Влияние водорода на рост
трещин
Скрипчук Галина Алексеевна,
аспирант Балашовского института Саратовского государственного
университета.
Вопросы влияния
внешней среды на прочность материалов относятся к наиболее важным и слабо
изученным проблемам механики разрушения. Многообразны и сложны явления
локального разрушения в конце трещины, вызывающие докритическое
развитие начальных трещин и замедленное разрушение конструкции. Уже давно было
замечено, что прочность и деформируемость твердых тел зависят от той среды, в
которой находится тело. Под влиянием внешней среды тело может становиться более
пластичным или более хрупким, прочность его может уменьшаться или возрастать.
Кинетика развития трещин включает стадии:
1) инкубационного периода;
2) зарождение трещин;
3) медленного ее роста;
Купить кровать с матрасом недорого кровать с матрасом купить недорого Купить кровать с матрасом недорого кровать с матрасом купить недорого. xorekmebel.ru |
4) быстрого ее прохождения по неповрежденному сечению металла.
Инкубационный период рассматривается как время, необходимое для
создания критической локальной концентрации водорода в точке перед
возникающей трещины. Этим объясняется уменьшение инкубационного периода с
ростом напряжений, содержанием водорода в стали, облегчением диффузии водорода
в металле. Переход от стадии медленного развития трещины к стадии быстрого
разрушения связывается с приближением напряжения (от внешней нагрузки)
к величине
вследствие уменьшения
толщины поврежденной стенки металла. Одним их важных проявлений инкубационного
периода водородной хрупкости является то, что проведение испытаний металла,
наводороженного в течение времени, не достигающего продолжительности
инкубационного периода, не позволяет выявить падение пластичности и других характеристик,
ухудшаемых в результате наводороживания [3].
B последнее время все большее внимание
уделяют исследованию влияния различных факторов на скорость роста трещин.
Рост трещин изучают в двух предельных условиях: а) при стационарной или постепенно
возрастающей нагрузке; б) при циклическом нагружении.
Следует подчеркнуть,
что в условиях циклического нагружения внешняя среда иногда не оказывает
влияния на скорость роста усталостных трещин, в то время как в аналогичных условиях
стационарного нагружения воздействие среды может. Оказаться весьма
существенным. Это объясняется тем, что механизм конечной пластической
деформаций вблизи конца трещины в таких случаях превалирует над специфическим
механизмом локального разрушения при воздействии среды. Поэтому можно
сформулировать следующее простое правило: если скорость роста трещины в
условиях стационарного нагружения и воздействия некоторой активной среды гораздо меньше скорости роста трещины в условиях
циклического нагружения в инертной среде, то эта активная среда не окажет
заметного влияния на развитие усталостных трещин, и наоборот.
Ha самом деле достаточно большая не распространяющаяся
трещина под действием напряжений и происходящих одновременно в металле
физико-химических процессов может медленно развиваться и, наконец, перейти в
лавинообразно распространяющуюся трещину. Процесс перехода от одного крайнего состояния
трещины в другое называют субкритическим ростом
трещины.
Скорость докритического развития трещины dl/dt является некоторой функцией коэффициента интенсивности
напряжений:
(1)
Эта функция равна нулю
при ≤
, а при
>
она монотонно возрастает с увеличением
. Отношение для
/
пластичных металлов обычно близко к единице, а для высокопрочных
и хрупких сплавов гораздо меньше единицы. Величина
называется пороговым коэффициентом интенсивности напряжений
[2].
Экспериментально
установлены следующие закономерности субкритического
роста трещин [1]:
1.
Скорость роста трещины сильно возрастает
с увеличением предела текучести, увеличение предела текучести вдвое повышает
скорость роста трещины в 103 раз.
2.
Повышение температуры приводит к
увеличению скорости роста трещины по экспоненциальной зависимости dl/dt
~ exp
(-Q/RT),
где Q
— энергия активации, равная для сталей ~ 37,7 кДж/моль,
3.
Скорость роста возрастает с увеличением
содержания диффузионно-подвижного водорода, т.е. водорода, не связанного в
ловушках. Водород, связанный в ловушках, не участвует в процессах, контролирующих
скорость роста трещин.
4.
C
увеличением толщины образцов скорость роста трещины значительно возрастает.
4.
Трещина растет скачкообразно.
5.
Пороговый коэффициент интенсивности
напряжений уменьшается с увеличением содержания водорода.
Долгое
время полагали, что водород отрицательно не влияет на усталостные характеристики
металлов. Однако это заключение, по-видимому, справедливо лишь для гладких
образцов при симметричном нагружении.
Литература
1.
Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия,
1985. – 215 c.
2.
Черепанов Г. П.
Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974.- 640 с.
3.
Шрейдер А. В. Влияние водорода на нефтяное - химическое
оборудование. - М.: Машиностроение,1976. – 144 с.
Поступила в редакцию 19.03.2009 г.