Коррозионно-механические повреждения

Коррозионно-механическиое изнашивание характеризуется процессом трения материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой. При этом на поверхности металла образуются новые, менее прочные химические соединения, которые в процессе работы сопряжения удаляются с продуктами изнашивания. Типичными видами коррозионно-механических повреждений является: коррозионная усталость, коррозионное растрескивание и коррозия при трении (фреттинг-коррозия).

Коррозионная усталость представляет собой процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. В отличие от обычного усталостного разрушения зарождение коррозионно-усталостной трещины происходит при дополнительном действии коррозионного фактора. Коррозионный фактор значительно усиливает развитие «повреждений» в структуре металла, возникающих в «слабых» зернах при микропластической деформации. Вследствие коррозии на поверхности детали может возникнуть микроскопический питтинг, который явится концентратором напряжения и послужит причиной образования сетки микротрещин.

Процесс развития трещины коррозионной усталости протекает также более интенсивно, так как дно и стенки трещины подвергаются воздействию коррозионной среды, что увеличивает скорость роста трещины в глубину и вызывает расклинивающий эффект продуктов коррозии. Основными факторами явления коррозионной усталости являются: 1) активность коррозионной среды; 2) уровень действующих циклических напряжений; 3) число циклов нагружения в единицу времени; 4) прочность и коррозионная стойкость сплава.

Характер коррозионно-усталостного разрушения зависит от активности факторов, обусловливающих разрушение. При высокой агрессивности коррозионной среды и низкой частоте циклов нагружения трещина усталости имеет клиновидную форму (рисунок 8, а).

При большой частоте циклов, достаточно высоком уровне напряжений и слабой агрессивности коррозионной среды трещина коррозионной усталости, возникающая на дне питтинга, по своему характеру приближается к обычной усталостной трещине (рисунок 8, б). Различие заключается в том, что под влиянием коррозионной среды стенки трещины окисляются и на поверхности излома, как правило, нет четко выраженных концентрических волн, подтверждающих импульсный характер развития усталостной трещины.

Для повышения долговечности деталей машин, работающих в условиях коррозионной усталости, необходимо тщательно изолировать рабочую поверхность детали от коррозионной среды, снижать величину и цикличность напряжений, действующих на поверхность металла.

Рисунок 8 – Характер коррозионно-усталостных трещин:

а — преобладающее действие коррозии; б — преобладающее действие механического фактора.

Коррозионное растрескивание. Этот вид разрушения возникает под действием статических напряжений и весьма агрессивной (по отношению к данному металлу) коррозионной среды. Большая опасность коррозионного растрескивания состоит в том, что при отсутствии видимых повреждений может произойти внезапное разрушение детали, находящейся под напряжением.

Основные причины коррозионного растрескивания: 1) пониженная коррозионная стойкость границ зерен; 2) наличие в сплаве структурной составляющей, неустойчивой по отношению к данной коррозионной среде; 3) наводораживание границ зерен, сопровождающееся развитием значительных давлений, что приводит к уменьшению межкристаллитной прочности.

Коррозионному растрескиванию в морской воде подвержены детали из нержавеющей высокохромистой стали (15Х25Т коррозионностойкая жаропрочная) и сплавы на алюминиевой основе, в растворах хлористых металлов (МgCl₁₂, ZnCl₂, LiСI) – нержавеющая сталь аустенитного класса (12Х18Н10Т).

При назначении материалов для изготовления деталей машин, работающих в агрессивных средах под напряжением, необходимо тщательно изучить все имеющиеся сведения о стойкости сплава в рассматриваемых условиях и выбрать такой материал, который в данных случаях не подвержен коррозионному растрескиванию.

Изнашивание при фреттинг-коррозии. Изнашиванием при фреттинг-коррозии называется коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях. Этот вид изнашивания отличается от изнашивания при фреттинге. Основное отличие заключается в том, что изнашивание при фреттинге происходит в отсутствие окисляющей окружающей среды без проявления химической реакции материалов деталей и продуктов изнашивания с кислородом.

Изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии обычно происходит на осях и ступицах колес; на опорных поверхностях пружин; на затянутых стыках, пригнанных поверхностях шпонок и пазов; на опорах двигателей и редукторов. Необходимым условием возникновения фреттинг-коррозии является относительное проскальзывание сопряженных поверхностей, которое может быть вызвано вибрацией, возвратно-поступательным пе­ремещением, периодическим изгибом или скручиванием сопряженных деталей. Фреттинг-процесс сопровождается схватыванием, окислением, коррозией и усталостным разрушением микрообъемов.

В результате фреттинг-коррозии предел выносливости поверхности уменьшается в 3 - 6 раз. На поверхностях деталей в местах сопряжений образуются натиры, налипания металла, раковины, а также поверхностные микротрещины. Отличительным признаком износа вследствие фреттинг-коррозии является наличие на поверхностях трения раковин, в которых сосредоточены спрессованные оксиды, имеющие специфическую окраску. При фреттинг-коррозии продукты изнашивания в основной своей массе не могут выйти из зоны контакта рабочих поверхностей деталей.

Изнашивание при фреттинг-коррозии влечет за собой нарушение размерной точности соединения (если часть продуктов изнашивания находит выход из зоны контакта), либо заедание и заклинивание разъемных соединений (если продукты изнашивания остаются в зоне трения). Для фреттинг-коррозии характерны:

- низкая скорость (около 3 мм/с) относительного перемещения поверхностей и путь (0,025 мм) трения;

- локализация повреждений поверхности на площадках действительного контакта вследствие малых относительных смещений;

- активное окисление и интенсификация разрушения поверхностей под действием кислорода воздуха.

Процесс изнашивания при фреттинг-коррозии в условиях трения без смазочного материала делится на три этапа:

Первый этап сопровождается разрушением выступов и оксидных пленок вследствие циклически повторяющихся колебательных относительных перемещений контактирующих поверхностей под действием высоких нагрузок. Происходят процессы упрочнения материалов и пластического деформирования выступов микронеровностей, вызывающие сближение поверхностей. Сближение поверхностей вызывает молекулярное взаимодействие и схватывание металла в отдельных точках контакта. Разрушение вследствие усталости выступов и узлов схватывания порождает продукты изнашивания, часть которых окисляется. Для этого этапа характерен повышенный износ с монотонно убывающей скоростью изнашивания.

На втором этапе в поверхностных слоях накапливаются усталостные повреждения. В зоне трения формируется коррозионно-активная среда под действием кислорода воздуха и влаги. Между поверхностями создается электролитическая среда, ускоряющая процесс окисления металлических поверхностей и их коррозионное разрушение. Для этого этапа характерны стабилизация процесса изнашивания, уменьшение скорости изнашивания по сравнению со скоростью изнашивания на первом этапе.

На третьем этапе вследствие усталостных коррозионных процессов разупрочненные поверхностные слои металлов начинают интенсивно разрушаться с постепенно возрастающей скоростью.

Интенсивность разрушения поверхностей при фреттинг-коррозии зависит от амплитуды и частоты колебаний, нагрузки, свойств материалов деталей и окружающей среды. Для возникновения фреттинг-коррозии достаточно колебательных перемещений поверхностей с амплитудой скольжения а= 80 мкм. При больших амплитудах (различных для разных материалов) разрушение приобретает характер обычного окислительного или усталостного изнашивания. Частота колебаний влияет на скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей и на изменения их температуры.

С повышением частоты колебаний поверхности трения фреттинг-износ деталей, работающих в воздушной среде, снижается. Это связано с тем, что при уменьшении периодичности нагружения увеличивается усталостная долговечность металлов.

Внешняя среда оказывает существенное влияние на интенсивность изнашивания при фреттинг-коррозии. В воздушной среде износ больше, чем в жидких средах, поэтому для снижения интенсивности разрушения поверхностей при фреттинг-коррозии рекомендуется применять смазочные материалы.

Смазочные масла не обеспечивают эффективной защиты поверхностей от изнашивания при фреттинг-коррозии, поэтому для этой цели чаще применяют пластичные смазочные материалы, защитные свойства которых в условиях фреттинг-коррозии определяются их чувствительностью к сдвигу. При использовании смазочных материалов, устойчивых к сдвигу, наблюдается более высокая повреждаемость деталей. В связи с этим рекомендуется разбавлять пластичные смазочные материалы смазочными маслами либо с помощью загустителей доводить жидкий смазочный материал до соответствующей консистенции.

Со снижением чистоты обработки поверхности ее износостойкость в условиях фреттинг-коррозии в присутствии смазочного материала повышается. Это объясняется тем, что микронеровности поверхности образуют естественные резервуары, служащие для накопления и сохранения смазочного материала в процессе работы. Кроме того, в эти впадины собираются продукты изнашивания и оксиды. Однако если металл имеет низкую твердость, то с увеличением шероховатости контактирующих поверхностей износ возрастает. В общем случае оптимум шероховатости зависит от сочетания материалов деталей, наличия смазочного материала и режима работы.

Для предотвращения относительного перемещения поверхностей и уменьшения изнашивания при фреттинг-коррозии увеличивают натяг в случае прессовых посадок, применяют демпфирующие устройства для гашения вибрации (прокладки между контактирующими поверхностями – резина), производят подбор пар коррозионно-стойких материалов контактирующих деталей.