряжений приводит к разрушению при значении вязкости разрушения.
Распространение трещин при коррозионной усталости можно классифицировать как а) истинную коррозионную усталость, б) коррозионную усталость под напряжением или в) комбинацию истинной, стрессовой и коррозионной усталости.
При истинной коррозионной усталости скорость роста усталостных трещин увеличивается из-за коррозии; этот эффект наблюдается во всех трех областях диаграммы скорости роста усталостной трещины. Диаграмма слева представляет собой схематическое изображение скорости роста трещин при истинной коррозионной усталости; кривая смещается в область меньших значений коэффициента интенсивности напряжений в агрессивной среде. Порог ниже (а скорости роста трещин выше) при всех факторах интенсивности напряжений. Разрушение образца происходит, когда диапазон коэффициента интенсивности напряжений равен применимому пороговому коэффициенту интенсивности напряжений для коррозионного растрескивания под напряжением.
При попытке проанализировать влияние коррозионной усталости на рост трещин в конкретной среде как тип коррозии, так и уровни усталостной нагрузки влияют на рост трещин в разной степени. К распространенным видам коррозии относятся нитевидная , питтинговая , расслаивающая, межкристаллитная; каждый из них по-разному влияет на рост трещин в конкретном материале. Например, питтинговая коррозия часто является наиболее разрушительным типом коррозии, ухудшая характеристики материала (за счет увеличения скорости роста трещин) больше, чем любой другой вид коррозии; даже ямы размером с размер зерна материала могут существенно ухудшить материал. Степень влияния коррозии на скорость роста трещин также зависит от уровня усталостной нагрузки; например, коррозия может вызвать большее увеличение скорости роста трещин при низких нагрузках, чем при высоких. [7]
В материалах, где максимальный коэффициент интенсивности приложенного напряжения превышает пороговое значение коррозионного растрескивания, коррозия под напряжением увеличивает скорость роста трещин. Это показано на схеме справа. В агрессивной среде рост трещины происходит за счет циклического нагружения в меньшем диапазоне интенсивности напряжений; выше пороговой интенсивности напряжения для коррозионного растрескивания под напряжением происходит дополнительный рост трещин (красная линия) из-за SCC. Области с более низкой интенсивностью напряжений не затрагиваются, а пороговый диапазон интенсивности напряжений для распространения усталостных трещин не изменяется в агрессивной среде. В наиболее общем случае рост коррозионно-усталостных трещин может проявлять оба вышеперечисленных эффекта; Поведение трещины представлено на схеме слева.
