Коррозионное разрушение металла.

Коррозия– это разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с коррозионной средой (агрессивная атмосфера, растворы кислот, щелочей, солей и т.п.). Коррозионное разрушение часто проявляется во взаимодействии с другими видами разрушения, такими, как износ или усталость.

Коррозию классифицируют по следующим признакам:

- по механизму протекания коррозийного процесса – химическая (в газовой или жидкостной среде, не проводящей электрический ток) и электрохимическая (в среде электролита).

1. Химическаякоррозия представляет собой, повидимому, наиболее общий тип коррозии вследствие непосредственного контакта поверхности детали с коррозионной средой. Химическая коррозия проиcходит более или менее равномерно по всей открытой поверхности детали.

2. Электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют часть электрической цепи, замыкаемой раствором или пленкой электролита или коррозионной средой.

3. Эрозионная коррозия — это быстропротекающий химический процесс, при котором в результате воздействия абразивных веществ или потоков вязких материалов на поверхности материала постоянно в месте контакта с коррозионной средой обнажается свежий незащищенный материал. 

4. Кавитационная коррозия наблюдается, когда под влиянием давления пара пузырьки и каверны в жидкости лопаются у поверхности сосуда давления, в результате чего удаляются частицы материала и открывается доступ коррозионной среде к свежему, незащищенному материалу.

5. Биологическая коррозия представляет собой процесс коррозии вследствие активности живых организмов, а именно процессов поглощения ими пищи и выделения отходов. Отходами являются вызывающие коррозию кислоты и гидроокиси.

- по геометрическим характеристикам коррозионных разрушений (поверхностная, объемная, сплошная, избирательная, точечная и т.д.);

1. Избирательное выщелачивание представляет собой коррозионный процесс, в результате которого из сплава удаляется какой-либо элемент. Примерами могут служить процессы обесцинкования латуни и графитизации чугуна.

- по характеру дополнительно воздействующих факторов (коррозия при трении, под напряжением);

- по типу коррозионной среды (атмосферная коррозия, газовая, жидкостная, почвенная, водородная, сероводородная).

- водородное повреждение, хотя само и не является какой-либо разновидностью коррозии, вызывается ею. К этому виду повреждения относятся насыщение водородом, водородное охрупчивание и обезуглероживание.

- газовая коррозия – химическая коррозия металла в газах при высоких температурах;

- атмосферная коррозия – коррозия металла в атмосфере воздуха и в условиях любого влажного газа;

- коррозия внешним током – электрохимическая коррозия металлов под воздействием тока от внешнего источника;

- коррозия блуждающим током – электрохимическая коррозия под воздействием блуждающего тока;

- контактная коррозия – электрохимическая коррозия, вызванная контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите;

- фреттинг-коррозия – коррозия при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды.

По характеру коррозийного разрушения на поверхности или в объеме металла коррозию на поверхности или в объеме металла коррозию разделяют на сплошную, равномерную по всей поверхности или неравномерную на различных участках и местную.

Местную коррозию подразделяют на следующие виды:

- пятнами, диаметр которых больше глубины прокорродировавшего слоя металла;

- язвенная, в виде каверн, диаметр которых соизмерим с их глубиной;

- питтинговая или точечная в виде множества отдельных точек диаметром 0,1…0,2 мм значительной глубины;

- межкристаллическая коррозия характеризуется локальными воздействиями на границах зерен некоторых медных, хромовых, никелевых, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов после неправильной термообработки или сварки. Образование локальных гальванических ячеек, в которых осаждаются продукты коррозии, приводит к  существенному снижению прочности материала в результате межкристаллической коррозии.

- ножевая (является разновидностью межкристаллитной), разрезающая металл словно ножом вдоль шва в зоне термического влияния сварки и возникающая при использовании некоторых сплавов в особо агрессивных условиях;

- подповерхностная, начинающаяся от точечных поражений и распространяющаяся в стороны под очень тонким, например наклепанным слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится;

- нитевидная, возникающая под защитными покрытиями при их местном повреждении под воздействием капиллярных сил.

- сквозная – коррозия, вызвавшая разрушение металла насквозь.

Особо опасными видами местной коррозии вследствие трудности их обнаружения являются межкристаллитная, стресс-коррозия (коррозийное растрескивание под напряжением), а также ножевая коррозия.

В зависимости от сочетания процесса коррозии с другими видами воздействия на оборудование выделяют:

- коррозионное растрескивание – коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений растяжения с образованием транскристаллитных или межкристаллитных трещин;

- коррозия под напряжением – коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механических напряжений;

- коррозионная усталость – понижение предела усталости металла, возникающее при одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды;

- коррозионная хрупкость – хрупкость, приобретенная металлом в результате коррозии.

Лекция 11

Усталостное разрушение

Происходит при повторно-циклическом нагружении в результате накопления необратимых повреждений. При этом виде разрушения на поверхности тела вначале появляются микротрещины, одна из которых в результате много- кратного приложения нагрузки прорастает в макротрещину с последующим полным разрушением образца или детали машин. Этот вид разрушения считается наиболее опасным, так как реализуется без макроскопической деформации и высоких скоростей распространения трещины. Различают многоцикловую или малоцикловую усталость.

Многоцикловая усталость или просто усталость характеризуется номинальными напряжениями, меньшими предела текучести; повторноенагружение происходит в упругой области вплоть до разрушения.

Малоцикловая усталость характеризуется номинальными напряжениями, большими предела текучести. При каждом цикле нагружения в теле возникает макроскопическая пластическая деформация. При таком виде нагружения число циклов до разрушения не превышает.

Усталостная трещина - трещиноподобный дефект, образованный под действием циклических нагрузок. Зарождение усталостных трещин происходит под действием локальных пластических деформаций металла. При этом, даже когда действующие напряжения намного ниже предела упругости материала, локальные напряжения из-за наличия концентрации напряжений на включениях или механических повреждениях могут превышать предел текучести металла.

Усталостные разрушения металла появляются скрытно, без видимого изменения размеров и форм в наиболее напряженных участках, как по телу трубы, так и в утолщенном конусе, наиболее жестком элементе колонны. При превышении предела прочности металла происходит растрескивание, раздутие, истирание труб и поломка замковых соединений и муфт, обрывы бурильных, колонковых и обсадных труб, обрывы и прихваты породоразрушающего инструмента. Форма и размеры повреждений при этом могут быть самыми разнообразными: продольные и поперечные трещины различной ориентации и раскрытостью от долей до нескольких миллиметров и даже сантиметров; сквозные повреждения типа порывов и протертых участков; желобной износ протяженностью десятки и сотни сантиметров; вздутия и вмятины труб в радиальном направлении в единицы и десятки миллиметров и протяженностью в осевом направлении в десятки сантиметров. Разнообразны формы и раскрытость обрывов труб - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров и выше; оборванный конец колонны бурильных труб может располагаться в скважине параллельно ее оси или отклоняться от нее в каверны, желоба или пустоты.

Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, формы, ориентации соседних зерен металла, наличие разных включений - шлаков, примесей; дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала - царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных нагрузках на границах отдельных включений и поблизости от микроскопических полостей и разных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит к микропластичным деформациям сдвига некоторых зерен металла (при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения) и накопления сдвигов (которые на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических выступов и впадин - экструзий и интрузий). Далее происходит развитие сдвигов в микротрещине, их сращивание, на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (разрастается). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг к другу, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью.