Коррозия, жаростойкость сталей и их сварных соединений. — КиберПедия 

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...

Коррозия, жаростойкость сталей и их сварных соединений.

2019-11-11 544
Коррозия, жаростойкость сталей и их сварных соединений. 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

Коррозия - это поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды.

Это самопроизвольный процесс, протекающий с уменьшением свободной энергии (термодинамического потенциала) системы металл - окружающая среда. Практически все металлы, соприкасающиеся с газовыми или жидкими средами, коррозируют. 

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Природа химической или общей коррозии характеризуется образованием химического соединения при взаимодействии металла с агрессивной средой без возникновения электрического тока. Образование окисной пленки (окалины) на поверхности металла при контакте с воздухом является одним из видов химической коррозии.

Стойкостью против образования окисной пленки при высоких температурах (> 400°С) должны обладать жаростойкие, жаропрочные и теплоустойчивые стали.

Жаростойкость (окалиностойкость) - сопротивление металла окислению при высоких температурах определяется температурой, временем контактирования металла с воздухом или другим окислительным газом и химическим составом стали.

Начальная стадия окисления - чисто химический процесс, однако, дальнейшее течение окисления - уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом соединении кислорода и металла, но и диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной плёнке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения окисной плёнки.

Повышение жаростойкости достигается главным образом введением в сталь хрома, а также алюминия и кремния, то есть элементов, находящихся в твёрдом растворе и образующих в процессе нагрева защитные плёнки оксидов препятствующих дальнейшему окислению металла.

Наилучшие результаты получаются при одновременном легировании стали хромом и кремнием. Высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и снижает пластичность, поэтому основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания. Сталь, содержащая 5% хрома (сталь15Х5), сохраняет окалиностойкость до 6000С, 9% хрома (сталь 40Х9С2) - до 8000С, 17% хрома (сталь 08Х17Т) - до 9000С, сталь Х25Ю5 успешно может работать при температуре 1100 - 13000С (рис. 2).

 

Рисунок 2 - Влияние хрома на жаростойкость стали

Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса.

Количественными характеристиками жаростойкости стали и сварных соединений являются:

- увеличение массы испытуемого образца за счёт поглощения металлом кислорода;

- уменьшение массы после удаления окалины с поверхности образца, отнесённые к единице поверхности и ко времени проведения испытания. Одновременно учитывается состояние поверхности образца (изделия), которое при одинаковых количественных характеристиках может быть качественно разным.

Скорость общей коррозии может изменяться и в линейных единицах (мм/год) и делиться на 5 баллов (табл. 5).

 

Таблица 5 - Скорость общей коррозии

Баллы Скорость коррозии:
1 - весьма стойкий 0,1 мм/год
2 - стойкий 0,1 - 1
3 - сравнительно стойкий 1 - 3
4 - малостойкий 3 - 10
5 - нестойкий > 10

        

Металл, характеризуемый стойкостью 3-5 баллов, следует считать непригодным для эксплуатации. 2-а балла характеризует ограниченную стойкость.

Природа электрохимической коррозии характеризуется растворением металла в электролите при прохождении тока: ионного в электролите и электронного в металле.

В случае контакта металла с электролитом ион металла стремиться перейти в электролит. Сравнительная степень стремления к переходу ионов металла в водный раствор характеризуется стандартным электродным потенциалом (таб. 6).

При электрохимической коррозии, когда между контактирующими металлами или структурными составляющими металла возникает разность потенциалов, параллельно протекают два процесса: растворение ионов металла - анода в электролите и нейтрализация ионов водорода электролита на катоде. С этим связано разрушение анода (рис. 3).

 

 

Таблица 6 - Стандартные электродные потенциалы металлов в водных
растворах при температуре 25°С (потенциал водорода принят за 0)

металл потенциал
Аu +1,50
Сu +0,33
Н2 0,00
Fe 0,03
Zn - 0,76
Аl -1,66

 

 

Рисунок 3 – Схема электрохимической коррозии при возникновении разности потенциалов

 

Одним из видов электрохимической коррозии является межкристаллитная коррозия - наиболее опасный вид коррозионного разрушения. Развиваясь по границам зерен, она распространяется в толщину металла.

 

Межкристаллитная коррозия

Межкристаллитная коррозия вызывает большую потерю прочности сварной конструкции, часто без изменения внешнего вида. Большинство исследователей считает, что межкристаллитная коррозия хромоникелевых сталей объясняется электрохимической неоднородностью поверхности стали, связанной с работой гальванической пары. Анодами являются небольшие обедненные хромом зоны металла по границам зерен, а катодами - вся остальная поверхность, находящаяся в пассивном состоянии, не подвергающаяся разрушению. Причину межкристаллитной коррозии этих сталей связывают также и с возникающими на границах зерен напряжениями вследствие превращения γ-фазы в α-фазы, так как образование α-фазы сопровождается заметным уменьшением объёма.

Межкристаллитной коррозии подвержены обычно металлы с однофазной структурой. Что касается сталей, то к межкристаллитной коррозии склонны стали аустенитного и ферритного классов. При этом наибольшую склонность к коррозии аустенитные стали и их сварные соединения проявляют после нагрева до 600 - 800°С, а ферритные - после нагрева выше 900°С и последующего быстрого охлаждения. Наиболее распространенной теорией межкристаллитной коррозии является теория обеднения, согласно которой при нагреве аустенитной хромоникелевой стали в интервале 600 - 800°С по границам зерен выпадают карбиды хрома, а пограничные участки зерен обедняются хромом, между карбидами хрома и пограничными участками зерен возникает разность электродных потенциалов, что и приводит к межкристаллитной коррозии.

Схема влияния температуры и продолжительность нагрева на склонность аустенитных сталей и сварных швов к межкристаллитной коррозии (М.К.К) представлена на рис.4.

 

 

Рисунок 4 - Схема влияния температуры на возникновение межкристаллитной коррозии

 

Что касается хромистых ферритных сталей, то выпадение вторичных фаз по границам зерен, согласно теории обеднения, происходит в процессе быстрого охлаждения сталей. Выпадение карбидов и нитридов не только обедняет пограничные участки зерен хромом, но и приводит к возникновению структурных напряжений, что также способствует появлению склонности к межкристаллитной коррозии.

Одной из основных причин, вызывающих пониженную коррозионную стойкость около шовной зоны сварных соединений, по-видимому, следует считать пониженное против необходимых норм содержание связанного в карбиды титана. Что же касается сварного шва, то его склонность к межкристаллитной коррозии объясняется повышенным содержанием в нем углерода и отсутствием титана.

 

Точечная коррозия

Хромоникелевые стали могут в некоторых условиях подвергаться точечной коррозии, которая вызывается местным нарушением пассивности металла в результате образования микроэлементов. Микроэлементы, создающие разность потенциалов между отдельными участками металла, возникают обычно вследствие, наличия неметаллических включений, плен, раковин, трещин, участков окалины и местных загрязнений поверхности стали ржавчиной, пылью и т. п. Помимо гетерогенности поверхности металла, условием возникновения точечной коррозии является также присутствие в агрессивной среде кислорода или другого окислителя, который обеспечил бы стабильность пассивного состояния катодной площади и наличие активатора, который не давал возможности пассивироваться анодной зоне (точечному поражению). Последнее условие обеспечивается ионами хлора, брома и др. Поэтому точечная коррозия хромистых и хромоникелевых сталей часто наблюдается в растворах хлоридов в морской воде и в грунтах. На точечную коррозию хромоникелевых сталей весьма существенно влияет рН раствора. Наиболее глубокую точечную коррозию вызывают нейтральные растворы, у которых рН близок к 7; щелочные растворы менее активны; слабокислые растворы вызывают незначительную точечную коррозию при отсутствии ионов-активаторов.

 

2.1.3. Методы борьбы с коррозией

Для борьбы с межкристаллитной и точечной коррозией могут быть использованы следующие методы:

1. Термическая обработка сварных соединений.

Аустенитные стали закаливаются с температурой 1050 - 1100°С и последующим быстрым охлаждением в воде, или подвергаются стабилизирующему отжигу при температуре 850 - 900°С.

Ферритные стали подлежат отпуску при температуре 700 - 750°С (объяснить смысл термической обработки).

2. Снижение содержания углерода в хромоникелевой стали до 0,02 - 0,03% (стали 000X18Н10) и металле шва.

3. Введение в сталь таких стабилизаторов (карбидообразующих элементов), как титан, ниобий и др.

4. Повышение феррита в аустенитных сталях до 20 - 25% путем легирования Сr, Аl, Si.

Для того чтобы связать углерод стали в другие карбиды, устраняя таким образом возможность образования карбидов хрома, а следовательно, уменьшить возможность появления склонности к межкристаллитной коррозии, нужно ввести в сталь присадку титана, ниобия и др. Практически в сталь вводят обычно титана в 6-7 раз больше, чем углерода. Содержание ниобия в стали должно превышать содержание углерода примерно в 8-10 раз.

В некоторых случаях, вместо обычного принятого режима закалки хромоникелевой стали 12X18H9 с высоких температур рекомендуется применять так называемый стабилизирующий отжиг. Применение стабилизирующего отжига особенно эффективно в целях предотвращения в конструкциях межкристаллитной коррозии сварных швов, а также зон, расположенных вблизи сварных швов либо вблизи перекрещивающихся сварных швов.

Стабилизирующим отжигом называется особый вид термической обработки листовой стали или готовых изделий, при котором в металле достаточно быстро проходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зерна и приводящие структуру стали в стабильное состояние. Выделение карбидов хрома по границам зерен не может повлечь за собой возникновение склонности к межкристаллитной коррозии или снижение сопротивляемости общей коррозии. При этом режиме термической обработки диффузионные процессы в стали 12X18H9, выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью и обеднение границ зерен по содержанию хрома практически не происходит. Стабилизирующий отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 850-900°С с выдержкой, достаточной для того, чтобы процессы распада твердого раствора аустенита и выравнивание концентраций хрома по сечению зерна были полностью закончены. Обычно выдержка 3-5 ч является достаточной для завершения этих процессов.

 

Жаропрочность

Жаропрочность - способность конструкционных материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения.

Чем выше температура и напряжение, при которых металл не претерпевает пластическую деформацию в условиях длительной выдержки, тем он более жаропрочен.

Жаропрочность сталей (сплавов) и сварных швов зависит от их химического состава и структуры. Так, например, обычные углеродистые конструкционные стали под действием напряжений ниже предела текучести могут бесконечно длительное время не разрушаться при обычной температуре, а при высоких температурах под действием даже несколько меньших напряжений (ниже предела текучести при данной высокой температуре) постепенно деформируются и затем разрушаются.

Элементами, повышающими сопротивление ползучести стали (ее жаропрочность), являются молибден, вольфрам, хром - марганец. Находясь в твердом растворе стали, эти элементы упрочняют ее (повышают силу межатомной связи в кристаллической решетке при высоких температурах), повышая тем самым сопротивление ползучести. Присутствие в стали равномерно распределенных карбидов также повышает ее жаропрочность.

Жаропрочность стали зависит и от стабильности ее микроструктуры, т. е. неизменности состава твердого раствора и карбидной фазы в условиях длительной выдержки при рабочих температурах.

Для количественной оценки жаропрочности проводятся механические испытания на ползучесть и длительную прочность, из которых определяются такие характеристики как (рис. 5, рис. 6):

- предел длительной прочности - наибольшее механическое напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при заданной температуре, за заданное время, где длительность испытаний соответствует условиям эксплуатации и рабочей атмосфере;

- предел ползучести - напряжение, которое вызывает заданную скорость деформации за некоторое принятое время при данной температуре.

Предел ползучести обозначается σ8001/1000, что означает: предел ползучести при t = 800 °С, когда деформация ползучести δ=1% достигается за время

t = 1000 ч.

 

 

Рисунок 5 - Предел прочности железа в зависимости от температуры испытания

В заштрихованной области отмечают явление ползучести. Явления, происходящие в металле и связанные с процессами ползучести можно описать так. Пластическая деформация (наклеп) вызывает упрочнение металла. При высокой температуре, когда подвижность атомов достаточно велика, происходит снятие упрочнения (наклепа), вызванного пластической деформацией. Таким образом, в процессе ползучести происходят два конкурирующих процесса: упрочнение металла пластической деформацией и снятие упрочнения под воздействием повышенной температуры.

В связи с этим предел прочности металла зависит при высоких температурах от времени приложения нагрузки (времени испытания).

Пределом ползучести называется напряжение, при котором через определенный промежуток времени, например 100.000 часов, при данной температуре деформация ползучести составит заданную величину, например 1%. Сварные соединения по структуре и механическим свойствам гетерогенны и испытаниям для определения предела ползучести обычно не подвергаются.

В расчетах прочности, работающих в условиях ползучести, используются пределы длительной прочности, соответствующие 100 000 час. работы металла. Если построить зависимость в логарифмических координатах, в которых зависимость будет линейной, то легко можно определить предел длительной прочности для 100 000 час. работы детали (рис.6).

 

Рисунок 6 - Определение предела длительной прочности

Срок службы, на который рассчитана сварная конструкция, определяет выбор характеристик жаропрочности и материала для их изготовления.

В соответствии с некоторыми рекомендациями срок службы ряда сварных конструкций, работающих в условиях жаропрочности, зависит от назначения и составляет (часы):

Ракеты и силовые установки – 1;

Силовые установки самолётов – истребителей – 100;

Силовые установки гражданских самолётов – 1000;

Газовые турбины локомотивов и судов – 10000;

Газовые турбины стационарных силовых установок – 30000

Паровые турбины стационарных силовых установок – 100000

Если надёжность работы сварной конструкции зависит от её деформации при ползучести, то характеристикой жаропрочности служит предел ползучести, определяющий скорость установившейся ползучести на определённом участке при заданной температуре и напряжении. Если лимитирующим фактором надежности конструкции является опасность разрушения детали, то критерием жаропрочности служит предел длительной прочности, определяющий время до разрушения при заданном напряжении и температуре.

 

Хладостойкость

Хладостойкость - это способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах

окружающей среды.

Хладостойкость металла и сварных его соединений характеризуется, в основном, изменением ударной вязкости при постепенном понижении температуры испытания, т.к. при понижении температуры прочность металла обычно несколько повышается, а пластичность и вязкость снижается.

Особенно резко снижение ударной вязкости выражено у сталей перлитного класса. Температура, при которой наблюдается скачкообразное падение ударной вязкости, называется порогом хладноломкости.

Хладноломкость – это хрупкое разрушение, связанное с действием низких температур. К хладноломким относят металлы и сплавы, у которых температура перехода из пластичного состояния в хрупкое лежит выше комнатной.

Свойство хладноломкости вызывается в железе посторонними примесями, главным образом, примесью фосфора, сурьмы, мышьяка и вольфрама, а отчасти также серы, меди, цинка и хрома. Из этих примесей преобладающее влияние оказывает фосфор. Влияние его проявляется тем сильнее, чем богаче металл углеродом. Поэтому, например, в богатой углеродом твердой тигельной стали увеличение примеси фосфора на несколько тысячных долей процента уже значительно усиливает хладноломкость, между тем, как в мягком железе даже колебания в содержании фосфора в несколько сотых процента не оказывают заметного влияния на вязкость, то есть не усиливают хладноломкость.

Порог хладноломкости - критическая температура хрупкости, условный температурный интервал перехода от вязкого разрушения металла к хрупкому, характеризует хладноломкость. Порог хладноломкости характеризуется двумя температурами - верхним и нижним порогами хладноломкости. Верхний порог хладноломкости – это температура, при которой доля вязкой составляющей в изломе металла (сплава) больше 90%. Нижний порог хладноломкости - температура, при которой доля вязкой составляющей в изломе металла меньше 10%.

Из-за сложности оценки хладноломкости (затруднено определение влияния различных факторов, размеров деталей, условий нагружения на склонность к хрупкому разрушению при низких температурах) наиболее приемлемым в настоящее время методом оценки хладноломкости является метод, основанный на определении ударной вязкости образцов с надрезом. В большинстве случаев материалы, имеющие ударную вязкость KCV > 20 Дж/см2 могут быть пригодны для работы при низких температурах.

Испытания на ударный изгиб проводят, чтобы спрогнозировать поведение материала (и конструкции, изготовленной из него) в условиях эксплуатации для установления склонности материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости определяют при проведении так называемых серийных испытаний, т.е. испытаний на ударный изгиб большого числа образцов при последовательно понижающейся температуре. На построенной по результатам испытаний зависимости ударной вязкости от температуры (рис. 7) порогом хладноломкости считают температуру наиболее резкого падения ударной вязкости (изменение знака производной кривой). Обычно эта температура лежит между верхним и нижним порогом хладноломкости.

Порог хладноломкости определяют и по доле волокнистой составляющей в изломе ударного образца (процент волокна в изломе) и доле хрупкого, кристаллического строения излома. Верхний порог хладноломкости примерно соответствует температуре, при которой в изломе 90 % волокна, нижний – 10 %.

 

Рисунок 7 -Зависимость ударной вязкости от температуры

        

Критической температурой хрупкости (порогом хладноломкости) считают температуру, при которой в изломе образца 50 % вязкой составляющей. Разграничение излома на вязкую волокнистую и кристаллическую блестящую части обнаруживается только при испытаниях углеродистых и низколегированных сталей. При испытаниях высокопрочных сталей зоны вязкой и хрупкой составляющей локализованы порой в пределах зерна, поэтому определяются не визуально, а при электронно-микроскопическом исследовании, когда можно уверенно выявить вязкое (чашечный излом) или хрупкое разрушение (ручьистый излом).

Хладноломкость проявляется только в сталях мартенситного и перлитного классов и не проявляется в сталях аустенитного клас­са. Порог хладноломкости углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса находится обычно в интервале температур от -20 до -60°С. Более низким порогом хладноломкости (от -50 до -80°С) обладают хорошо раскисленные, модифицированные стали (09Г2С, 16Г2АФ, 10ХСНД и др.). Особенно заметно повышает хладостойкость перлитных сталей легирование их никелем. Влияние никеля на порог хладноломкости железа (С=0,05) представлен в табл.7.

Хромоникелевые аустенитные стали Х18Н10 и Х18Н20 при температуре

-2000С обладают ударной вязкостью в пределах 180 – 220 Дж/см2, при температуре -250°С составляет 150 - 200 Дж/см2. Для металлоконструкций в северном исполнении порог хладноломкости основного металла и сварных соединений должен находиться в интервале от -60 до -800С, а для металлоконструкций криогенного машиностроения в интервале от -80 до -2700С.

 

Таблица 7 - Влияние никеля на порог хладноломкости железа (С=0,05).

Содержание никеля, % 0 3 6 8
Порог хладноломкости °С, вязкая составляющая >= 50 % - 40 - 120 -180 - 196
Ударная вязкость при - 196°С, Дж/см2 5 23 80 120

 

Хладостойкость определяется не только содержанием легирующих добавок, но и однородностью состава, мелкозернистостью строения.

Большое влияние на склонность к хладноломкости оказывает размер зерна. С увеличением размера зерна понижается сопротивление отрыву и, следовательно, наблюдается более ранний, (по температуре) переход в хрупкое состояние. Поэтому материалы и сварные соединения подвергают нормализации.

Так как хладноломкость, прежде всего, зависит от вязкости материала, то основными способами борьбы с хладноломкостью являются способы, ведущие к повышению вязкости металла или сплава и сварных соединений:

- создание равномерной мелкозернистой структуры;

- уменьшение количества и размеров неметаллических включений;

- уменьшение количества вредных примесей, ведущих к повышению хрупкости (фосфор, сера);

- легирование сталей небольшими добавками (не более 0,15 %) карбидообразующих элементов (титан, ниобий, ванадий);

- использование легирующих компонентов, ведущих к снижению хладноломкости - никеля и молибдена.

Свойство металлов при низких температурах имеет особое значение для новой техники в связи совладением космическим пространством и созданием двигателей с применением жидкого кислорода, водорода и др. низкокипящих сред.

 


Поделиться с друзьями:

Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...

Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.073 с.