Под влиянием коррозионной среды в конструкциях, содержащий трещиноподобный дефект, субкритический рост трещины может проис­ходить при значениях коэффициента интенсивности напряжений в ее вершине меньших К1с. Параметром, характеризующим статическую коррозионную трещиностойкость, является пороговое значение KI vcc, соответствующее той величине коэффициента интенсивности напря­жений Kj в вершине трещины, при котором трещина еще не развивается под статической нагрузкой в течение заданной базы испытаний.

Принято считать, что при значениях Kj > KIscc. начинается субкритический рост трещины (штриховые линии на рис. 13.2.1), вызы­вающий увеличение Kj вплоть до наступления нестабильности трещины при Kj = К1с. Скорость субкритического роста V = dl/dx трещины контролируется текущим значением Kj. Типичные графики зависимости V = /(Kj) показаны на рис. 13.2.2,о, б. Для аналитического описания этой зависимости предложено [238] использовать формулу следующего вида

V= V0 <*I — КЬ, с )" (Kfc — К1>’" (13-2Л>

где F„, и, т — постоянные, определяемые экспериментально. Например, для стали 40ХН в дистиллированной воде V0 = 4,53 • 10‘s м/с, и =0,21,

Рве. 13.2.1. Влияние начального значения К, на развитие разрушения в стали AISI4340 ори постоянной нагрузке в 3,5%-ном растворе NaCl

т = 1,14. Можно видеть, что при Kj > KjJcc трещины могут развиваться с высокими скоростями (более 10’6 м/с). Поэтому для многих конструк­ций стадию субкритического развития трещины нельзя рассматривать в качестве резерва работоспособности и при оценке их ресурса следует исходить из условия достижения в вершине трещины порогового значения КІ5С(.. В зависимости от свойств металла и коррозионной среды значения параметра KjJ(.c могут изменяться в широких пределах от десятых долей величины Ktс до значений близких к К1с.

Представление об изменении статической коррозионной трещино — стойкости с ростом прочности конструкционного материала дает систе­матизация большого объема экспериментальных данных на рис. 13.2.3 [266]. Несмотря на значительный разброс, можно отметить общую тенденцию — снижение величины KIscc с ростом уровня прочности. Нижняя граница коррозионной трещиностойкости составляет

4.. . 10 МПа /ми практически не зависит от типа среды (дистиллиро­ванная вода, 3%-ный раствор NaCl и вода, содержащая сероводород) (Рис. 13.2.4).

Уровень прочности сталей (по 2), ниже которого они становятся нечувствительными к статическому коррозионному растрескиванию, существенно зависит от типа среды. Он составляет для дистиллирован­ной воды = 1250 МПа, для раствора хлорида натрия = 850 МПа, для годы, содержащей сероводород, менее 500 МПа.

Несмотря на высокую коррозионную стойкость титановых сплавов, по критерию коррозионной трещиностойкости они уступают сталям. Наиболее низкие значения параметра KIscc имеют алюминиевые сплавы.

Судя по данным той же работы [266], можно предположить, что теплофизическое воздействие сварки может в значительной степени изменить трещиностойкость отдельных зон. Так, например, подкалка

Ьtec, НПа — Vm

Рис.13.2.3. Зависимость К,," — ст02 для испытанных в водных растворах хлорида’ натрия различных материалов:

1 — титановые сплавы; 2 — алюминиевые сплавы; 3 — умеренно легированные стали; 4 — мартенсигно-стареющие стали

околошовной зоны должна снижать величину K, Scc. Рост аустенитного зерна в зоне перегрева при сварке высокопрочной стали с мартенситной структурой может привести к некоторому повышению KIscC.

Применяя присадочный материал менее прочный, чем основной металл, можно получить сварные соединения, практически не уступаю­щие основному металлу по коррозионной трещиностойкости. Это видно из табл. 13.2.1, где приведены данные о трещиностойкости металла шва сварных соединений титанового сплава АТ-3 на воздухе и в 3%-ном растворе NaCl [232]. Основной металл имел с0 2 — 670 МПа, присадоч­ный металл (сплав 2В) — с02 = 529 МПа.

Как было сказано выше, локальное разрушение металла в вершин* трещины при наличии коррозионной среды обусловлено сложны* взаимодействием механических, сорбционных и электрохимический процессов. Неучет специфики такого взаимодействия может привести к нарушению условий инвариантности характеристик сопротивления разрушению, что затрудняет оценку трещиностойкости конструкции по результатам испытания образцов.

Кі$Се, НЛаГм

Рис. 13.2.4. Сравнительная оценка влияния дистиллированной воды (J), водного раствора хлорида натрия (2) водного раствора HXS (/ ) на трещииостойкость умеренно легированных сталей разной прочности 1267]

Одно из основных условий, способствующих страгиванию и развитию трещины — это сохранение условий плоской деформации в зоне вершины трещины. Соответственно и коррозионное растрескива­ние более интенсивно развивается на тех участках фронта трещины, где соблюдаются эти условия, т. е. в глубине металла, тогда как у поверхности развитие трещины идет менее интенсивно, в результате чего коррозионные трещины нередко развиваются подобно “туннелям” между губами среза. Поэтому при испытании образцов недостаточной толщины могут быть получены завышенные оценки коррозионной трещиностойкости.

Более интенсивное развитие коррозионного растрескивания в Условиях плоской деформации обусловливает специфические изменения кинетики роста поверхностных трещин. На рис. 13.2.5 представлены Результаты испытания при двухосном изгибе дисковых образцов из титанового сплава диаметром 1300 мм, толщиной 90 мм с диаметрально Расположенной полуэллиптической поверхностной трещиной. При значениях Kj < 51 МПа 4м коррозионное растрескивание отсутствовало.

Таблица 13.2.1

Результаты испытаний сварных соединений сплава АТ-3

Характеристика сварных соединений

кс,

МПа V м

^SCC’

МПа V м

Автоматическая сварка без разделки кромок, без присадки

82

78

То же, с присадкой 2В

78

71

Ручная сварка в щелевую разделку, с присадкой 2В

89

71

Ручная сварка с Х-образной разделкой, с присадкой 2В

85,5

78

Устойчивый рост коррозионной трещины наблюдали при Kj > 59 МПа V м. В диапазоне значений 51 < Kt < 59 МПа V м на поверхности образца наблюдалось некоторое увеличение длины трещины, затем появлялась утяжка и рост трещины прекращался. Отсюда следует, что при периоди­ческом чередовании статического и циклического нагружения может иметь место и смена вида растрескивания (усталостного и коррозион­ного), преимущественное развитие того или другого будут получать.

Рис. 13.2.5. Неустойчивый рост поверхностной трещины при коррозионном растрески­вании титанового сплава типа ВТ20 в 3%-пом растворе NaCl:

О — трещина не растет; О — начавшийся рост трещины прекращается; • устойчивый рост трещины

различные участки фронта трещины. Это предположение подтверждают результаты испытания дискового образца в коррозионной среде типа 3%-ного раствора NaCl. В ходе испытания циклическое нагружение чередовали с выдержкой образца под постоянной нагрузкой. Развитие разрушения контролировали визуально и методом акустической эмиссии с помощью прибора “АМУР-Д4”. Использование в этом приборе принципа триангуляции позволяло определять координаты источника акустической эмиссии.

На рис. 13.2.6 показаны отдельные контуры фронта трещины, полученные по фотографиям излома образца после испытания, и гистограммы сигналов акустической эмиссии. При циклическом нагру­жении (рис. 13.2.6,а) трещина развивалась равномерно и в длину, и в глубину. Форма исходного фронта трещины практически не изменялась, интенсивность сигналов акустической эмиссии оставалась приблизи­тельно одинаковой по всей длине трещины. После циклического нагружения образец оставили под постоянной нагрузкой. При этом характер гистограммы изменился (рис. 13.2.6,6) — наибольшую интенсив-

ность имели сигналы, идущие из центральной части фронта трещины, т. е. от участков, находящихся в условиях плоской деформации. После­дующее циклическое нагружение вызывает преимущественный рост трещины в длину, о чем свидетельствует большая интенсивность сигналов акустической эмиссии, идущих от концов трещины (рис. 13.2.6,в). Аналогичные изменения кинетики развития поверхностной трещины при смене режимов нагружения иллюстрирует рис. 13.2.6,г, д. Осмотр поверхностей излома после испытания показывает, что при коррозионном растрескивании трещина может развиваться в длину под поверхностью, образуя так называемый “язык”. В результате такого искривления фронта трещины в приповерхностной зоне видимый на поверхности рост трещины замедляется или вовсе прекращается, тогда как на участках фронта трещины вблизи малой полуоси, т. е. в направ­лении толщины, где сохраняются условия плоской деформации, корро­зионное растрескивание может продолжаться.

Рассмотренные особенности роста трещин в коррозионной среде нельзя не учитывать при оценке трещиностойкости конструкций. Смена участков фронта трещины, на которых происходит преимущественное развитие разрушения, хотя и вызывает ускорение субкригического роста отдельных участков фронта поверхностной трещины, однако общее продвижение этого фронта определяется совокупным действием ряда факторов. По-видимому, в качестве предельного состояния следует принимать не достижение Kj = KIscc, a Kj < К1с на контуре фронта поверхностной трещины, так как именно этот момент характеризует возможность наступления нестабильности поверхностной трещины и внезапного превращения ее в сквозную.

Другой причиной возможного нарушения инвариантности характе­ристик коррозионной трещиностойкости является ветвление трещины. Оно присуще практически всем материалам: сталям, титановым, алюми­ниевым сплавам [231, 183]. Различают микроветвление, когда отклоне­ние траектории роста трещины от магистрального направления соизме­римо с размером зерна, и макроветвление — образование боковых ветвей, отходящих от магистральной трещины на расстояние, значи­тельно превышающее размер зерна

Макроветвление уменьшается с уменьшением размера зерна и с переходом от плосконапряженного состояния к плоской деформации. Макроветвление на поверхности более развито, чем в глубине. Резуль­таты испытаний образцов из титановых сплавов показывают, что по мере снижения коррозионной трещиностойкости материала степень макроветвления возрастает.

Обычно при оценке величины Kj для коррозионной трещины исходят из допущения, что она прямая и острая. Очевидно, что ветвле­ние трещины приводит к снижению величины коэффициента интенсив­ности напряжений в ее вершине. Для того, чтобы учесть этот эффект [231], предложено определять эффективное значение К1эф путем введе­ния корректирующего множителя:

К1эф = аКг. (13.2.2)

Значение а определяют расчетным путем или экспериментально [266]. Помимо факторов, определяющих механические процессы разру­шения, на коррозионную трещиностойкость металла существенное влияние могут оказывать электрохимические условия в вершине трещи­ны. Установлено [165, 238], что по мере развития трещины электро­химическое состояние в вершине трещины, интегрально характери­зуемое водородным показателем pH и электродным потенциалом <р, непрерывно изменяется, причем, в зависимости от скорости роста трещины устанавливаются различные значения pH и <р. Например, если коррозионное растрескивание титанового сплава в 3%-ном растворе NaCl протекает со скоростью меньше 2 • ДО’3 мм/с, электродный потен­циал постепенно увеличивается и может достигать + 0,2…0,4 В (Н. В.Э), а раствор в полости трещины подкисляется до pH = 2,5…3. При скоростях роста трещины, превышающих 2 • ДО’3 мм/с, электродный потенциал достигает -0,8 В ( Н. В.Э), и в полости трещины наблюдается подщелачивание до pH = 9… 10 [165].

При испытании пассивирующихся металлов кинетика изменения электродного потенциала в процессе испытания может служить индика­тором начала коррозионного растрескивания и прекращения роста трещины. На рис. 13.2.7 показана синхронизированная во времени запись изменения электродного потенциала, длины трещины и интен-

Рнс. 13.2.7. Изменение длины трещины (I), электродного потенциала (2) н интенсив­ности акустической эмиссии (3) в процессе испытания титанового сплава ВТ20 на коррозионное растрескивание

сивности сигналов акустической эмиссии при Испытании компактного образца с усталостной трещиной на коррозионное растрескивание. Для того, чтобы проследить кинетику процессов, происходящих перед остановкой трещины, нагружение образца осуществляли путем раскли­нивания берегов трещины, в результате чего С ростом трещины коэффи­циент интенсивности напряжений в ее вершине постепенно убывал.

Сопоставляя между собой три графика, можно видеть, что макси­мум интенсивности сигналов акустической эмиссии, соответствующий наибольшему темпу роста трещины, практически совпадает по времени с наибольшим разблагораживанием электродного потенциала. Уменьше­ние темпа коррозионного растрескивания сопровождается уменьшением акустической эмиссии и резким смещением электродного потенциала к положительным значениям. Хаким образом, в случае разрушения пассивирующихся металлов кинетика электродного потенциала несет информацию об интенсивности протекания механических процессов на контуре трещины. Степень разблагораживания потенциала характери­зует в данном случае не столько абсолютный размер трещины, сколько темп его изменения. Так же как и сигналы акустической эмиссии, изменение электродного потенциала позволяет более четко фиксировать начало коррозионного растрескивания, чем визуальные наблюдения за развитием разрушения.

Зависимость электрохимической обстановки в вершине трещины от скорости разития разрушения позволяет предположить, что сопротив­ление страгиванию трещины должно отличаться от сопротивления ее развитию. Действительно, проведенные на сплаве типа ВТ20 исследова­ния показали, что пороговое значение KjSscc, соответствующее страгива­нию трещины, выше, чем значения К,^сс, соответствующие остановке движущейся трещины при постепенном уменьшении Kj (табл. 13.2.2).

Пороговые значения КЬсс для трех модификаций сплава
типа ВТ20, определенные различными методами

Таблица13.2.2

Модифи-

кация

Значения KIjcc (МПа V м ), определяемые

По страгиванию трещины

по остановке трещины

после предварительного циклического нагружения

А — 1

133

63

55

А — 2

128

73

58

А — 3

131

110

97

диалогичное снижение сопротивления коррозионному растрескиванию наблюдается и в том случае, когда при испытании на коррозионное растрескивание выдержке образца под статической нагрузкой предшест­вует его циклическое нагружение непосредственно в коррозионной среде [165]. В этом случае деформационная активация металла в вершине трещины усиливает электрохимическую гетерогенность, сдви­гает электродный потенциал, что в соответствии с общими представ­лениями коррозионной электрохимии напряженно-деформированного металла [246] должно снижать пороговое значение KIscc.