Математическое моделирование роста трещин коррозионной усталости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

СОДЕРЖАНИЕЛ

ПРЕДИСЛОВИЕ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------.

1.1. ВВДЫ коррозионно-механического разрушения материалов.

1.2 рост трещин при постоянном нагружении.

1.3 коррозионная усталость.

1.4 Оценка надежности и ресурса конструкций.

1.5 Теория роста усталостных трещин В.В. Болотина.

1.6 Цель диссертации.

2. УЧЕТ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В МЕХАНИКЕ РОСТА ТРЕЩИН

2.1. Постановка задачи.

2.2. Учет взаимодействия механических факторов с факторами окружающей среды при росте усталостных трещин.

2.3. Модель проникновения активного агента внутрь трещины.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

3.1. Математическая модель коррозионного растрескивания под напряжением.

3.2. Влияние формы полости трещины.

3.3. Влияние концентрации агрессивного агента.

3.4. Влияние уровня приложенных напряжений.

3.5. Влияние начальной длины трещин.

3.6. Влияние экранирования и родственных явлений.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ УСТАЛОСТИ

4.1. Математическая модель коррозионной усталости.

4.2. Квазистационарное приближение.

4.3. Влияние формы полости трещины.

4.4. Влияние концентрации агрессивного агента.

4.5. Влияние частоты нагружения.

4.6. Влияние "насосного" эффекта.

Подавляющее большинство деталей машин, аппаратов, металлических строительных конструкций эксплуатируются в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и активных сред. Причем эти факторы могут действовать в самых неблагоприятных сочетаниях. Такое совместное действие понижает долговечность и предел выносливости материала. Это приводит к значительно более быстрому разрушению металла, чем при действии каждого фактора в отдельности. Неучет воздействия коррозионных сред при проектировании конструкций может привести к преждевременному выходу их из строя; увеличение влажности приводит к уменьшению прочности при усталости. Еще менее благоприятными являются условия эксплуатации в морской воде, - здесь наблюдаются уменьшение периода зарождения усталостных трещин и малое (возможно, даже нулевое) значение предела выносливости.

Вследствие коррозионно-механического разрушения большие убытки несут морской и речной транспорт, энергетика, нефтегазодобывающая, химическая и другие виды промышленности. Например, разрушение глубинно-насосных штанг под действием циклических напряжений и пластовой жидкости наносит ущерб нефтяной промышленности ежегодно порядка миллионов долларов. Перечень рабочих сред, в которых происходит такого рода разрушение, весьма разнообразен: пресная и морская вода, различные растворы, содержащие сероводород, щелочи, нитраты, хлорида, аммиак, цианистый водород, двуокись углерода. Основные причины всевозрастающей распространенности коррозионно-механического разрушения - ужесточение условий работы материалов по типу сред в связи с технологическими запросами новой техники. В связи с тенденцией повышения требований к прочности используемых в технике сплавов, все большее внимание уделяется воздействию агрессивных сред.

Физические, электрохимические и металлургические аспекты повреждения под действием агрессивных сред изучены весьма подробно. Выделен ряд механизмов коррозионного и родственных видов повреждения. Как правило, одновременно присутствуют несколько механизмов, которые взаимодействуют, а иногда конкурируют. Предложены модели коррозионных повреждений, которые объясняют происходящие процессы с позиций физики, электрохимии и материаловедения. Однако они недостаточны для количественного предсказания показателей надежности и долговечности напряженных элементов конструкций. Поэтому расчеты на долговечность с учетом факторов окружающей среды проводят на экспериментальных кривых роста 4 усталостных трещин, используя, как правило, принцип суперпозиции для скоростей, обусловленных чисто механическими и немеханическими воздействиями. Такое положение не удовлетворяет потребностей современной науки, поскольку не дает полной картины явлений, происходящих при совместном действии напряжений и факторов окружающей среды.

Повреждение и разрушение материалов - механический процесс. Поэтому анализ коррозионной усталости и коррозионного растрескивания под напряжением с позиций механики, с точки зрения прогнозирования показателей надежности и долговечности представляется перспективным. В связи с этим разработка математических моделей и методов исследования роста трещин коррозионной усталости и коррозионного растрескивания под напряжением является актуальной задачей механики разрушения и представляет как теоретический, так и практический интерес.

1. Введение

1.1. Виды коррозионно-механического разрушения материалов

Коррозия металлов - это разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней агрессивной (коррозионной) средой. Причина коррозии - термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из металла и агрессивной среды. Коррозия как явление физико-химического взаимодействия металлов с окружающей средой служит предметом исследования физиков, электрохимиков и металловедов [18, 24, 46, 60, 63, 76]. Различают следующие случаи коррозионно-механического разрушения металлоконструкций:

1. Сплошная коррозия;

2. Местная коррозия;

3. Коррозионное растрескивание под напряжением;

4. Коррозионная усталость;

5. Водородное охрупчивание;

6. Радиационное охрупчивание;

7. Коррозионная кавитация;

8. Коррозионная эрозия;

9. Контактная коррозия;

10. Биокоррозия.

Характер коррозионного разрушения металлических конструкций в зависимости от условий коррозии может быть различным. Общее (сплошное) коррозионное разрушение, соразмеримо по своей интенсивности на всей металлической поверхности, находящейся в соприкосновении с коррозионной средой. На практике часты случаи, когда лишь отдельные, в большей или меньшей степени локализированные, участки поверхности металла подвергаются избирательному разрушению, в то время как остальная поверхность, гораздо более значительная, остается почти неразрушенной.

Коррозия, захватывающая всю поверхность металла, называется сплошной. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла.

При местной коррозии поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В зависимости от степени локализации различают пятнистую (в виде отдельных пятен), язвенную (когда наблюдается сильное поражение металла на отдельных участках) и точечную (питтинговую) виды местной коррозии. Питтинговая коррозия характерна для условий, когда пассивное состояние сплава может частично разрушаться [82]. При этом коррозии подвергаются весьма ограниченные участки металла, а вся остальная поверхность устойчива и находится в пассивном состоянии, что приводит к образованию глубоких поражений - точечных язв или питтингов. Обычно такой коррозии подвергаются легко пассивирующие металлы и сплавы: железо, нержавеющие стали, а также алюминий и его сплавы, никель, цирконий, титан и другие. Точечные поражения могут дать начало подповерхностной коррозии, распространяющейся под очень тонким (например, наклепанным) слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится. Наиболее опасные виды местной коррозии - межкристалттная (инггеркристаллитная), или межзеренная, которая, не разрушая тело зерен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и коррозионное растрескивание (коррозия под напряжением), преимущественно (кроме специальных условий) протекающее транскристаллитно, в зоне действия растягивающих напряжений, т. е. хрупкие трещины распространяются внутри зерен металла, почти не оставляя видимых следов на поверхности. Эти коррозионные поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции. Близка к этим повреждениям и ножевая коррозия, словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва [1, 31] при эксплуатации некоторых сплавов в агрессивных растворах, а также щелевая коррозия - местное разрушение в узких щелях, зазорах (менее 0,1 мм). Иногда различают нитевидную коррозию, развивающуюся, например, под неметаллическими покрытиями, и послойную коррозию, идущую преимущественно в направлении пласшческой деформации. Специфична избирательная коррозия, при которой в сплаве могут избирательно растворяться отдельные фазы и даже отдельные компоненты твердых растворов (например, обесцинкование латуней и др.).

Щелевая коррозия - избирательное, интенсивное коррозионное разрушение металлов в щели (зазоре) или местах контакта металла с неметаллическим коррозионно-инертным материалом. От коррозии этого вида часто страдают клепаные конструкции, например железнодорожные мосты. Наибольшую чувствительность к щелевой коррозии проявляют пассивные металлы: нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, титан в случае возможной их депассивации в щелях.

Коррозия ножевого типа - это особый вид разрушения химической аппаратуры, который наблюдается в условиях эксплуатации сварных конструкций в высокоагрессивных окислительных средах. Стенки разрушаются преимущественно при повышенных температурах в растворах, содержащих азотную кислоту. Коррозия протекает с большой скоростью в очень узком участке по линии соединения основного металла с наплавленным и по виду напоминает как бы срез ножом. По этой причине такая коррозия получила название "ножевой".

Межкристаллитная коррозия - один из наиболее опасных видов местной коррозии сплавов, вызывающее избирательное разрушение по границам зерен [3, 39, 45]. В результате этого происходит потеря прочности и пластичности сплава и преждевременное разрушение ответственных конструкций. Меж!фисталлитная коррозия наблюдается во многих технических сплавах, в особенности у нержавеющих сталей различных классов.

Наличие механических напряжений в металле, лежащих в упругой области или связанных с деформацией решетки, влияет на поведение металла вследствие двух основных причин: сообщение металлу добавочной энергии и в результате этого некоторого понижение его термодинамической стабильности, и нарушение сплошности пассивных пленок, то есть снижение их защитных свойств.

Коррозионная усталость - это процесс постепенного накопления повреждения материала под воздействием циклически изменяющихся напряжений и коррозионно-активных сред, приводящих к изменению свойств материала, образованию коррозионно-усталостных трещин, их развитию и разрушению изделия. В процессе коррозионной усталости сначала на отдельных участках поверхности металла происходит накопление упругих искажений кристаллической решетки за счет увеличения плотности дислокации; затем появляются субмикроскопические трещины в тех объемах металла, где в процессе скольжения отдельных блоков достигается критическая плотность дислокации, и, наконец, происходит перерастание микротрещин в макротрещины. При этом по одной ш них, наиболее интенсивно развивающейся, происходит хрупкое разрушение.

Опасность коррозионно-усталостного разрушения заключается в том, что оно протекает практически в любых коррозионных средах, включая такие относительно слабые среды, как влажный воздух и газы, спирты, машинные масла, не говоря уже о водных растворах солей и кислот, в которых происходит резкое уменьшение предела выносливости металлов. Коррозионной усталости подвергаются стальные канаты, элементы бурильной колонны, лопатки компрессоров и турбин, трубопроводы, корпуса кораблей, обшивки самолетов и т. д.

Коррозионное растрескивание - один из наиболее опасных и практически важных видов повреждаемости металлов и их разрушения при совместном воздействии коррозионной среды и статически приложенных напряжений и имеет обычно характер нормального отрыва. Трещины, как правило, развиваются по плоскостям, близким к направлениям, перпендикулярным основным растрескивающим напряжениям. Коррозионная трещина развивается как по границам зерен, так и транскисталлигао, что особенно характерно для коррозионного растрескивания и усталости. При коррозионном растрескивании нормально пластичные металлы подвергаются ярко выраженному хрупкому разрушению.

Коррозионному растрескиванию подвержены стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. [17].

Коррозионное растрескивание и коррозионная усталость, - наиболее частые причины аварийного разрушения элементов конструкций. Зачастую эти явления присутствуют совместно, например, в форме влияния средних напряжений на рост трещин при наличии циклической составляющей.

Обращаясь к физико-химическим аспектам аспектам коррозионного растрескивания материала под напряжением, укажем, что оно обусловлено электрохимическими реакциями, взаимодействующими с пластическим скольжением, что приводит к разрушению поверхностных пленок, защищающих поверхность трещины. Усилению подобных вредных для конструкции эффектов способствуют и некоторые частные сочетания материала и окружающей среды, как, например, алюминиевые сплавы - морская вода, сплавы меди - аммиак. В этот процесс свой вклад может вносить и водородное охрупчивание. Характеристика наблюдаемых при этом явлений сводится классификации, содержащей более десятка форм проявлений водородной хрупкости металлов [24]. В частности, воздействие может заключаться, во взаимодействии водорода с углеродом стали с образованием метана, взаимодействии диффундирующего с поверхности металла водорода с растворенным кислородом или с оксидами, находящимися внутри металла в виде включений, с образованием паров воды высокого давления, выделением атомарного водорода при коррозионных реакциях и его адсорбцией на поверхности трещин. Предложенные гипотезы водород ной хрупкости можно свести к четырем основным механизмам:

1. Теория высокого давления молекулярного водорода Уалерс, включая теорию максимальных трехосных напряжений, которую Г.В. Карпенко и Р.И. Крипякевич выделяют в самостоятельную группу гипотез;

2. Адсорбционная теория, согласно которой водород облегчает зарождение и распространение трещин из-за снижения поверхностной энергии;

3. Теория снижения когезивной прочности металлов растворенным водородом;

4. Теории, основанные на предположении, что водород влияет не только на процессы разрушения, но и на механизм предшествующей пластической деформации.

Первые три предположенные гипотезы не могут объяснить всех закономерностей обратимой водородной хрупкости, в частности особые затруднения возникают при объяснении ее обратимости. Давление водорода в сталях при средних его концентрациях, при которых наблюдается водородная хрупкость, недостаточны для развития хрупкости. Для объяснения всех закономерностей водородной хрупкости, механизм ее развития непременно должен включать в себя кинетику процессов разрушения, которая контролируется транспортировкой атомов водорода к зародышам разрушения.

Радиационное охрупчивание - коррозия в условиях облучения нейтронами и у-квантами рассмотрена, например, в работах [66, 81]. Нейтронное облучение может повлиять на характер и скорость коррозии. В первую очередь можно ожидать повреждений окисной пленки и вследствие этого ускорения коррозии. Поверхность материала, находящегося под облучением в потоке теплоносителя, после испытаний имеет тонкую светлую окисную пленку без повреждений.

Коррозионная кавитация - это разрушение материала в быстро движущихся жидких коррозионных средах. Механизм коррозионной кавитации близок к механизму коррозионной усталости вследствие возникающих пульсирующих напряжений в металле под действием периодического схлопывания пузырьков. Различие в том, что коррозии подвергаются ограниченные зоны соизмеримые с размерами отдельных кристаллов сплава.

Под коррозионной эрозией обычно подразумевают разрушение поверхности твердого тела, вызываемое механическим истирающим воздействием другого твердого тела, при одновременном действии коррозионной среды, либо непосредственно истирающим действием самой коррозионной среды, содержащей или не содержащей твердые частицы, в первом случае это явление также называют часто истирающей коррозией или фреттинг-коррозией. Износ металла при трении о более мягкие материалы, в том числе и вследствие механического воздействия жидкостей или газовой струи, в первую очередь представляет повреждение не самого металла, а поверхностных оксидных пленок или адсорбционных соединений, образующихся на металле под действием окружающей среды. Процесс коррозионной эрозии нужно представлять как протекание двух сопряженных процессов: механического износа защитной пленки и химического или (в случае электропроводной внешней среды) электрохимического взаимодействия металла с агрессивной средой. Фреттинг-коррозией называют сложные механические и физикохимические процессы, сопровождающиеся процессами электроэрозионного разрушения на стыке двух сопрягаемых деталей при малых взаимных циклических смещениях.

Биокоррозия - коррозия, усиление которой вдет при участии продуктов, выделяемых микроорганизмами. Коррозия этого вида особенно распространена на поверхности стальных конструкций, эксплуатируемых в морских условиях.

Контактная коррозия возникает при контакте металлов с различными электрохимическими потенциалами, при этом скорость коррозии может значительно изменяться. В обычных случаях коррозия металлов, имеющих более отрицательный потенциал (анод пары) увеличивается, а скорость коррозии металла с более положительным потенциалом (катод) - уменьшается по сравнению со скоростью в отсутствии контакта. Возможность контактной коррозии при сочленении разнородных металлов должна обязательно учитываться конструкторами и технологами при конструировании и эксплуатации различного оборудования. Вопросам контактной коррозии в различных условиях (нейтральных и агрессивных средах, в атмосферных условиях и, особенно, в морской воде вследствие высокой электропроводности среды) уделяется большое внимание.

Результатом коррозионного процесса является переход атома металла ю металлической решетки в ионное состояние, то есть образование каких либо соединений, растворимых (обычно гидротированного иона или более сложных комплексных соединений металлов) или нерастворимых типа оксида, гидроксида. В зависимости от пути, по которому совершается этот переход, следует различать два основных механизма коррозионного процесса - химический и электрохимический.

К электрохимической коррозии металлов относятся те коррозионные процессы, которые происходят в результате электрохимического взаимодействия, т. е. вследствие возникновения гальванических пар и их действия [25, 32, 37]. Подобная коррозия может произойти как при соприкосновении металлов с электролитом - щелочь, кислоты, водные растворы солей, морская и пресная вода, дистиллат и др. (жидкостная коррозия), - так и при контакте их с влажным воздухом или другим газом (атмосферная коррозия), а также при контакте с почвами (почвенная коррозия). Коррозия металлических конструкций в природных условиях - в море, земле, грунтовых водах под конденсационным слоем влаги (атмосферные условия), а также в подавляющем большинстве активных растворов химической промышленности обычно носит электрохимический характер. Основное отличие электрохимического механизма от чисто химического состоит в том, что общая реакция химического реагента с металлом разделяется на два самостоятельных сопряженных в общей цепи процесса анодный и катодный.

Анодный процесс заключается в непосредственном переходе атома металла в раствор в виде щцротированных ионов либо через предварительное преобразование поверхностных промежуточных неустойчивых комплексных соединений или более стабильных соединений, например, типа оксидов или гидроксидов за счет взаимодействия с молекулами вода или комплексообразующими ионами электролита. При работе коррозионного гальванического элемента переход ионов металла в раствор практически происходит только от более активного компонента данной гальванической пары, заряжающегося при этом отрицательно (например, цинк в паре 2п - Си). Эти участки называются анодными. Анодный процесс заключается в растворении металла. Важно, что во всех этих случаях, валентные электроны металла не участвуют в анодном процессе. Только в другом сопряженном, катодном процессе происходит ассимиляция этих остающихся в металле избыточных электронов каким либо акцептором электронов или деполяризаторами, то есть атомами, молекулами или ионами раствора, которые будут в результате этого восстанавливаться; т. е. на катодных участках (медь в паре 2п - Си) протекает деполяризация. Катодный процесс заключается в связывании электронов, что приводит к переходу электронов внутри металла с анодных участков на катодные, и этим обеспечивается возможность дальнейшего течения анодного процесса.

Логически невозможно представить одновременное протекание двух первичных актов электрохимической коррозии в одной точке поверхности (на одном атоме) в один и тот же момент времени, то есть электрохимический механизм предполагает их дифференциацию либо в пространстве (по поверхности), либо во времени (если они протекают в одной точке поверхности). Отсюда следует, что процесс электрохимической коррозии можно замедлить не только путем непосредственного торможения анодного процесса, но и воздействуя на скорость катодного. Атмосферная коррозия, например, является электрохимической коррозией, вследствие того, что в воздухе всегда содержится влага, которая, конденсируясь на металле вместе с растворенными в ней веществами, образует электролит.

При соприкосновении двух металлов или при соединении их проводником вследствие выравнивания их зарядов возникает процесс, протекающий самопроизвольно в направлении растворения того из металлов, или той из пары фаз внутри одного металла, который обладает более отрицательным потенциалом. В случае неоднородного металла на поверхности возникает множество микроскопических гальванических пар, действие которых происходит в направлении растворения одного из компонентов или фаз сплава и приводит к постепенному общему разрушению поверхностных слоев металлов или к локализованному транс- или интеркристаллитному разрушению

Количественной характеристикой сопротивления металла к коррозии является величина его электрохимического (электродного) потенциала, т. е. разности электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. Металлы, имеющие положительный электрохимический потенциал, обладают весьма высокой коррозионной стойкостью. Металлы с более отрицательными электрохимическими потенциалами защищают от коррозии металлы с менее отрицательными потенциалами. Отмеченные особенности легли в основу защиты металлов от воздействия агрессивных сред. Электрохимический потенциал металлов можно повысить соответствующим легированием и химико-термической обработкой. В этом случае они становятся устойчивыми против электрохимической коррозии во многих агрессивных средах: практически не ржавеют и не окисляются на воздухе, в пресной и морской воде во многих кислотах и щелочах.

Химическая коррозия металлов. Коррозия является химической, если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде, однако, чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является электролитом (газовая коррозия, коррозия в неэлектропроводных органических жидкостях, коррозия в жидких металлах и др.). Скорость ее чаще всего определяется диффузией атомов металла и окислителя через поверхностную пленку продуктов коррозии (высокотемпературное окисление большинства металлов газами), иногда растворением или испарением этой пленки (высокотемпературное окисление вольфрама или молибдена), ее растрескиванием (окисление ниобия при высоких температурах) [37]. Атом металла с находящимися в его сфере валентными электронами непосредственно взаимодействуют с молекулой реагента, например кислорода, воды, кислоты. Таким образом, переход металла в ионное состояние (то есть окисление металла) и восстановление окислительного компонента не являются обособленными стадиями, разделенными во времени или пространстве, происходят одновременно, в одном акте. В этом случае не предполагается переход валентного электрона атома металла к частице реагента окислителя (акцептор электрона) через компактный металл. Пример - взаимодействие металла с жидкими неэлектропроводными средами - неэлектролитами, или сухими газами. Этот вид коррозии является определяющим при высоких температурах. Поэтому во многих областях техники применяются стойкие против газовой коррозии, специальные стали и сплавы.

Практически наиболее важным видом химической коррозии является газовая коррозия, то есть процесс окисления металла (взаимодействие с кислородом) или химическое взаимодействие металлов с рядом других активных газовых сред (сероводород, водяные пары, углекислота и др.) при повышенных температурах. Наиболее распространенным процессом газовой коррозии является окисление кислородом, находящимся в газах.

Окисление - это сначала обычный химический процесс образования оксидов металла, но после появления на поверхности металла пленки его оксидов процесс окисления становится весьма сложным: он состоит из химического процесса соединения металла с кислородом и диффузии атомов кислорода и металла через образовавшийся слой оксидов. Скорость процесса зависит от плотности пленки оксидов, ее кристаллического строения и дефектности.

Некоторые жидкие и газообразные среды существенно влияют на прочность и пластичность твердого тела при одном лишь поверхностном воздействии, при полном отсутствии объемной диффузии и коррозионных явлений. После удаления такой среды материал обычно восстанавливает свои прочностные и деформативные свойства, если только в нем не появились трещины. Явление такого чисто поверхностного взаимодействия твердого тела со средой называется адсорбционным эффектом. Внешнюю среду, вызывающую адсорбционный эффект, называют поверхностно-активной (по отношению к данному телу). Некоторые поверхностно-активные среды могут пластифицировать твердое тело, т.е. уменьшать предел текучести при растяжении образца с постоянной скоростью, либо увеличивать скорость ползучести при испытаниях с постоянной нагрузкой. К таким средам относятся, например, растворы органических кислот, спиртов, и т.п. по отношению к олову, свинцу, алюминию и другим металлам. Другие среды вызывают охрупчивание тела, т.е. способствуют развитию в нем трещин и уменьшению прочности. По отношению к твердым телам такими средами являются, например, расплавы некоторых других, более легкоплавких металлов.

В общих случаях коррозии, как химической, так и электрохимической, различают два основных типа контроля, то есть основного фактора, ограничивающего скорость процесса коррозии. Если протекание коррозии определяется в основном торможением диффузионных процессов, то говорят о диффузионном контроле; если затрудненность в протекании непосредственно самой реакции - говорят о кинетическом (актнвационном) контроле коррозионного процесса. Очень часто эта факторы имеют соизмеримые значения, тогда имеем дело с диффузионно-кинетическим контролем коррозионного процесса [45, 49].

Различают пассивное и активное состояние металла при коррозии. Пассивность -это состояние повышенной коррозионной стойкости металла или сплава в условиях, когда с термодинамической точки зрения они являются вполне реакционоспособными, вызванное преимущественно торможением анодного процесса. В активном состоянии металл легко корродирует. Известны многочисленные теории пассивного состояния металла. Среди них: пленочная теория (Кистяковский В.А., Томашов Н.Д., Эванс Ю.Р.). Согласно этой теории, повышенная коррозионная стойкость объясняется возникновением на металле невидимой очень тонкой защитной окисной пленки в результате взаимодействия кислорода окружающей среды с металлом, при этом потенциал металла сдвигается к более положительным значениям; а также теория, связанная с адсорбцией атомов кислорода поверхностью металла, затрудняющей анодный процесс его растворения (Фрушкин А.Н., Эршлер Б.В., Колотыркин Я.М.).

Наиболее объективной и соответствующей наблюдаемым проявлениям следует считать объединенную адсорбционно-пленочную теорию пассивности, объясняющую пассивное состояние металла возникновением на его поверхности тончайшей защитной пленки (толщиной 5-10 нм) продуктов взаимодействие данного металла с агрессивной средой, с которой он контактирует. В большинстве случаев эта пленка является кислородным соединением металла и, возникнув, предохраняет его от агрессивного воздействия окружающей среды. Пассивное состояние металла обычно возникает в тех агрессивных средах, в которых на поверхности металла могут существовать нерастворимые продукты взаимодействия данного металла и среда:.

Механизм коррозионно-усталостного разрушения в сильной степени зависит от прочности материала и напряженно-деформированного состояния в вершине трещины. Снижение сопротивления усталостному разрушению может быть следствием охрупчивания металла вследствие наводороживания или проявления адсорбционного эффекта, электрохимического растворения анодных участков.

К методам защиты металлов от воздействия неблагоприятных сред относят:

1. Защитные покрытия: на органической основе (лакокрасочные покрытия, смазки), на неорганической основе (оксидные, фосфатные), металлические различных типов (металлизационные, горячие и диффузионные покрытия);

2. Обработка коррозионной среды, понижающая ее коррозионную активность, например, нейтрализация кислых сред и обескислороживание воды для паровых котлов, применение различных ингибиторов (пассиваторов) коррозии, как для жидких, так и для газообразных сред;

3. Электрохимическая защита, основанная на способах: катодной защиты наложением внешнего тока; анодной электрохимической защиты; защиты от блуждающих токов применением дренажа или секционирования протяженных металлоконструкций.

К методам защиты следует отнести также применение конструкционных материалов повышенной коррозионной стойкости и рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей.

С научной точки зрения разбор и классификация всех существующих методов защиты металлов от электрохимической коррозии рациональнее провести не на основании условий их протекания, как это сделано выше, а на основе теории электрохимической коррозии. При защите металлов от коррозии наиболее эффективный метод - тот, который тормозит основную контролирующую стадию данного электрохимического процесса, то есть когда основной фактор защиты данного метода совпадает с контролирующим фактором данного коррозионного процесса. При одновременном применении нескольких методов защиты металлов от коррозии, как правило, легче достичь наиболее полной защиты, если все эти методы действуют на основную контролирующую стадию электрохимического коррозионного процесса. Например, основным методом защиты стали от газовой (химической) коррозии является легирование ее хромом, алюминием и кремнием. Все эти три элемента обеспечивают создание на металле плотных пленок на базе этих элементов, соответственно Сг203 А1203 и Л02, которые кристаллизуются без дефицита металлоидных атомов. Вследствие этого при соответствующем содержании в стали хрома, алюминия, кремния газовая коррозия резко замедляется, т. е. сталь становится жаростойкой, устойчивой против окисления при высоких температурах.

Вообще говоря, поиск путей увеличения сопротивления коррозии можно вести по-разному, например подбором надлежащей термообработки при изготовлении или с применением катодной защиты в процессе эксплуатации. Однако не исключено, что в первом случае термообр аботка неблагоприятно повлияет на нормальные значения характеристик роста трещины, а во втором случае выделяющийся водород может увеличить хрупкость. Все это снижает эффективность предпринимаемых защитных мер. Из сказанного ясно, что проблемы, связанные с коррозионной усталостью решить не так легко.

1. Алешин Н.П., Ермолов И.Н., Потапов А.И. Акустические методы контроля. М.: Высш. школа, 1991. - 287 с.

2. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990. Т.1. 384 с.

3. Бабаков A.A., Приданцев М.В. Коррозионностойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971. 320 с.

4. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Салганик Р. Л. О кинетике распространения трещин. Условие разрушения и длительная прочность // МТТ. 1966. №6, с. 76-80.

5. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Физматлиг, 1994. 448 с.

6. Беннетт К.О., Майерс Дж.Е. Гидродинамика теплообмен и массообмен. М.: Недра, 1966. 728 с.

7. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. 351 с.

8. Болотин В.В. Уравнения роста усталостных трещин // МТТ, 1983. №4. С. 153-160.

9. Болотин В.В. Теория коррозионной усталости // М.: МЭИ. Надежность машин и конструкций, 1986. Вып. 83. С 5-10.

10. Болотин В.В. Механические модели коррозионного растрескивания // Машиноведение, 1987. №4, С. 20 26.

11. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 447 с.

12. Болотин В.В. О динамическом распространении трещин // ПММ. 1992. Т. 56. Вып. 1. С. 150 -162.

13. Болотин В.В., Ковех В.М Численное моделирование роста усталостных трещин в среде с микроповреждениями // Изв. РАН. МТТ. 1993. N 2. С. 132 142.

14. Болотин В.В., Ковех В.М., Шипков A.A. Моделирование роста трещин коррозионной усталости // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1998. № 5. С. 67 - 71.

15. Болотин В.В., Лебедев В. Л. Механика роста усталостных трещин в среде с микроповреждениями//ПММ. 1995. Т. 59. Вып. 2. С. 307-317.

16. Болотин В.В. Шипков A.A. Модель роста усталостных трещин с учетом факторов окружающей среды // ПММ. 1998. Т. 62. Вып. 2. С. 314-323.

17. Василенко И.И., Мелехов Р.К. Коррозионное растрескивание сталей. Киев: Наукова Думка, 1977. 264 с.

18. Галактонова H.A. Водород в металлах. М.: Металлургия, 1967. 305 с.

19. Гольдштейн Р.В., Битов В.М. Качественные методы в механике сплошных сред. М.: Наука, 1989. 224 с.

20. Гольдштейн Р.В., Житников Ю.В., Морозова Т.М. Равновесие системы разрезов при образовании в них областей налегания и раскрытия // ПММ. 1991. Т. 55. Вып. 4. С. 672 -678.

21. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

22. Качалов JL М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312 с.

23. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1993. 364 с.

24. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. 217с.

25. Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М.: Металлургия, 1985. 88 с.

26. Конструкционные материалы АЭС / Ю.Ф. Баландин, И.В. Горынин, Ю.И. Звездин, В.Г. Марков. М.: Энергоатомиздат, 1984, 280с.

27. Логан X.JL Коррозия металлов под напряжением. М.: Металлургия, 1970. 340 с.

28. Махненко В.И. Расчет диффузии в двухфазной среде с движущейся границей раздела фаз // Автоматическая сварка, 1966. №12, с. 1-5.

29. Морозов Е.М. Сапунов В.Т. Сопротивление материалов распространению трещин при циклическом нагружении. М. 1978. 69 с.

30. Морозов Н.Ф. Математические вопросы теории трещин. М.: Наука, 1984. 255 с.

31. Николаев Г. А., Куркин С. А. Сварные конструкции: механика разрушения и критерии работоспособности. М.: Машиностроение, 1996. 577 с.

32. Панасюк В.В., Дмытрах И.И., Грабовский P.C. Об условиях роста коррозионной трещины // Физико-химическая Механика Материалов, 1986. Т.22. Вып.2. С. 3-10.

33. Панасюк В.В. Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие в 4 томах. Киев: Наукова Думка, 1988. Т.1. 488с.

34. Панасюк В.В. Механика квазихрупкого разрушения материалов. Киев: Наукова думка, 1991.-410 с.

35. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. М.: Наука, 1985. 502 с.

36. Парцевский В.В. Экспериментальные методы механики разрушения. М.: 1980.

37. Паршин А.М., Тихонов А.Н. Коррозия металлов в ядерном энергомашиностроении. СПб.: Политехника, 1994. 96 с.

38. Плювинаж Г. Механика упруго-пластического разрушения: Пер. с франц. М.: Мир, 1993. 450 с.

39. Погодин В.П., Богоявленский B.JL, Сентюрев В.П. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание нержавеющих сталей в водных средах. М.: Атомиздат, 1970. 422 с.

40. Полубаринова-Кочина П.Я. Избранные труд ы. Г идродинамика и теория фильтрации. М.: Наука, 1991.-351 с.

41. Похмурский В.И. Коррозионная усталость металла. М.: Металлургия, 1985. 206 с.

42. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.:Наука, 1988. 712с.

43. Романив О.Н., Никифорчин Г.Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М.: Металлургия, 1986. 296 с.

44. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. М.: Мир, 1986. 334 с.

45. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Машиностроение, 1983. 362 с.

46. Франк-Каменецкий Д. А. Д иффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 491 с.

47. Хан X. Теория упругости: Основы линейной теории и ее применения. М.: Мир, 1988. -344 с.

48. Хеллан К. Введение в механику разрушения: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 364 с.

49. Чаевский М.И. Расчета на прочность при воздействии агрессивных сред. Краснодар: КПИ, 1980. 57с.

50. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

51. Шестериков С.А. Деформирование и разрушение твердых тел. М.: изд-во Моск. ун-та, 1992.-118 с.

52. Шестериков С. А., Лебедев С.Ю., Юмашева М.А. О длительной прочности // Проблемы механики сплошной среды. Владивосток: Ин-т автоматики и процессов упр. ДВО РАН, 1996. С 80-85.

53. Bolotin V.V. A unified approach to damage accumulation and fatigue crack growth // Engineering Fracture Mechanics, 1985. V.22. P. 387-398.

54. Bolotin V.V. Fracture from the standpoint of non-linear stability // Intern. J. Non-Linear Mechanics, 1994. V. 29. N 4. P. 569 585.

55. Bolotin V.V. Stability Problems in Fracture Mechanics. N. Y.: Wiley, 1996. 188 p.

56. Bolotin V.V. Mechanics of Fatigue. Boca Raton: CRC Press, 1999. 457 p.

57. Bolotin V.V., Shipkov A. A. Mechanical aspects of corrosion fatigue and stress corrosion cracking I I International Journal of Solids and Structures, 2000.

58. Cherepanov G.P., Entov L.V., Kuzmin G.G. On the growth of corrosion cracks // Corrosion. 1973. Vol. 29. №3. p. 100-104.

59. Y.G. Chun, S.I. Pyun. Ageing effects on fatigue crack closure of an Al-Li-Zr alloy in Na2S04 solution//Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 1995. Vol.18, No.3, pp. 353-362.

60. Evans U.R. The corrosion and oxidation of metals: scientific principles and practical applications. London, Arnold. 1960.

61. Fenner N.N. Dugdale mode solution for a single edge cracked plate // International Journal of Fracture, 1974. No. 10, 71-76.

62. Ford F.P. Status of research on environmentally assisted cracking in LWR pressure vessel stress // Journal of Pressure Vessel Technology, ASME. 1988. V.110. P. 113-128.

63. Gangloff R.P., Stoner G.E., Swanson R.E. Environment assisted degradation mechanisms in alluminium-lithium alloys. Virginia: A progress report, 1988. 227 p.

64. Hirose Y., Mura T. Growth mechanism of stress corrosion cracking in high strength steel // Engng. Fract. Mech. 1984. Vol. 19. №6, p. 1057-1067.

65. Hirose Y., Mura T. Crack nucleation and propagation of corrosion fatigue in high-strength steel//Engng. Fract. Mech., 1985. V.22. N.5. P.859-870.

66. P.Hofimann, J.Spino. Chemical aspects of iodine-induced stress corrosion cracking failure of ZircaIoy-4 tubing above 500 °C // Journal of Nuclear Materials, 1983. No. 114. pp.50-65.

67. H.Kitagawa, T.Fujita, K.Miyazawa. Small randomly distributed cracks in corrosion fatigue // ASTM SIP 642, 1978 p.p.98-121

68. Krausz A.S. The deformation and fracture kinetics of stress corrosion cracking // International Journal of Fracture, 1978. V.14. N.l. P. 5-15.

69. Krausz A.S., Krausz K. Fracture kinetics of crack growth. Dordrecht: Kluwer, 1988. 181 p.

70. Krausz K., Krausz A.S. The development of the constitutive law of crack growth in corrosion fatigue // Handbook of Fatigue Crack Propagation in Metallic Structures/Ed. Carpinteri. Amsterdam: Elsevier, 1994. P. 1227 1306.

71. Leiss B.N., Kanninen M.F., Hopper A.T., Ahmad G., Broek D. Critical review of the fatigue growth of short cracks // Engng. Fract. Mech. 1986. V.23. P. 883-898.

72. Matsoukas M., Cottrel, B., May, Y.W. On the plastic rotation constant used in standard COD tests // International Journal of Fracture, 1984. 26, 49-53.

73. Miller K. J., de los Rios E.R. The behaviour of short fatigue cracks. London: ESIS 13. Institute Mechanical Engineers, 1992. 560 p.

74. Mura T. Micromechanics of defects in solids. Dordrecht: Martinus Nijhoff, 1987. 494 p.

75. Nakai Y., Tanaka K., Wei R.P. Short-crack growth in corrosion fatigue for a high strength steel // Engng. Fract. Mech. 1986. Vol. 24. №3, p. 433-444.

76. Oriani R.A., Hirlh J.P., Smialowski M. Hydrogen degradation of ferrous alloys. New Jersey: Noyes Publications, 1985. 886 p.

77. Petroski H.J. Dugdale plastic zone sizes for edge cracks // International Journal of Fracture, 1979. 15, 217-230.

78. Parkins R.N., Greenwell B.S. The interface between corrosion fatigue and stress corrosion cracking//Metal. Sei., 1977. No. 11, p.p. 405-419.

79. Petit J., de Fouquet J., Henaff G. Influence of ambient atmosphere on fatigue crack growth behaviour of metals // Handbook of fatigue crack propagation in metallic structures. Amsterdam: Elsevier, 1994. P. 1159-1203.

80. Shin C.S., Man K.C., and Wang C.M. A practical method to estimate the stress concentration of notches // International Journal of Fatigue, 1994. 16, 242-256.

81. Shimada S., Nagai M. A fractographic study of iodine-induced stress corrosion cracking in irradiation Zircaloy-2 cladding // Journal of Nuclear Materials, 1983. No. 114. pp.222-230.

82. Szklarska-Smialowski Z. Review of literature on pitting corrosion published since 1960 // Corrosion. 1971. Vol. 27. №6. p.223-233.

83. Ullner Ch., Gehrke E. Fatigue of glass: crack growth or sharpening of crack tip // Engng. Fract. Mech., 1984. Vol.20. Jfel, pp.139-143.

84. Van Leeuwen H.P. The kinetics of hydrogen embrittlement; a quantitative diffusion model // Engng. Fract. Mech, 1974. Vol. 6. №1. p. 141-161.

85. Vermilyea D. A., Diegle R.B. Concerning strain-enhanced corrosion mechanisms of SCC // International Journal of Corrosion, 1976. Vol.32, No.l, pp. 26-34.

86. Wei R.P. Some aspects of environment-enhanced fatigue-crack growth II Engng. Fract. Mech. 1970. Vol. 1. №4, p. 633-651.

87. Wei R.P., Rither D.L. The influence of temperature on fatigue crack growth in a mill annealed Ti-6A1-4V alloy // Journal of Materials. 1972. Vol. 7. №2. p. 240-252.

88. Weir T. W., Simmons G.W., Hart R.G., Wei R.P. A model for surface reaction and transport controlled fatigue crack growth // Scr. Met. 1980. V.14. p.357-364.

89. Wnuk M.P. The nature of fracture in relation to the total potential energy // British Journal of Applied Physics. Ser.2. N.l (2), 1968. P. 217-236.

90. Z. Xing, Y. Song, M. Tu. Corrosion fatigue fracture-mode maps of low alloy steels // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 1992. Vol.15, No.l, pp.23-32.