При циклическом нагружении конструкции в коррозионной среде ее разрушению предшествует устойчивое подрастание трещины до критического размера. Анализ закономерностей этого процесса позво­ляет оценить ожидаемое изменение размеров дефекта в течение срока эксплуатации конструкции. Основой для такого анализа служит кинети­ческая диаграмма усталостного роста трещины.

На рис. 13.3.1 показаны три типичные диаграммы усталостного роста трещины в коррозионной среде (кривые /) в сопоставлении с аналогичной диаграммой роста трещины на воздухе (кривые 2). Можно видеть, что коррозионная среда ускоряет рост трещины, однако в зависимости от сочетания металл — среда влияние среды неоднозначно на различных участках диаграммы.

Рис.13.3.1. Типичные диаграммы усталостного роста трещины в коррозионной среде:

1 — в среде; 2 — на воздухе

По мнению автора работы [374], первый тип диаграммы характерен для системы алюминий—вода. Влияние окружающей среды является в этом случае результатом взаимодействия усталости и агрессивного воздействия среды.

Диаграммы второго типа характерны для тех случаев, когда рост трещины под действием окружающей среды непосредственно связан с выдержкой под постоянной нагрузкой без каких-либо особых эффектов взаимодействия.

Третий тип диаграммы характерен для большинства систем металл — среда.

Для изделий, эксплуатирующихся при многоцикловом нагружении, необходимо учитывать влияние коррозионной среды на пороговое значение циклической трещиностойкости К/Лс. В зависимости от воздействия среды оно может как уменьшать, так и увеличивать пороговое значение циклической трещиностойкости [268]. Например, за счет клинового эффекта продуктов коррозии усиливается влияние эффекта неполного закрытия трещины, в результате чего уменьшается эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений. Коррозионное затупление и ветвление трещины приводит к ослаблению напряженного состояния в вершине трещины.

Анализ большого объема экспериментальных данных позволил авторам работы [268] оценить степень влияния коррозионной среды на пороговую характеристику циклической трещиностойкости различных сталей и сплавов. В качестве характеристики степени влияния среды принято отношение (3/Л = Klhc / К,„ (где Klhc и К/Л соответствуют пороговым значениям К, в коррозионной среде и на воздухе).

На рис. 13.3.2 можно видеть, что для большинства сплавов (Зй < 1, т. е. коррозионная среда снижает циклическую трещиностойкость. Вместе с тем при испытании умеренно легированных сталей низкой прочности под влиянием среды наблюдается повышение Kthc.

С увеличением асимметрии нагружения величина Кйс умень­шается.

Для конструкций, работающих в области малоцикловой усталости, представляет интерес оценить влияние среды на Пэрисовский участок диаграммы усталостного разрушения. Как показывают эксперименты, степень влияния среды на скорость роста трещины в данном случае существенно зависит от уровня К, пт и сопротивления сплава коррози­онному растрескиванию. При KImax > KIscc значительно возрастает зависимость скорости роста трещины от частоты нагружения и формы цикла. Так, на рис. 13.3.3 видно, что для сплава ВТ20

(К, scc = 50 МПа V м ) можно наблюдать значительное увеличение скорости роста трещины как под влиянием наличия коррозионной среды, так и из-за увеличения продолжительности цикла. Напротив, для сплава ПТ-ЗВ, не склонного к коррозионному растрескиванию в

500 1000 1500 баг , МПа

Рнс.13.3.2. Влияние уровня прочности различных конструкционных материалов на коэффициент Рй, определяющий изменение Kg, под воздействием коррозионной среды [268]:

1 — алюминиевого сплава; 2 — мартенситных коррозионно-стойких сталей; 3 — титановых сплавов; 4 — умеренно легированных сталей

данном диапазоне значений Kj max, эти факторы существенного влияния не оказали.

По гипотезе Вэя-Лендиза [375] развитие разрушения можно рассматривать как сумму чисто механического (усталостного) роста трещины и роста трещины, вызванного коррозионными процессами (в частном случае — коррозионным растрескиванием). Скорость роста трещины определяется из следующего уравнения:

(13.3.1)

ВДе — = /[Kj (/)] при К, > KIscc.

Второй член уравнения учитывает вклад коррозионного растрески­вания в развитие разрушения на каждом цикле.

Количественное согласование результатов при использовании данного метода ограничено. Вместе с тем метод суперпозиций позво­ляет качественно проанализировать влияние на долговечность частоты нагружения, формы цикла, асимметрии нагружения, роль остаточных напряжений. Например, остаточные сварочные напряжения увеличи­вают вклад второго члена уравнения (13.3.1) в развитие разрушения за

счет того, что в течение каждого цикла нагружения возрастает длитель­ность периода, когда Kj > KIjcc. В материалах, склонных к коррозион­ному растрескиванию, под действием остаточных сварочных напряже­ний растяжения возможен рост трещины даже в том случае, когда цикл изменения внешней нагрузки имеет отрицательную асимметрию.

На рис. 13.3.4 представлены результаты испытания стали 15Х2НМФА на воздухе и в реакторной воде номинальных параметров [105].

Максимальное влияние среды проявляется при ДК, » 12,5 МПа V м. По| сравнению с испытаниями на воздухе с аналогичной асимметрией цикла; (Л — 0,7) скорость роста трещины в среде номинальных параметров^ возрастает на порядок. При больших и меньших ДК влияние среды| снижается. В данном случае определяющее влияние коррозионной среды на скорость роста трещины связывают с наводораживанием металла в процессе репассивации свежеобразованной поверхности в’ вершине трещины [62]. Поэтому рост трещины происходит главным:» образом в период увеличения нагрузки. Отсюда следует, что при — прогнозировании циклической трещиностойкости конструкций из*

Рис. 13.3.4. Диаграмма усталостного роста трещины в стали 15Х2НМФА на воздухе (1, 2) ив реакторной воде (3):

I-R = 0,1; 2, 3 — М = 0,7 [105]

металла, не склонного к коррозионному растрескиванию, время выдерж­ки под нагрузкой можно не учитывать, а к основным параметрам, определяющим его скорость, следует отнести: ДКГ, длительность периода возрастания нагрузки и коэффициент асимметрии цикла.

Для большинства сварных конструкций важным фактором, оказы­вающим влияние на циклическую коррозионную трещиностойкость, является коэффициент асимметрии цикла R. В водных средах скорость роста усталостных трещин в широком диапазоне AKj существенно увеличивается при высоких значениях R (рис. 13.3.5) в особенности для конструкций из металлов, склонных к коррозионному растрескиванию, т. к. в этом случае развитие разрушения возможно и при R = 1, т. е. при статическом нагружении.

Рис.13.3.5. Схематическое изображение Рис.13.3.6. Сравнение роста усталост — влияния частоты и коэффициента асим — ной трещины в основном металле (тем — метрии цикла нагружения [9] ные точки) и в сварном соединении,

полученном сваркой под флюсом, при испытании в среде водяного реактора высокого давления [9]

Электрохимические условия в вершине трещины существенно от­личаются от условий на поверхности [239, 263]. Вследствие этого роль коррозионных процессов на стадии развития разрушения может ока­заться значительной, а результаты воздействия коррозионной среды — неоднозначными. Так, исследования циклической трещиностойкости углеродистых и низколегированных сталей в среде номинальных пара­метров реакторов с кипящей водой [330], а также другие эксперименты позволили сделать вывод [263], что диаграммы усталостного роста трещины в коррозионной среде не являются инвариантными характе­ристиками трещиностойкости материала. Их параметры зависят от начальных условий нагружения, геометрии образца, длительности нагружения. Однако экспериментально установлено [240], что коррози­онную трещиностойкость материала в водных средах однозначно определяют конкретные сочетания значений коэффициента интенсив­ности напряжений, водородного показателя среды и электрохимичес­кого потенциала в вершине трещины.

Большой объем экспериментальных исследований, выполненных за рубежом для сварных сосудов высокого давления из реакторных сталей [9, 330], указывает на принципиальную возможность получения сварных швов, не уступающих по циклической трещиностойкости основному металлу (рис. 13.3.6).