Вопрос каждый понедельник — вопросы, связанные с коррозией под действием напряжений

Хрупкое разрушение металлических материалов или металлоконструкций под действием статической растягивающей нагрузки и определенных условий коррозии. 　　Условия и характеристики коррозии под действием напряжений: (1) должно быть существование растягивающего напряжения ； (2) Среда, в которой происходит коррозия под действием напряжений у определенных материалов, является специфической ； (3) Скорость разрушения под действием коррозии при напряжении значительно выше, чем скорость других видов локальной коррозии, но заметно меньше, чем скорость разрушения под действием чисто механических нагрузок ； (4) Повреждения, вызванные коррозией под действием напряжений, часто возникают внезапно, без явных предвестников, поэтому они представляют огромную опасность ； (5) Формы трещин бывают трёх типов: межкристаллические, через кристаллы и смешанные ； (6) Форма зоны разлома: в макромасштабе речь идет о хрупком разломе, однако в микромасштабе на поверхности разлома можно наблюдать следы пластической деформации. 　　Способы контроля коррозионного разрушения под действием напряжений: (1) снижение напряжений, устранение остаточных напряжений ； (2) Использование материалов, устойчивых к коррозии под действием напряжений ； (3) Использование катодной защиты ； (4) Добавление ингибиторов коррозии или удаление вредных компонентов из среды.

Ниже приведена информация, найденная в Интернете (отрывки): Разрушение материалов под действием факторов окружающей среды. Особенности поверхностей, образующихся в результате коррозии. В процессе эксплуатации металлические конструкции и детали часто контактируют с различными веществами из окружающей среды. Влияние среды на механические свойства металлических материалов называется экологическим эффектом. Под действием факторов окружающей среды металл может подвергнуться внезапной хрупкой поломке даже при напряжениях, которые ниже предела прочности материала. Это явление называется поломкой под действием факторов окружающей среды. К разрывам, связанным с воздействием окружающей среды, обычно относятся разрыв под действием коррозионной напряженности (SCC), хромирование под действием водорода (HE), усталостный разрыв из-за коррозии (CF), ослабление металла под действием жидкого металла (LME), а также ослабление металла под действием излучения. Раздел первый. Разрушение под действием напряжения и коррозии 1. Характеристики разрушения под действием напряжения и коррозии. Разрушение материала или детали, возникающее под воздействием одновременно напряжений и коррозионных факторов, называется разрушением под действием напряжения и коррозии. Такой разрыв является результатом совместного действия напряжений и коррозии; эти факторы могут взаимно усиливать друг друга, ускоряя повреждение материала, а также раннее образование и распространение трещин. Если рассматривать влияние напряжений отдельно, оказывается, что для возникновения радиационного разрыва требуется довольно небольшое напряжение. При отсутствии воздействия окружающей среды такое небольшое напряжение считается совершенно безопасным. Опасность коррозии под действием напряжений заключается в том, что она часто возникает в довольно мягких средах и при небольших уровнях напряжений, поэтому её часто игнорируют, что приводит к постоянным несчастным случаям. По статистике американского института ASTM, ежегодные убытки в США из-за коррозионного разрушения под действием напряжений превышают 30 миллионов долларов. Коррозионное разрушение под действием напряжений имеет следующие особенности: (1) Коррозионное разрушение под действием напряжений является хрупким разрушением; края трещины ровные и перпендикулярны основным напряжениям. До разрыва не наблюдалось заметной пластической деформации, форма зоны разлома была гранулированной. (2) Причиной коррозионного разрушения под действием напряжений являются статические напряжения, значительно меньшие по величине от прочности на сжатие материала; обычно речь идет о растягивающих напряжениях (в последние годы было также обнаружено, что у нержавеющей стали это может происходить и под действием сжимающих напряжений). Это напряжение растяжения может быть внешним напряжением или остаточным напряжением. Остаточные напряжения и изменения структуры, возникающие в результате сварки и холодной обработки, могут легко стать причиной коррозии под действием напряжений. (3) Среда, способствующая коррозии под действием напряжений, является специфической; различные среды влияют только на определенные материалы. Например, α-латунь разрушается под действием аммиакового раствора, тогда как β-латунь может разломиться уже в воде ； Аустенитные нержавеющие стали кубической структуры легко разрушаются в растворах хлоридов; это явление называется «хлорным хрупкостью». Ферритные нержавеющие стали кубической центральной структуры к этому не чувствительны ； «Щелочная хрупкость» низкоуглеродистой и низколегированной стали в растворах щелочей, а также «нитратная хрупкость» в средах, содержащих ионы нитрата” ； «Хрупкость при аммиаке» медных сплавов в среде аммиака и т. д. (4) При коррозионном разрушении под действием напряжений обычно образуется множество ответвлений, и процесс разрушения продолжается в направлении, перпендикулярном направлению напряжений, способствующих его возникновению и распространению. Траектория разрушения может проходить через кристалл, но чаще всего она происходит вдоль границ кристаллов. В случае разрыва внутри кристалла, его поверхность имеет градиентный или квазиградиентный характер; на этой поверхности видны следы в виде зигзагов или перьевидных структур. (5) Скорость роста трещин под действием напряженно-коррозионного воздействия обычно составляет от 10⁻⁹ до 10⁻⁶ м/с; этот процесс происходит медленно и постепенно. Когда размер таких субкритических трещин достигает определенного критического значения, происходит разрушение материала. (6) Трещины, возникающие в результате коррозии под действием напряжений, обычно начинаются в местах поверхностных коррозийных участков; путь распространения трещин, как правило, перпендикулярен оси силы натяжения. (7) Коррозия под действием напряжений представляет собой вид локальной коррозии; к тому же трещины, возникающие в результате этой коррозии, часто покрываются продуктами коррозии, из-за чего их сложно заметить снаружи. (8) Чистые металлы не подвержены коррозии под действием напряжений; содержание примесей и легирующих элементов оказывает значительное влияние на вероятность возникновения такой коррозии. (9) Катодная защита оказывает значительный эффект в предотвращении коррозионного разрушения под действием напряжений и прекращении роста трещин. Таблица 9-1. Некоторые условия окружающей среды, способствующие стресс-коррозии металлов

| Материал | Среда |
|----------|-------|
| Углеродистая и низколегированная сталь | Раствор гидроксида натрия, растворы нитратов, кислые растворы сероводорода, морская вода, морская или промышленная атмосфера |
| Нержавеющая сталь | Кислые оксидные растворы, растворы хлорида натрия и пероксида водорода, сероводород, морская вода, растворы гидроксида натрия и сероводорода |
| Высокопрочная сталь | Дождевая вода, морская вода, растворы сероводорода, водные растворы хлорида натрия |
| Легированные никелем сплавы | Горячие концентрированные растворы гидроксида натрия, пары и растворы фтористого водорода |
| Алюминиевые сплавы | Растворы хлорида натрия и пероксида водорода, водные растворы хлорида натрия, водяной пар, морская вода |
| Медные сплавы | Пары и растворы аммиака, водные растворы, содержащие ионы аммиака |
| Магниевые сплавы | Растворы хлорида натрия и хроматата калия |
| Титановые сплавы | Морская вода, метанол, солевые растворы |
| Сплав Монель | Фтористоводородная кислота, фторосиликатная кислота |

Характеристики стресс-коррозионного разрушения, описанные выше, могут помочь нам определить, является ли произошедший разрушение следствием стресс-коррозии. Однако необходимо учитывать все факторы, а не делать выводы, основываясь только на одном признаке. 2. Механизм коррозии под действием напряжений Процесс разрушения под действием напряжений также включает в себя образование и рост трещин. Его можно разделить на три этапа: (1) Этап зарождения: это период, предшествующий появлению трещины. В течение этого времени формируются участки коррозии, которые становятся основой для развития трещины. Если на поверхности детали имеются дефекты, способствующие возникновению трещин под действием напряжений (например, границы кристаллов, твин-границы, включения и т. д.), то этапа зарождения не существует; сразу начинается этап расширения трещины. (2) Этап субстабильного расширения трещины: под действием напряжений и факторов окружающей среды трещина медленно расширяется. (3) Этап нестабильного расширения трещины: механическое разрушение, возникающее после того, как размер трещины достигает критического значения. Что касается проблемы образования и распространения трещин под действием напряжений и факторов окружающей среды, существует множество теорий. Среди наиболее признанных на сегодняшний день можно выделить механизм анодного разложения, при котором процесс разрушения контролируется процессом анодного разложения, и механизм водородной коррозии, при котором процесс разрушения контролируется поглощением водорода (механизм водородной коррозии будет рассмотрен позже). Здесь также важно учитывать связь между коррозионным разрушением под действием напряжений (SCC) и разрушением, вызванным водородом (HIC). С логической точки зрения, они «пересекаются», то есть у них есть часть содержимого, которое совпадает. Если SCC обусловлен в основном выделением водорода в результате процесса коррозии катода, то такой SCC также является HIC ； Если SCC обусловлен в основном процессом диссолюции анода, то такой SCC не является HIC. В обычных случаях для определения механизма SCC можно использовать метод катодной поляризации с применением внешнего потенциала; то есть, если происходит ускоренное разрушение, это свидетельствует о применении механизма HIC ； Если происходит замедление или подавление, это относится к механизму анодного разложения. Это приводит к снижению потенциала анода, ускоряя процесс растворения металла анода. Трещины постепенно углубляются, как показано на рисунке 7-2. Фактически, вышеописанный механизм растворения анода включает в себя четыре этапа: сдвиг, разрушение пленки, растворение анода и повторная депассивация. Если разрушение под действием напряженно-коррозионного воздействия происходит внутри кристалла, то разрыв защитной пленки обусловлен появлением скольжений в локальных участках под действием напряжений. Если же разрушение происходит вдоль границ кристаллов, то из-за депозитов между кристаллами или образования непрерывных фаз на их поверхности возникают выступы, которые приводят к разрыву защитной пленки. В итоге это приводит к разрушению под действием напряженно-коррозионного воздействия. Например, трещины от коррозии под действием напряжений в мартенситных нержавеющих сталях распространяются в основном вдоль границ кристаллов, однако при отжиге при температуре ниже 455°C они распространяются сквозь границы кристаллов. 3. Характеристики поверхности разлома при коррозии под действием напряжений. Макроскопические характеристики поверхности разлома при коррозии под действием напряжений во многом схожи с характеристиками поверхности разлома при усталостном износе. Также здесь выделяются три зоны: (1) зона возникновения разлома. Обычно это происходит из-за локальной коррозии или других видов трещин, таких как точечная коррозия, коррозия в трещинах и т. д. Эти исходные трещины могут быть сварочными трещинами, трещинами от усталости, трещинами, возникающими в результате термообработки и т. д. Микротрещины, возникающие в результате коррозии под действием напряжений, имеют своё начало на поверхности. Они имеют непрерывную структуру; кроме того, эти трещины характеризуются большим количеством ответвлений и острыми краями (имеют форму ветвей). (2) Зона субстабильного роста трещин от коррозии под действием напряжений. Это процесс медленного расширения трещин, вызванных напряженно-коррозионным воздействием. Этот процесс представляет собой взаимодействие структуры материала с напряжениями и факторами окружающей среды. С макроскопической точки зрения этот процесс характеризуется хрупкостью. Даже у нержавеющих сталей аустенитного типа на основе Cr-Ni, обладающих высокой пластичностью, трещины образуются вдоль определенных кристаллографических направлений материала (например, по плоскостям разлома). Поэтому такие трещины имеют черный или серо-черный цвет. Продукты коррозии играют важную роль при анализе причин разрушения материалов. (3) Зона последнего прерывания. Это зона быстрого разрыва или рвания, которая показывает свойства основного материала. Микротрещины, возникающие в результате коррозии под действием напряжений, имеют разветвления, что свидетельствует о том, что при этом процессе основная трещина расширяется быстрее, в то время как другие ветви трещин расширяются медленнее. На основе этой характеристики можно отличить коррозию под действием напряжений от усталостного разрушения, межкристаллической коррозии и других форм разрушения. Микроструктура зоны разрушения под действием коррозионного напряжения обладает весьма характерными особенностями: ямки от коррозии, продукты коррозии и узоры в виде «грязных полос». Узор в виде грязевых линий представляет собой прямые трещины на плоской поверхности (похожие на следы от высохшего русла реки); это покрытие, образовавшееся в результате коррозии. При разрыве вдоль кристалла на электронном микроскопе на поверхности разлома можно увидеть плоские углубления (глубина которых превышает ширину), лопастеподобные структуры, ступени и структуры, напоминающие русла рек. Зона углублений образуется в результате совместного действия напряжений и коррозионных факторов; лопастевидные структуры и ступенчатые участки возникают в результате соединения трещин, вызванных напряженно-коррозионным разрушением, на разных плоскостях; различия в структуре поверхности обусловлены лишь различием направления наблюдения. В общем, характеристики зоны разлома при коррозии под действием напряжений довольно сложны. Он связан с кристаллической структурой материала, механическими свойствами, составом сплава, состоянием термообработки, окружающей средой, температурой и давлением. Он может иметь хрупкий тип разлома, а иногда — пластичный; способ разлома может быть как межкристаллическим, так и транскристаллическим. Например, в обычных условиях низколегированная сталь, сталь с низким содержанием легирующих элементов, алюминиевые сплавы и α-латунь разрушаются по направлению кристаллограней, тогда как β-латунь и аустенитные нержавеющие стали, находящиеся в контакте с хлоридами, в большинстве случаев разрушаются перпендикулярно кристаллограням. Исходя из описанных механизмов и условий возникновения коррозии под действием напряжений, можно сказать, что основным способом предотвращения разрушения под действием такой коррозии является правильный выбор материала. Необходимо использовать материалы, имеющие низкую чувствительность к коррозии под действием напряжений, учитывая напряжения, которые испытывает деталь, а также условия её эксплуатации. Например, латунь очень чувствителна к коррозии под действием аммиака; поэтому в элементах, находящихся в контакте с аммиаком, следует избегать использования медных сплавов ； Во-вторых, снижение или устранение остаточных растягивающих напряжений в деталях позволяет уменьшить чувствительность к процессу SCC. Для этого на этапе проектирования необходимо сводить к минимуму концентрацию напряжений в деталях. При обработке деталей необходимо обеспечить равномерное нагревание и охлаждение; при необходимости следует применять процедуру отжига для устранения напряжений. Устранение или частичное снижение внешних растягивающих напряжений способствует предотвращению процесса SCC ； Кроме того, улучшение условий среды можно достичь путем добавления ингибиторов или защитных слоев, а также сокращения и устранения вредных химических ионов, способствующих коррозии под действием напряжений. Таким образом, изменяя условия среды, можно предотвратить коррозию под действием напряжений ； Например, снижение содержания хлорид-ионов в охлаждающей воде и воде пара путем её очистки является очень эффективным способом предотвращения коррозионного разрушения аустенитных нержавеющих сталей под действием напряжений. Поэтому улучшение конструкции металлических элементов с целью предотвращения накопления коррозионных веществ является важной мерой по сдерживанию процесса SCC. Наконец, с точки зрения электрохимической защиты для предотвращения коррозии под действием напряжений также можно использовать катодную защиту, поскольку катодная поляризация способствует снижению скорости распространения трещин. Однако следует учитывать, что для высокопрочных сталей или других материалов, чувствительных к воздействию водорода, метод катодной защиты применять нельзя.

Последнее изменение в этом посте было сделано Brandon 12.09.2009 в 12:45. 1. Коррозия металлов и сплавов, возникающая под действием одновременно коррозии и растягивающих нагрузок, называется коррозией под действием напряжений. Таким образом, трещины, возникающие в таких условиях, называются трещинами от коррозии под действием напряжений, то есть SCC (Stress Corrosion Cracking). Коррозия под действием напряжений происходит только в некоторых определенных системах «материал–среда». Кроме того, необходимо наличие растягивающих напряжений (внешних напряжений или остаточных напряжений, возникающих в результате сварки, холодной обработки и т. д.). Расщепление может произойти даже в среде с слабой коррозионной активностью. Существует два типа форм трещин, возникающих в результате коррозии под действием напряжений: один из них – развитие трещин вдоль границ кристаллов, что называется межкристаллическим разрушением ； Другой тип — это разрушение через кристаллиты, называемое трансграничным разрушением ； Существуют также смешанные типы, например, когда основная трещина имеет межкристаллический характер, а вспомогательные — транскристаллический. Ее трещины перпендикулярны напряжениям растяжения. Поскольку коррозионное разрушение металлов под действием напряжений происходит в хрупкой форме и не сопровождается явными предупредительными признаками, оно является одной из самых опасных форм коррозии. 2. Следующие среды могут спровоцировать коррозионное разрушение аустенитной нержавеющей стали под действием напряжений: горячие хлоридные растворы, горячая морская вода, вода при высоких температурах, горячие растворы NaCl, трихлорэтан, водные растворы H2S, водные растворы NaOH, концентрированная вода из котлов, водяной пар, водные растворы NaOH и сульфидов. В растворах, содержащих ионы, чувствительные к коррозии под действием напряжений (например, Cl-, OH- и т. д.), в участках стали, находящихся под напряжением (например, вблизи швов), может произойти опасное коррозионное разрушение. Особенно растворы, содержащие ионы Cl-, ответственны за более 70% случаев коррозионного разрушения аустенитных нержавеющих сталей под действием напряжений. Чем выше концентрация Cl-, тем легче происходит трещинование, однако четкого предела концентрации, при котором трещинование не возникает, не существует. Существует такой пример: в теплообменниках из хромоникелевой нержавеющей стали в зазорах между трубами и перегородками накопилась охлаждающая вода, содержащая ионы Cl-. Это привело к коррозионному разрушению труб из нержавеющей стали, в результате чего они были повреждены в течение 9 месяцев. Поэтому наличие небольших количеств Cl- в воде также представляет серьезную опасность для аустенитных нержавеющих сталей. 3, 1) Перед выбором материала необходимо тщательно проверить качество воды, чтобы выбрать подходящий материал. 2) Проводить разумный проектирование, чтобы избежать зон высоких напряжений. 3) При производстве необходимо разработать рациональную технологию для устранения остаточных напряжений.

Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем lanye55 16.09.2009 в 08:38. Приводится более полный ответ; все участники, отвечавшие на вопросы, уже высказали свои мнения. Теперь приводится более подробный ответ на этот вопрос: Разрушение под действием напряженно-коррозионного воздействия – это разрушение металла под действием одновременного воздействия напряжений (растягивающих) и коррозии (при определенных температурных условиях). Коррозия под действием напряжений является довольно сложным процессом: при отсутствии напряжений коррозия минимальна ； Под действием напряжений металл может треснуть даже при незначительной коррозии. Поскольку такой разрыв происходит в результате хрупкого разрушения, он сопровождается отсутствием явных предвестников, что способствует возникновению катастрофических происшествий. Основные комбинации металлов, способных подвергнуться коррозии под действием напряжений, и окружающей среды следующие: 1. Углеродистая сталь и стали с низким содержанием легирований: щелочные растворы, нитраты, безводный аммиак, влажный сероводород, уксус и т. д. 2. Аустенитная нержавеющая сталь: хлорид-ионы, растворы хлоридов + пары, влажный сероводород, щелочные растворы и т. д. 3. Аустенитная нержавеющая сталь с содержанием молибдена: щелочные растворы, растворы хлоридов, растворы серной кислоты + медного купороса и т. д. 4. Латунь: аммиак и его растворы, железный хлорид, влажный диоксид серы и т. д. 5. Титан: метанол или этанол, содержащие соляную кислоту, расплавленный хлорид натрия и т. д. 6. Алюминий: влажный сероводород, сероводород, содержащий водород, морская вода и т. д О средах, способствующих коррозии под действием напряжений, а также о металах можно узнать в таблице на втором этаже