Длительном травлении

Можно также, не задаваясь величиной /п, определять допускаемую длину трещины, исходя из докритического роста трещины /,: •—/ц (при :УГОМ коэффициент т определяется величиной /,—/„). Запас на докритическнй рост необходим при длительном статическом нагружении, в агрессивных средах, при эффектах ползучести и замедленного разрушения, коррозии под напряжением, повторном циклическом нагружешш и др. В этих случаях расчет на однократное пагружепие должен дополняться расчетом на долговечность.

2. Особенности кинетических диаграмм разрушения. В первых исследованиях, касающихся оценок кинетики докритического роста трещин при длительном статическом нагруженни в водных средах, рассматривались преимущественно закаленные низкоотпущенные стали с пределом текучести выше 1500 Н/мм2. Было показано, что скорость распространения трещины прямо пропорциональна коэффициенту интенсивности напряжений растущей коррозионной трещины. Дальнейшее распространение подходов линейной механики разрушения на более широкий круг высокопрочных материалов и коррозионных сред выявило более сложный характер зависимости v(K). Типичная кинетическая диаграмма коррозионного растрескивания в координатах \gv-K представлена па рис. 48.3. На участках I и III скорость роста трещины увеличивается с повышением /?, а в пределах участка II, охватывающего значительный диапазон значений К, наблюдается стабилизация скорости. Существуют различные суждения о причинах четко выраженных участков диаграммы коррозионного растрескивания. Их связывают с влиянием в пределах каждого участка доминирующего механизма воздействия среды. Второй горизонтальный участок часто связывают с релаксацией напряжений в вершине трещины вследствпп ее интенсивного ветвления. Характер зависимости v(K) во многом зависит от структуры сплава и типа среды. Для высокопрочных сталей с мартенситной структурой с пределом текучести 1500 Н/ммг и выше на кине-

207. Оценка сопротивления развитию трещин в сварных соединениях из теплоустойчивой стали при длительном статическом нагру/кешш в коррозионной сродс/Андрусив Б. Н., Никифорчип Г. Н., Тимофеев Б. Т., Федорова В. А.— В кп.: Вопросы судостроения, сер. Сварка, ььш. 33, 1982, с. 1C—22.

Такое предположение позволяет сделать сопоставление данных работ [61] и [96]. В обеих работах исследовали один и тот же Ti-сплав с параметрами структуры, характеризуемыми крупными о^-пла-стинами в первичных (3^-зернах размером 0,5-1 мм. В работе [43] при выдержке материала под нагрузкой в течение нескольких минут изменения СРТ по сравнению с т = 0 не отмечали. В работе [96] при выдержке произошла смена механизма разрушения с вязкого внутризеренного, которому отвечал бороздчатый рельеф излома, на межсубзеренный с фасеточным рельефом излома, что сопровождалось сокращением в 16 раз периода роста трещины. В связи с фактом возрастания скорости роста трещин было подчеркнуто [96] наличие в материале 0,004 % Н2. Это количество Н2 достаточно мало по массе, но в другой работе [81] при длительном статическом нагружении образцов из сплава ОТ4 по схеме Трояно при объемной доле Н2 в 0,003-0,005 % наблюдали их замедленное разрушение и увеличение СРТ при высоком уровне напряжений. Такое разрушение, как говорилось выше, сопровождалось образованием гидридов и развитием трещин по ним. Но в работе [61] снижение долговечности было объяснено диффузией имеющегося в материале Н2 в полосы скольжения. Если это так, то при выдержке данный процесс должен сопровождать и рост трещины, способствуя охруп-чиванию материала, однако это в работе [60] не наблюдалось. Поэтому только наличием в сплаве Н2 нельзя объяснить снижение периода зарождения трещины и увеличение СРТ. По всей вероятности, имелась некоторая субструктурная особенность состояния материала по межфазным границам, которая вызывала рост трещины по ним в течение выдержки под нагрузкой или охрупчивание по плоскостям скольжения в монофазном материале.

Последовательность процессов разрушения может быть рассмотрена с единых позиций на основе диаграммы, описывающей влияние в агрессивной среде асимметрии цикла на области формирования усталостных бороздок в сплавах, для которых проявляется сужение области формирования усталостных бороздок. Для таких сплавов в области высокой асимметрии цикла нагружения исчезает понятие порогового КИН. Это связано с тем, что в агрессивной среде, при наличии начального концентратора напряжений или дефекта развитие трещины при длительном статическом растяжении начинается с достижения пороговой величины K\scc [143, 146, 151]. Поэтому рост трещин в условиях исчезающе малых амплитуд нагружения будет иметь место при достижении KiSCc
Лопатки турбин в условиях эксплуатации, как правило, накапливают повреждения более устойчиво, чем лопатки компрессора. Это связано с тем, что они подвергаются постоянному нагреву при длительном статическом растяжении под действием динамической нагрузки от вращения ротора. В этом случае возможно возникновение такого явления, как ползучесть или термоциклическое разупрочнение материала в результате теплосмен по циклу ПЦН. Каждый механизм исчерпания долговечности лопатки имеет свою длительность действия, и поэтому разрушение лопатки на разных стадиях эксплуатации отвечает разным критериям прочности. В результате этого распределение долговечности лопаток может иметь не один, а несколько максимумов по числу случаев разрушения, в зависимости от того, какие виды механизмов разрушения могут последовательно доминировать при исчерпании ресурса лопатки.

При переменных нагрузках в образцах с концентратором начало развития макроразрушения может отмечаться после 10—20% общей долговечности, а в гладких образцах из материалов с высокой твердостью (инструментальных, подшипниковых и подобных сталей) после 80—90%. При длительном статическом нагружении время жизни образца с трещиной также колеблется в широких пределах и составляет 50% и более от общей долговечности. Скорости развития хрупкой и вязкой трещин при однократном нагружении резко различны. Так, в закаленной и отпущенной при 200°С стали 50 скорость развития трещины 1300 м/с, а после отпуска при 600°С — 300 м/с [105].

Разрушение по механизму ямочного разрыва наблюдается при различных видах нагружения: однократном и длительном статическом, на определенных стадиях усталостного.

а — при длительном статическом растяжении, 950° С, о=0,22 ГН/м2, т. —169 ч; / — зона длительного разрушения (межзеренный излом); 2 — зона долома (внутризеренный излом); б — при однократном растяжении, 1050° С (внутризеренный излом), Х12

Рис. 69. Разрушение детали из сплавзАК4-1Т1 при длительном статическом на-

Преждевременному разрушению, главным образом при переменном и длительном статическом нагружении малопластичных материалов, в сильной степени способствует наличие внутренних остаточных растягивающих напряжений [50, 52].

Продолжительность травления, т. е. время воздействия травящего реактива, определяется не только степенью диссоциации раствора, его температурой и химическим составом, но также плоскостью фаз, подлежащих выявлению. Кратковременное травление (менее 1 мин), т. е. выявление границ и поверхностей зерен, если позволяет окраска травильного раствора, проводят без замера времени. Результат травления оценивают по внешнему виду шлифа. Время, как правило, указывают ориентировочно. В травителях темного цвета, например перманганате калия, или при длительном травлении от одного до нескольких часов, невозможно оптически проследить процесс травления, поэтому необходимо давать ориентировочное время травления.

Скорость реакции травления, а также результат травления во многом зависят от того, движется ли шлиф или перемешивается реактив во время травления. Сразу же после погружения в реактив необходимо передвигать образец не только для того, чтобы устранить прилипшие пузырьки воздуха, но в первую очередь, чтобы выравнять возникающую при химическом растворении разность концентраций, которая тормозит выявление структуры. Пикриновая кислота, например, вследствие изменения концентрации образует темный слой нерастворимого вещества, который тормозит травление. При длительном травлении перемешивать раствор удобнее с помощью мешалки.

Клемм наблюдал штрихи при травлении а-литой бронзы и феррита тиосульфатом натрия. На толстой пленке сульфида, получаемой при длительном травлении, после некоторого времени обнаруживают усадочные трещины, так же как на медной.

Ханеманн и Шрадер [19] применили спиртовой раствор пикрата натрия (реактив Матвеева) как травитель на нитрид железа, в частности, в азотированной зоне. Химизм травления нитрида железа такой же, как и цементита, однако нитрид железа при длительном травлении окрашивается (рис. 12). Клемм [20] наблюдал при травлении с гало-генидами, особенно с ионами С1~ и I", .быструю растворимость нитрида железа. В 0,1%-ном спиртовом растворе соляной кислоты с незначительной добавкой хлорида железа (III) и иода фаза Fe4N окрашивается в коричневато-красный цвет. Остальная структура выявляется слабо после примерно 25-разового травления. Нитрид железа, вероятно, растворяется по следующей реакции:

в сталях при их обычных содержаниях не влияют на результаты травления. При очень длительном травлении тонкие детали структуры исчезают, хотя после травления в течение одной недели можно достичь образования рельефа глубиной более 1 мм. Дже-вонс добился хороших результатов при продолжительности травления реактивом Фрая 60—80 ч и перемешивании ванны. В натирании поверхности шлифа хлоридом меди (II) после травления Джевонс также не нашел особых преимуществ. Метод чередования полирования и травления также дает хорошие результаты [5].

Травитель 1 [4 г пикриновой кислоты; 5—10 капель HNO3 или НС1; 100 мл этилового или изоамилового спирта]. Предложенный Ишевским [1 ] близкий к насыщению раствор дает четкую картину границ зерен. Продолжительность травления составляет 2—10 мин. По данным Шрамма [2], раствор в этиловом спирте действует быстро, раствор в изоамиловом спирте — медленно. При длительном употреблении раствор становится темно-зеленым и травит сильнее. При длительном травлении шлиф необходимо перемещать, чтобы добиться равномерного травления.

Пулсифер [3] применял сильно разбавленную пикриновую кислоту, например 0,5%-ный или 0,1%-ный раствор при 3-, 6-или 12-ч продолжительности травления, чтобы выявить границы зерен феррита в низкоуглеродистых сталях, не перетравливая перлит. Кемпбелл [4 ] травил границы зерен в мягких сталях в течение 5 мин. Добавка к раствору пикриновой кислоты в этиловом спирте нескольких капель азотной кислоты способствует лучшему вытравливанию границ зерен при сокращении продолжительности травления. При длительном травлении ферритные зерна вытравливаются, при этом их поверхность не становится шероховатой и не появляются фигуры травления.

Содержание азотной кислоты в этих растворах колеблется от 2 до 5%, причем очень часто используется 2%-ный раствор в амиловом спирте, при этом продолжительность травления составляет 10—60 с в зависимости от размеров зерен и степени чистоты стали. При длительном травлении вытравливаются зерна феррита и не выявляются фигуры травления.

Травитель 52 [4—5 г пикриновой кислоты; 95—96 мл спирта]. Архер [52], Пулсифер и Грин [53] рекомендовали этот травитель для закаленных сталей. Образующуюся при длительном травлении пленку удаляют осторожным полированием вручную на влажном сукне. Образования пленки при травлении можно избежать, если легко протирать поверхность шлифа ватным тампоном. Четкость выявляемого изображения аустенитных зерен неудовлетворительная.

Подобный эффект оказывает реактив 16 (см. гл. V) для выявления фосфора, рекомендованный в работе [8]. По данным Халт-грейна и Лиллиеквиста [9], в аустенитных хромоникелевых сталях, которые переходят ё-область на диаграмме состояния, вначале проявляются первичные дендриты. При более длительном травлении на структуре проявляются вторичные аустенитные зерна. После травления в течение нескольких часов вновь появляется первичная структура вследствие образования связанного слоя меди. V Травитель 16 (см. гл. V) является лучшим из всех содержащих медь растворов для выявления первичной структуры нержавеющих хромистых сталей. Он может также применяться для аустенитных хромоникелевых сталей.

Для ЁУйЁЛенйй fpafmit Зерёй. Как правило, хорошие результаты можно получить на хромистых сталях с повышенным содержанием углерода. При сильном разбавлении раствора спиртом можно очень хорошо выявлять границы зерен, но при более длительном травлении.