CC BY
11
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В. С. Синявский
УДК 620.193:669.715
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.С. Синявский, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:info@oaovils.ru)
Изучен механизм влияния предварительной коррозии в атмосферных условиях на сопротивление усталости сплавов АВТ1, В91Т1 и Д16чТ. После предварительной коррозии в промышленной атмосфере существенное снижение сопротивления усталости на воздухе сплава АВТ1 наблюдается через месяц, а сплава В91Т1 -через два месяца.
Показано, что предварительная коррозия действует аналогично механическому надрезу, не изменяя форму кривой усталости, но существенно уменьшая предел выносливости.
Ключевые слова: усталость, коррозионная усталость, электродный потенциал коррозии, межкристаллитная коррозия, расслаивающая коррозия, коррозионное растрескивание, предел выносливости, предварительная коррозия.
The Effect of Early Stages of Atmosphere Corrosion on Cyclic Strength of Aluminium Alloys. V.S. Sinyavskiy.
Mechanism of the effect of preliminary corrosion under atmosphere conditions on fatigue resistance of AVT1, V91T1 and D16chT alloys has been investigated. After preliminary corrosion under industrial atmosphere conditions a noticeable reduction in fatigue resistance of AVT1 and V91T1 alloys in air was observed in a month and two months respectively.
It is shown that preliminary corrosion acts similar to mechanical notch, it does not change a shape of the fatigue curve, but reduces noticeably fatigue strength.
Key words: fatigue, corrosion fatigue, electrode corrosion potential, intercrystalline corrosion, exfoliation corrosion, corrosion cracking, fatigue strength, preliminary corrosion.
Механизм коррозионной усталости изучали в ряде работ [1-4]. Во многих из них исследование проводили при относительно высоких напряжениях, где обычный процесс коррозии не оказывает в большинстве случаев существенного влияния или степень его достаточно мала. Было установлено, что эффект коррозионной среды заключается в ускорении развития пластической деформации, которая предшествует возникновению коррозионно-усталостных трещин. Используя сплавы с различным сопротивлением локаль-
ной пластической деформации, было показано, что начало разблагораживания (снижения) электродного потенциала коррозии Ек совпадает с возникновением коррозионно-усталостных трещин. Пластическая деформация не приводила к снижению Ек даже в тех случаях, когда она распространялась практически по всей поверхности образца.
В меньшей мере изучали влияние предварительной коррозии на усталостную прочность. Было показано, что она более значимо отражается на циклической прочности, чем
на результатах статических механических испытаний [2].
Для исследований выбрали сплавы АВТ1 с высокой чувствительностью к межкристал-литной коррозии (МКК) и В91Т1, корродирующий транскристаллитно [5]. Отдельные эксперименты проводили на сплаве Д16чТ со средней чувствительностью к МКК. Исследовали прессованные профили из этих сплавов типичных химического состава (табл. 1) и механических свойств (табл. 2).
Методы коррозионных испытаний изложены в справочнике [6] и разработанных в ВИЛСе государственных и международных стандартах.
Испытания на МКК проводили по ГОСТ 9.021-74 в растворе 1, содержащем 30 г/л NaCl+10 мл/л HCl, плотностью 1,19 г/см3. Продолжительность испытаний 24 ч.
На расслаивающую коррозию (РСК) испытания проводили по ГОСТ 9.904-82 в течение 7 суток в растворе 4 (20 г/дм3 K2Cr2O7+
13,5 г/дм3 HCl). 2 2 7
Испытания на коррозионное растрескивание (КР) проводили по ГОСТ 9.019-74 при заданной растягивающей нагрузке на установке «Сигнал 3М» в течение 45 суток.
По результатам испытаний (табл. 3) чувствительность к МКК у сплава В91Т1 отсутствовала.
Сплав АВТ1 проявлял значительную чувствительность к МКК. В соответствии с разработанным в ВИЛСе стандартом ИСО 15329 тип коррозии у него «Д», т. е. интенсивная, сплошная или почти сплошная (см. табл. 3). Максимальная глубина 380 мкм, что соответствует 4 баллу по пятибалльной шкале -плохая стойкость. Тип коррозии у сплава Д16чТ - «С» (отдельные очаги МКК). Глубина 200 мкм - удовлетворительная стойкость ( 3 балл).
Сплав В91Т1 не чувствителен к РСК. У сплава АВТ1 чувствительность к РСК не высока. Сопротивление РСК у сплава Д16чТ низкое. У сплавов АВТ1 и В91Т1 и в поперечном,
Таблица 1
Химический состав (в % мас.) исследованных сплавов
Сплав Mg Si Cu Zn Mn Cr Fe Ti
АВ 0,7 0,98 0,46 - 0,33 - 0,27 0,04
В91 1,8 0,06 0,8 4,4 0,29 0,19 0,11 0,03
Д16ч 1,50 0,15 4,5 - 0,30 - 0,18 -
Таблица 2
Механические свойства исследованных сплавов
Сплав Состояние поставки о , МПа в' о02, МПа S, %
АВ Т1, закалка, старение 160 °С, 10 ч 387 358 12,8
В91 Т1, закалка, старение 100 °С, 4 ч+170 °С, 8 ч 460 410 10,0
Д16ч Т, закалка, естественное старение 405 330 12,0
Таблица 3
Коррозионные свойства исследованных сплавов
МКК РСК КР, МПа
Сплав,
состояние максимальная оценка поперечное высотное
глубина, мкм тип стойкости балл оценка стойкости направление направление
АВТ1 380 Д Плохая 5-6 Удовлетворительная 300 300
В91Т1 190 А Отличная 3 Хорошая 300 300
Д16чТ 200 С Средняя 7 Плохая 150 <70
и в высотном направлениях сопротивление КР
высокое. Пороговое напряжение а , ниже
кр
которого трещины не развиваются и не растут, не меньше 0,75 а02. Сплав Д16чТ в высотном направлении имеет низкое сопротивление КР
(а <70 МПа), а в поперечном - удовлетвори-
кр
тельное (а =150 МПа). В долевом направле-
кр
нии все исследованные сплавы устойчивы к КР!
Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили, что один из выбранных основных сплавов (АВТ1) имеет высокую чувствительность к МКК, а второй (В91Т1) не чувствителен к этому виду коррозии. Кроме того, еще раз подтверждено [2, 7], что высокое сопротивление КР при низком сопротивлении МКК свидетельствует о принципиальном различии в механизме развития этих видов локальной коррозии.
Влияние атмосферной коррозии на циклическую прочность определяли на круглых образцах со шлифованной поверхностью. Образцы испытывали в промышленной атмосфере на коррозионной станции ВИЛСа в течение 1, 2, 6, 10, 12 месяцев. Затем проводили испытания на усталость при изгибе с вращением со скоростью 6000 об/мин. Часть образцов испытывали на усталость после выдержки в растворе 3 % №0! при переменном погружении в течение 180 суток (6 месяцев). Проводили также испытания на усталость на воздухе и на коррозионную усталость при непрерывной подаче на поверхность раствора 3 % №01. Результаты испытаний образцов из сплава В91Т1 показаны на рис. 1.
® 200
I 160
I 120
| 80
1 40
10" 105 10« 107 Число циклов
Рис. 1. Испытания на усталость сплава В91Т1:
1 - на воздухе; 2 - после 6 месяцев выдержки в 3 %-ном растворе ЫаО!; 3, 4, 5, 6 - после выдержки в промышленной атмосфере 2, 6, 10, 12 месяцев соответственно; 7 - на коррозионную усталость в 3 %-ном растворе ЫаО!
Кривая усталости имеет обычную форму с существенным торможением по мере снижения напряжения. Предел выносливости на базе 2-107 циклов ст-1 составил 150 МПа. Предварительная выдержка в течение одного месяца в атмосферных условиях увеличила разброс значений числа циклов до разрушения при высоких напряжениях, но не изменила значения а-г Увеличение выдержки до двух месяцев уменьшило предел выносливости (со 150 до 120 МПа) на 20 %. После 6 месяцев эта величина составила 27 %. Дальнейшее увеличение выдержки (6, 10, 12 месяцев) снижало ст-1. Через 6 месяцев ст-1=110 МПа, после одного года ст-1=75 МПа. При этом форма кривых не менялась. Также не менялась форма кривой при испытаниях на усталость после выдержки в 3 %-ном растворе №01. При сравнении результатов испытаний после выдержки 6 месяцев в атмосфере и в 3 %-ном растворе №0! очевидно, что в первом случае уменьшение значения ст-1 по сравнению с испытаниями на воздухе составило 27 %, а во втором - 50 %.
Таким образом, предварительная коррозия влияет как механический надрез, сохраняя форму кривой усталости и увеличивая потери предела выносливости по мере роста коэффициента концентрации напряжений.
Иначе ведут себя сплавы при коррозионной усталости. При напряжениях ниже ст-1 число циклов до разрушения резко уменьшается. В итоге предел коррозионной усталости ниже, чем в результате предварительной коррозии, и составляет для сплава В91Т1 на базе 2-107 циклов 55 МПа, т. е. 37 % от ст-1. Иными словами, потери при коррозионной усталости составляют 63 % по сравнению с испытаниями на воздухе или предел выносливости понижается в 2,8 раза. Из полученных результатов также следует, что предел коррозионной усталости а гладких образцов на 27 % ниже, чем надрезанных, независимо от способа получения надреза - предварительной коррозией или механической обработкой.
В отличие от сплава В91Т1 сплав АВТ1 имеет более низкое сопротивление усталости на воздухе (ст-1=130 МПа) (рис. 2).
Снижение предела выносливости под влиянием коррозии проходит более интенсивно.
а 200 с 2
о. | 120
а)
0 х
1 80
I 40
104 105 106 107 Число циклов
Рис. 2. Испытания на усталость сплава АВТ1:
1 - на воздухе; 2,3 - после выдержки в промышленной
атмосфере 2 и 6 месяцев соответственно; 4 - на коррозионную усталость в растворе 3 % ЫаС!
После двух месяцев выдержки в атмосфере предел выносливости снижается на 40 %, после 6 месяцев - на 47 %. Даже после
одного месяца предел выносливости уменьшается на 10 %. Это отличие сплава АВТ1 от В91Т1 объясняется не разным типом корро-
зии, а скоростью ее зарождения и развития. Межкристаллитная коррозия образуется быстрее и распространяется с большей скоростью, чем транскристаллитная. Однако при равной глубине оба типа коррозии одинаково влияют на сопротивление усталости [2].
В целом более высокое сопротивление усталости сплава В91Т1 связано с особенностями его химического состава и структуры. Сопротивление коррозионной усталости у сплава В91Т1 также выше, чем у сплава АВТ1 (50 вместо 30 МПа).
Влияние коррозии на сопротивление усталости не всегда однозначно связано с уровнем коррозионной устойчивости. Так, сплав Д16чТ, значительно уступающий сплаву АВТ1 по сопротивлению общей коррозии и корро-
зии под напряжением, превосходит его по сопротивлению усталости после предварительной коррозии в атмосферных условиях и по сопротивлению коррозионной усталости (табл. 4).
Как следует из опубликованных данных [7], еще более заметные преимущества сплав Д16чТ имеет по скорости распространения трещины при испытаниях на воздухе и в коррозионной среде.
Выводы
1. После экспозиции в промышленной атмосфере существенное снижение сопротивления усталости на воздухе сплава АВТ1 наблюдается через месяц, а сплава В91Т1 -через два месяца.
2. Предварительная коррозия в атмосферных или лабораторных условиях действует аналогично механическому надрезу, не изменяя форму усталостной кривой, но существенно уменьшая предел выносливости.
3. Межкристаллитная коррозия в сплаве АВТ1 приводит к более быстрому зарождению и развитию коррозионных процессов, влияющих на выносливость, чем транскристаллитная в сплаве В91Т1. При одинаковой глубине поражения влияние двух типов коррозии на сопротивление усталости одинаково.
4. Сплав В91Т1 при старении по ступенчатому режиму: 100 °С, 4 ч+170 °С, 8 ч, по всем показателям механических и коррозионных характеристик превосходит сплав АВТ1.
5. Предел коррозионной усталости гладких образцов на 25-30 % ниже, чем надрезанных, независимо от способа получения надреза - предварительной коррозией или механической обработкой.
Таблица 4 Сравнительные данные по различным видам разрушения при циклическом нагружении
Сплав, состояние Предел коррозионной усталости на базе 2-107 циклов, МПа Предел усталости на базе 2-107 циклов
в исходном состоянии, МПа после 2 месяцев испытания в атмосфере, МПа потери, %
АВТ1 30 130 80 38,5
Д16чТ 45 180 135 25
В91Т1 50 155 120 23
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Веденкин С.Г., Синявский В.С.//Журнал физической химии. 1962. № 10. C. 22092214.
2. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д.
Коррозия и защита алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1986. - 363 с.
3. Похмурский В.Н. Коррозионная усталость металлов. - М.: Металлургия. 1985. - 150 с.
4. Proccedinys of Conference on Corrosion Fatigue:
Chemistry, Mechanics and Microstruture. NACE, Hauston, Texas, 1971. - 240 c.
5. Бочвар О.С., Синявский В.С. и др.//Техноло-гия легких славов. 1981. № 3. C. 17-21.
6. Синявский В.С. Методы контроля и исследования легких сплавов. - М.: Металлургия, 1985. C. 359-429.
7. Синявский В.С.//Технология легких сплавов. 2011. № 3. C. 79-84.
