Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание.

4.1. Общие положения

4.1.1. Размер образца может ограничивать стоимость материала, наличие материала в требуемом металлургическом состоянии, а также возможности испытательного оборудования (предельные нагрузки, объем испытательной камеры). Крупные образцы имеют преимущество в том, что при испытании все требуемые характеристики материала получают с высокой точностью и исключаются проблемы, связанные с общей или точечной коррозией, которые возникают при использовании образцов малого поперечного сечения, например, очень тонкой проволоки.

4.1.2. Ориентация опытных образцов, взятых от основного материала, по отношению к форме и ориентации зерен и остаточные напряжения имеют большое значение, равно как и наличие неметаллических включений и частиц второй фазы.

4.1.3. В некоторых случаях программы испытания на КР составляют после разрушений в условиях эксплуатации, и разрушенные детали используют в качестве опытного материала. Если требуется отобрать образцы из разрушенных изделий для исследования развития микротрещин, их отбирают только из зон, свободных от трещин.

Различия в структуре металла, имеющиеся в исследуемом изделии, также должны учитываться при выборе материала для изготовления образцов.

4.1.4. На испытуемые образцы наносят идентификационные номера или их клеймят. Они должны располагаться как можно дальше от испытуемого участка образца, например, на концах образцов типа изогнутого бруса, чтобы избежать влияния на результаты испытаний.

4.2. Состояние поверхности

4.2.1. Зарождение трещин КР всегда связано с инициированием реакций на поверхности, поэтому состояние поверхности определяется изменением ее шероховатости в зависимости от особенностей выбранного метода обработки. На поверхности могут оставаться остаточные напряжения, и локальные изменения состава и структуры могут быть связаны с поверхностными слоями. В программе испытаний следует учитывать эти факторы.

4.2.2. Чистота поверхности, как правило, оказывает более заметное влияние на результаты испытаний мягких, более пластичных материалов или образцов большого сечения. Так на КР латуней не оказывает заметного влияния значительное изменение шероховатости поверхности, тогда как шлифование, особенно если при нем образуются микротрещины, может резко снизить сопротивление высокопрочных сталей к КР. Влияние изменения шероховатости поверхности изменяется обратно пропорционально сечению образцов.

4.2.3. Остаточные напряжения возникают на поверхности как результат неоднородной пластической деформации, например, обусловленной механической обработкой, или косвенно, вследствие тепловых эффектов или изменений объема, связанных с фазовыми превращениями. Могут также возникать локальные изменения в составе. Остаточные напряжения на поверхности образцов, испытываемых на КР, влияют на длительность испытаний: сжимающие напряжения увеличивают, а растягивающие — уменьшают время до разрушения при других сравнимых условиях. Остаточные напряжения устраняют или уменьшают соответствующей термической обработкой, проводимой таким образом, чтобы не повлиять на другие факторы, например, на механические свойства.

4.2.4. Помимо различных воздействий, объясняемых эффектами остаточных напряжений, структурные изменения, возникающие в поверхностных слоях образцов, могут быть значительными сами по себе в отношении влияния на КР некоторых сплавов. Влияние пластической деформации на сопротивление растрескиванию может быть довольно значительным, как и влияние локальных фазовых превращений под действием деформации или тепла, генерированного последней.

Например, время до разрушения образцов сталей типа 18–8 с механически обработанной поверхностью будет меньше (примерно в 4 раза), чем для образцов с поверхностью, полученной электрополированием; образцы высокопрочных, закаленных и отпущенных сталей, шлифованию которых способствует образование тонкого слоя неотпущенного мартенсита на поверхности, обладают повышенной чувствительностью к КР.

4.2.5. Термическая обработка, проводимая на полностью изготовленных образцах, может вызвать довольно значительные изменения состава поверхности, например, обезуглероживание сталей или обесцинкование латуней, которые вызывают резкое изменение сопротивления КР. Пленки окислов, особенно если они образовались при высоких температурах во время термообработки или изготовления, могут влиять на результаты испытаний, в особенности тогда, когда время зарождения трещин составляет значительную часть времени до разрушения.

4.2.6. Если до окончательной подготовки поверхности образцов используют химические или электрохимические методы обработки, следует принять меры, обеспечивающие минимальное загрязнение поверхности. Для материалов, чувствительных к разрушению при наводороживании, не допускается использовать химические или электрохимические методы обработки, при которых выделяется водород. При этих обработках иногда возникает избирательная коррозия определенных фаз, что может влиять на результаты испытаний.

4.3. Влияние площади образцов

Результаты испытаний на КР зависят от площади испытуемых образцов, подвергаемой действию среды. Обычно влияние заключается в увеличении разброса результатов, и образец должен иметь достаточные размеры, чтобы свести к минимуму этот эффект.

4.4. Испытание образцов с предварительно нанесенной трещиной

4.4.1. Использование образцов с надрезами при испытаниях на КР дает стабильную воспроизводимость результатов благодаря легкости измерения таких параметров, как скорость роста трещин, когда положение трещины предварительно определено. При испытаниях гладких образцов в идентичных условиях растрескивания не наблюдается. Исследования в области механики хрупкого разрушения привели к эволюции новой области испытания на КР на основе использования образцов, имеющих острую, предварительно нанесенную трещину, обычно получаемую от надреза путем усталостного нагружения.

Примечание. Определение в процессе испытаний значений коэффициента интенсивности напряжений К1,который определяет область напряжений вблизи вершины трещины, имеет большое практическое значение, особенно для материалов с высоким пределом текучести, поскольку изделия часто имеют трещины, появляющиеся в процессе их изготовления или эксплуатации. По величине коэффициента интенсивности напряжений может быть оценена вероятность и предельная степень распространения трещины, что позволит сделать выводы о возможности дальнейшей эксплуатации изделия.

4.4.2. Трудности при выборе гладких образцов для оценки сопротивления КР аналогичны трудностям при выборе образцов с предварительно нанесенной трещиной из-за большого количества типов таких образцов. Стойкость к КР образцов различных размеров и форм связывается через коэффициент интенсивности напряжения, что позволяет сопоставлять результаты испытаний.

Наибольшие трудности связаны с необходимостью выбора образцов больших размеров из высокопластичных металлов. Эксплуатационные разрушения при КР наиболее часто происходят в высокопластичных материалах в относительно тонких сечениях, что приводит к определенным проблемам при выборе образцов. Образцы с предварительно нанесенными трещинами, размеры которых не соответствуют требованиям линейного упругого анализа, следует применять в тех случаях, когда результаты испытаний используют для изделий таких же размеров и аналогичных условий эксплуатации.

4.4.3. Исходя из линейной механики разрушения, можно найти примеры, где использование образцов с предварительно нанесенными трещинами для моделирования условий эксплуатации оправдано той относительной легкостью, с которой зарождаются трещины при развитии коррозионного процесса, или преимуществами, которые могут быть получены от распространения одной единственной трещины.

Примечание. Не всегда справедливы утверждения, что использование указанных образцов исключает начальную стадию развития трещин, так как они ошибочно связываются с влиянием коррозионного питтинга, приводящего к концентрации напряжения, соизмеримой с концентрацией напряжений в вершине предварительно нанесенной трещины.

Размеры и форма питтинга, надреза или предварительно нанесенной трещины, распределение напряжений при испытаниях важны при рассмотрении влияния электрохимических факторов. Это объясняется тем, что при нарушении непрерывности геометрического контура создаются локализованные электрохимические условия в части состава среды или электродного потенциала, благодаря которым возможно распространение коррозионных трещин.

Возражения, которые иногда выдвигались против использования образцов с предварительно нанесенными трещинами (например, в отношении правомерности выращивания транскристаллитной предварительной трещины в образце, который подвергается межкристаллитному коррозионному растрескиванию, или в отношении необходимости проведения дорогостоящих экспериментов для получения очень острых трещин, в то время как воздействие коррозионной среды может притупить трещину растворением), не учитывают того, что такие острые несплошности существуют в реальных материалах. Одно из главных преимуществ испытания образцов с предварительно нанесенными трещинами в том, что оно позволяет получить данные, на основе которых рассчитываются максимально допустимые размеры дефекта в конструкциях. Следует учитывать, что существует нижний предел размера дефектов и верхний предел приложенных напряжений, за пределами которых применение законов линейной механики разрушения неправомерно. В частности, результаты испытаний при размерах дефектов ниже 0,1 мм или когда величина локального напряжения достигает предела текучести, могут быть не очень надежными, как и расчеты максимальных размеров допустимого дефекта.

4.4.4. Если используют образцы с предварительно нанесенными трещинами и в данных различных лабораторий имеются расхождения, то для определения КIкрприменяют метод возрастающей нагрузки.

Примечание. При ступенчатом и прямом нагружениях наблюдалось хорошее согласование результатов испытаний, однако была отмечена также их зависимость от скорости ступенчатого нагружения.

4.4.5. Если трещина распространилась на определенное расстояние, то испытание на гладком образце становится неотличимым от испытания, в котором растрескивание зарождается от предварительно полученной трещины,— по крайней мере, в отношении КIкр, хотя может наблюдаться влияние электрохимических факторов.

4.4.6. При вычислении перед проведением испытания длины исходной предварительно нанесенной усталостной трещины учитывают, что трещина может иметь кривизну и максимальная длина трещины может быть больше измеренной на поверхности образца.