CC BY
30
Овчинников Илья Игоревич
Ovchinnikov Ilya Igorevich ФБГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Г агарина Ю.А.»
Saratov State Technical University named after Yu.A. Gagarin Доцент кафедры «Транспортное строительство» Associate professor, Department of Transport Constructions Механика деформированного твердого тела,
Строительная механика E-Mail: BridgeArt@mail.ru
Влияние программы нагружения на коррозионно-механическое поведение круглых пластинок
Influence of the program of loading on corrosion and mechanical behavior
of round plates
Аннотация: Приводится описание установки, методика проведения и результаты испытаний по исследования влияния программы нагружения и напряженного состояния на кинетику коррозионного износа круглых пластинок.
The Abstract: The description of installation, technique of experimental investigation and results of tests on researches of influence of the loading program and stressed state on corrosion deterioration of round plates is resulted.
Ключевые слова: Коррозионное разрушение, программа нагружения, круглая пластинка
Keywords: Corrosion attack, loading program, circular plate
***
Введение
Для разработки расчётных схем, моделирующих поведение тонкостенных конструкций в коррозионных средах, для их идентификации нужны надежные экспериментальные данные о влиянии вида, уровня, программы изменения напряженного состояния на скорость коррозии. Однако, несмотря на наличие определенного количества экспериментальных данных, нет еще достаточной ясности о влиянии сложного напряженного состояния на скорость коррозии металлов. В связи с этим было организовано экспериментальное исследование влияния величины напряжений при плоском напряженном состоянии при упругих и упруго-пластических деформациях на скорость общей коррозии металлов.
Постановка эксперимента
Для проведения испытаний использовались экспериментальные установки, позволяющие испытывать круглые пластинки на чистый изгиб в условиях одностороннего воздействия агрессивной среды [1,2]. На рис. 1 представлены схема и общий вид установки. Нагружение осуществляется с помощью винта (1), укрепленного в верхней плите (2), и нажимной втулки (3), опирающейся на пластину (4), и создающей распределенное по её контуру усилие P . Нагрузка создается вращением винта с помощью гаечного ключа, её величина контролируется с
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
помощью тензометрической мессдозы вторичным прибором (измерителем статических деформаций ИСД-3). Погонное усилие Р определяется выражением Р = Р/(2рЬ), где Р - усилие затяжки болта; Ь - радиус пластинки.
Рис. 1. Экспериментальная установка и ее схема:
1- мессдоза, 2 плита, 3 - крышка, 4 - пластинка,5 - стакан, 6 - опора, 7 - направляющая,
8 - агрессивная среда, 9 - отверстие для залива среды
Образцы, имеющие форму круглых пластин диаметром 150 мм и толщиной 4 мм, изготавливались из стали ВСтЗ и испытывались на чистый изгиб, их растянутая поверхность соприкасалась с коррозионной средой - 6%-ным раствором HNO3 при 20°С. Прогиб в центре пластины замерялся с помощью индикатора, напряжения в образцах контролировались с помощью тензорезисторов, наклеенных на неконтактирующую со средой поверхность пластины. Толщина пластины, изменяющаяся в процессе коррозионного износа, контролировалась как методом непосредственного измерения, так и расчетным путем по известным значениям нагрузки P(t) и прогиба W (t).
Установка позволяла исследовать кинетику коррозионного износа при постоянном, а также при изменяющемся во времени по заданной программе уровне напряжения.
При исследовании кинетики коррозионного износа при постоянном уровне напряжений использовалось выражение для прогиба в центре пластины [3]:
w=1,5 e f a] [(1 -n) (1 -ь)-2(1 -n )ш bib2,
откуда:
h
=a3 [(1 -n)2 (1 -b2)-2(1 -n2 )ln bib
W (t) E
1/3
(1)
где Р(1 ),№■ () - экспериментально измеренные программы изменения усилия и прогиба; а - радиус опорного контура пластины; и - толщина пластины; Е - модуль упругости; V -
коэффициент Пуассона; Ь = Ь, Ь -радиус пластинки.
а
В образцах- пластинах создавались различные по уровню напряжения (110; 150; 200; 220 и 300 МПа), то есть как ниже, так и выше предела текучести оТ = 268 МПА. Постоянство
2
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
напряжений во времени поддерживалось за счет регулярного изменения нагрузки. Параллельно с напряженными пластинами испытывались ненапряженные пластины.
Скорость коррозии определялась весовым методом: по завершении опыта перед определением весовых потерь с образцов удаляли продукты коррозии, измеряли толщину и вес пластин. Продолжительность испытаний - 750 час. Для оценки степени влияния коррозионной среды на прочностные характеристики материала пластинки проводились дополнительные испытания на разрывной машине.
При испытаниях рассмотрены программы нагружения [2]: а) нагружение до постоянного уровня напряжений ниже предела текучести; б) нагружение до напряжений выше предела текучести (пластины, предварительно нагруженные усилием PП,большим, чем начальное рабочее усилие Pрaб, разгружались, на них наклеивались тензорезисторы, и затем загружались
начальным рабочим усилием); в) так как в процессе изготовления в элементах конструкций могут возникать остаточные деформации, то для выяснения их влияния (точнее влияния наклепа) на скорость коррозии проводили эксперименты, в которых образцы, нагруженные до одинакового уровня напряжений, имели различную степень наклепа; г) с целью выяснения влияния переменного нагружения на скорость коррозии были поставлены опыты, в которых часть образцов находилась в условия постоянного нагружения, когда напряжения постоянны во времени, а другая часть находилась в условиях переменного нагружения, программа которого представлена на рис. 2.
б
о
Рис. 2. Программа нагружения пластины
Анализ результатов эксперимента
Результаты экспериментов сведены в таблицу. 1.
Таблица 1.
V = А m г Скорость коррозии 7 час
Рп - предварительная нагрузка на образец (с целью его наклепа); Рраб -начальная нагрузка на образец.
Анализ результатов экспериментов показывает, что:
А m ? ?
при 7 = 0 V =--------= 8,75--------= 0,0116 -------,
Т мес час
Аm ? ?
при 7 = 110 МПа V =-------= 18,15----= 0,0242------.
Т мес час
где 7 - напряжение в пластинке в зоне чистого изгиба; V - скорость коррозии; Аm -изменение массы пластинки; Т - время опыта (Т = 750 час). Как видно, напряженное состояние при прочих равных условиях заметно влияет на скорость коррозии.
Внутренние микронапряжения распределяются по поверхности пластинки неравномерно. Они концентрируются на границах зерен, скоплений дислокаций и т.п. Результаты эксперимента свидетельствуют, что наиболее интенсивно коррозия развивается в местах микроконцентраторов напряжений. Это видно на фотографиях: на ненагруженном образце общая коррозия более равномерная (рис. 3), чем на нагруженном (рис. 4).
Рис.3. Характер коррозионных повреждений ненагруженной пластины
Рис.4. Характер коррозионных повреждений нагруженной пластины
Скорость коррозии, как показали эксперименты, существенно зависит от величины напряжений I рода:
г г
при а = 1534 МПа V = 26,2----------= 0,0349-;
мес час
гг
при а = 2200 МПа V = 30,1----= 0,04----.
мес час
Эксперименты показали, что скорость коррозии зависит от наклёпа образцов: при начальном рабочем усилии Pрaб = 1450 кГ у образца 1, нагруженного предварительно усилием
Рп = 1500 кГ, скорость коррозии V = 0,0265 г/час, а у образца 2, нагруженного предвари-
( г Л г
тельно усилием Pп = 1900 кГ, V = I 26,2---I = 0,0349--. Также установлено, что скорость
^ мес) час
коррозии при переменном нагружении больше, чем при одноразовом постоянном нагружении (Рис. 5) из-за того, что изменяются условия разрушения защитного слоя из продуктов коррозии на поверхности металла.
0.066
0.053
\
0.0266 0,0/23
/^2
£000
40000
15000
20000
15000
Рис. 5. Влияние величины приложенного начального усилия на скорость коррозии при постоянном нагружении (1) и при переменном нагружении (2)
Выводы: в результате исследований коррозионного износа пластин из стали ВСтЗ при действии 6%-ного раствора азотной кислоты установлено:
а) напряженное состояние влияет на скорость коррозии: скорость коррозии в нагруженном образце более чем в 2 раза выше, чем в ненагруженном;
б) скорость коррозии зависит от наклепа: с увеличением наклепа увеличивается скорость коррозии;
в) скорость коррозии у пластин при малоцикловом нагружении выше, чем у пластин при постоянном нагружении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кабанин В.В., Канаева О.В., Овчинников И.И. Экспериментальное исследование влияния напряженного состояния на кинетику коррозионного износа круглых пластинок при различных программах нагружения// Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». 2006, вып. 6(21). С. 87-90.
2. Кабанин В.В., Наумова Г.А., Овчинников И.И. Прочность оболочек вращения, подвергающихся коррозионному износу в неоднородном поле температур. Волгогр. гос. архит. -строит. ун-т. Волгоград. Изд - во ВолгГАСУ. 2007. 108 с.
3. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчет пластин. Киев, "Будивельник", 1970. 435 с.
Данная работа выполнена в рамках работы над грантом РФФИ № 12-01-31130 Мол а «Нелинейные модели деформирования и методы определения долговечности элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и полями».
