На деформацию и разрушение конструкционных материалов

ВЛИЯНИЕ СОРБЦИОННО-АКТИВНЫХ И КОРРОЗИОННО-АКТИВНЫХ СРЕД

Лекция N 4

Мочевыводящие пути

К мочевыводящим путяи относятся почечные чашечки, лоханки, мочеточники, мочевой пузырь, мочеиспускательный канал. Эти органы имеют 4 оболочки: слизистую, подслизистую, мышечную и серозную (адвентициальную). В слизистой оболочке мочевыводящих путей 2 слоя – переходгый эпителий и собственная пластинка слизистой, представленная РВСТ. Подслизистая основа – РВСТ – в лоханке и чашечках отсутствует, но хорошо выражена в мочеточниках и мочевом пузыре. Мышечная оболочка в органах мочевыведения представлена гладкой мышечной тканью. В лоханках и чашечках мышечная оболочка тонкая и представлена в основном циркулярным слоем; в верхних двух третях мочеточников в мышечной оболочке два слоя – внутренний продольный и наружный циркулярный, а в нижней трети мочеточников и мочевом пузыре в мышечной оболочке появляется третий наружный продольный слой. Наружная оболочка мочеточников и мочевого пузыря – адвентициальная. Лишь на задней и боковой поверхностях мочевой пузырь покрыт серозой.

Механические свойства твердых тел при прочих равных условиях зависят от среды, в которой они находятся.

Поверхностно-активные среды (ПАВ) снижают поверхностное натяжение материала по сравнению с его значением в вакууме, не вызывая в материале необратимых изменений структуры, что по сути снижает работу по образованию свободных поверхностей (трещин) в процессе разрушения материала.

Так же присутствии ПАВ облегчается возникновение и развитие пластических сдвигов и зародышевых трещин. В микромасштабе это означает, что взаи­модействие с адсорбционно-активными молекулами или атомами помогает перестройке и разрыву связей в данном твердом теле.

П. А. Ребиндером было изучено влияние ПАВ на процессы деформации металлов; было выявлено, что даже при относительно небольшом снижении свободной поверхностной энергии, в результате адсорбционного эффекта, де­формация облегчается; понижается предел текучести и коэффици­ент упрочнения металла. При этом всегда наблюдается значитель­ное изменение пачек скольжения и зеренной структуры.

Примечание:

Хотя первичным действием поверхностно-активной среды явля­ется пластифицирование металла, конечным результатом может оказаться значительное упрочнение поверхностных слоев вследст­вие намного большей, чем в отсутствие ПАВ, пластической дефор­мации.

П. А. Ребиндером показано, что при деформации в присутствии ПАВ всегда наблюдается значительное измельчение пачек (полос) скольжения или зереннойструктуры деформируемого металла.

Е.Д. Щукин теоретически обосновал, что процесс разрушения связан с перемещением дислокаций в плоскостях скольжения и выхода их на поверхность и связал это с понижением поверхностной энергии.

Плотность дислокаций в активной среде всегда выше, чем в неактивной, характерные особенности структуры гораздо сложнее, чем на воздухе, а значит работа по образованию трещин в ПАВ меньше, чем на воздухе.

Формы адсорбционного эффекта:

· Внутренний

· Внешний

Внутренняя форма адсорбционного эффекта вызывается ад­сорбцией ПАВ на внутренних поверхностях раздела зародышевых микротрещин разрушения, возникающих в процессе деформации металла. Это приводит к снижению работы образования новых поверхностей и облегчению развития микротрещин, что проявляет­ся в возникновении хрупкого разрушения и резкой потере проч­ности.

Следует различать два возможных случая влияния физически-активных сред на механические характеристики металла, а имен­но:

· влияние среды на металл до его деформирования

· влияние среды в процессе деформирования.

Поверхностно-ак­тивные среды не оказывают влияния на механические характерис­тики поликристаллических металлов при предварительном нахож­дении металла до нагружения в этой среде.

Адсорбционный эф­фект снижения прочности и облегчения деформации (Эффект Ребиндера), ярко прояв­ляется при кратковременном, либо длительном действии статичес­ких нагрузок на металлические монокристаллы. В этих случаях под влиянием поверхностно-активных сред снижается предел те­кучести почти вдвое, значительно увеличивается пластичность мо­нокристаллов и количество пачек скольжения.

Характерной особенностью эффекта Ребиндера является то, что он проявляется только при определенном напряженном состо­янии; растяжение способствует его проявлению, а сжатие может полностьюего прекратить.

Сорбционно-активными средами явля­ются расплавы ряда металлов.

Жидкие металлы оказывают влияние на прочность металлов в твердом состоянии сначала путем адсорбционного воздействия, а затем абсорбционного, т. е. диффузионного влияния, которое может привести к разупрочнению вследствие растворения твердого металла, либо внедрения жидкого металла в твердый с образова­нием нового менее прочного сплава.

Например Влияние металла покрытия на механические свойства стали 30ХГСА при различных температурах

Металл покрытия	Предел прочности, σв	Относительное удлинение, δ	Относительное Сужение, ψ
Температура, ^0С
Без покрытия	1,0	1,0	1,0	1,0	0,85	1,25	1,0	0,84	1,03
Олово (Sn)	1,0	0,8	0,20	0,74	0,21	-	0,72	0,13	-
70%Sn+30%Pb	1,0	0,87	-	1,0	0,29	-	0,96	0,14	-
40%Sn+60%Pb	1,0	0,9	-	0,93	0,21	-	0,94	0,19	-
Свинец (Pb)	1,0	-	0,82	0,9	-	0,19	0,74	-	0,1
Кадмий	1,0	-	0,72	1,0	-	0,13	1,0	-	0,07

Увеличение температуры расплава значительно усиливает эф­фект снижения прочности и пластичности стали. Повышение тем­пературы стали 30ХГСА, покрытой оловом, до 400 °С вызывает не только полную потерю пластичности, но и катастрофическое снижение предела прочности, который составляет примерно 20% от предела прочности непокрытой стали. Подобное снижение проч­ности и пластичности стали под действием металлических распла­вов следует отнести за счет адсорбционных эффектов, т. е. за счет снижения уровня поверхностной энергии стали при ее смачивании металлическим расплавом и за счет адсорбционно-расклинивающего эффекта Ребиндера, которые практически независимы от вре­мени. Подтверждением этого является то, что двадцатикратное увеличение времени пребы­вания стальных образцов в жидком олове и кадмии не оказало влияния на из­менение механических ха­рактеристик. Для диффу­зионного воздействия необ­ходимо не только время, но и соответствующее развитие дефектов в стали, через ко­торые эти расплавы проник­ли бы путем адсорбционной миграции на достаточную глубину, а затем разупрочнили бы сталь диффузион­ным внедрением.

Примечание:

При некоторых условиях расплавленные металлические покры­тия могут оказывать и упрочняющее действие в результате абсорб­ции в кристалл.

Характер адсорбционного взаимодействия и степень его про­явления зависят от ряда физико-химических факторов — свойств расплава и его количества, состава и структуры твердого тела, времени контакта с расплавом, условий деформирования (темпе­ратуры, скорости, характера напряженного состояния).

Диаграмма растяжения монокристалла цинка в неактивной среде характеризует его как типично пласти­ческий материал. Однако покрытие образца из цинка тончайшей пленкой ртути приводит к резкому снижению его прочности. Так как растворимость ртути в цинке весьма мала, то характер плас­тического течения как объемного свойства материала при этом не меняется, но хрупкая прочность резко уменьшается; разрыв при­обретает типично хрупкий характер.

Существенное влияние на механические свойства металлов и сплавов оказывают коррозионно-активные среды. Равномерная коррозия, поражающая как ненапряженный, так и равномерно-напряженный металл, наиболее благоприятна и практически не изменяет механических характеристик стали. Неравномерная коррозия (избирательная коррозия), вызванная структурной неодно­родностью металла или наличием градиентов напряжений (осо­бенно концентрацией напряжения), приводит к некоторому уменьшению прочности и пластичности мягких сталей.

Очевидно пора­жения металла от неравномерной коррозии влияют на механичес­кие характеристики стали так же, как влияет на них концентра­ция напряжений.

Было проведено испытание:

Образцы имели кольцевые концент­раторы двух типов: острый в виде кольцевой царапины, нанесенной алмазом, и зак­ругленный в виде кольце­вой выточки с радиусом 1 мм. Механические характе­ристики образцов с остры­ми концентраторами не из­менились как для нормали­зованной, так и закаленной и низкоотпущенной стали.

У образцов с кольцевой выточкой по радиусу проявилось под вли­янием коррозии снижение разрывного усилия низкоотпущениой стали. На механические характеристики нормализованной стали в этом случае коррозия влияния не оказала. Отмеченный эффект объясняется различной интенсивностью коррозионного разъеда­ния дна концентратора.

Острый концентратор, очевидно, подвергся такому коррозион­ному разъеданию (анодному растворению), которое не изменило его влияния на механические характеристики, тогда как радиаль­ной формы кольцевая выточка с малым теоретическим коэффи­циентом концентрации напряжений вследствие коррозии стала бо­лее острым концентратором, снизившим разрывное усилие хруп­кой стали. Коррозия может даже увеличить статическую проч­ность, улучшить сопротивление удару в случае, если образцы до коррозии имели острые концентраторы типа трещин и царапин, которые в результате коррозии затупляются, в силу чего снижа­ется концентрация напряжения. Аналогично этому травление азот­ной кислотой повышает прочность медной проволоки.

Была исследована пластичность стали 20Х после воздействия коррозионно-активной среды при циклическом нагружении.

После циклического нагружения в неактивной среде (на воздухе) у образцов стали 20Х наблюда­лось при последующих механических испытаниях вязкое разрушение, характеризующееся образованием шейки в месте разрыва.

Образцы из той же стали, подвергнутые механическому разру­шению после циклического нагружения в коррозионно-активной среде, разрушались хрупко почти при полном отсутствии шейки. Хрупкое разрушение происходило по узкой кольцевой области, по­раженной коррозионно-усталостными трещинами, что является примером влияния острых концентраторов напряжения на плас­тичность мягкой стали.

Коррозионное растрескивание

Коррозионное растрескивание не связано с общей кор­розионной стойкостью металла, например, углеродистые и малоуг­леродистые стали практически не корродируют в щелочных средах, но в то же время они подвержены коррозионному растрескиванию, называемому в этом случае щелочной хрупкостью.

Коррозионное растрескивание происходит в щелочных и кислых средах и носит в основном межкристаллитный характер. Характерной чертой кор­розионного растрескивания является то, что разрушение стали происходит без заметных пластических деформаций и может про­изойти внезапно.

Как при кратковременном действии статической нагрузки и катодной поляризации, так и при длительном действии статической растягивающей нагрузки в щелочных и сероводородсодержащих средах причиной потери пластичности стали является действие во­дорода. Катодная поляризация от внешнего источника тока предо­храняет от развития коррозии (анодного растворения), но при до­статочно высоких напряжениях (близких к пределу текучести) мо­жет вызвать потерю пластичности из-за наводороживания стали. Анодная поляризация от внешнего источника тока, усиливая об­щую равномерную коррозию, предохраняет в то же время от наводороживания и хрупкого разрушения в некоторых видах актив­ных сред (например, от щелочной хрупкости).

Водород относится к числу наиболее сильных сорбционно-ак­тивных сред по отношению к металлам и сплавам.

По механизму взаимодействия водорода с металлом следует выделить два различных, но взаимосвязанных процесса: адсорб­ция - молекулярное взаимодействие водорода с поверхностью ме­талла, приводящее к образованию насыщенного слоя водорода на границе раздела газ - металл, и абсорбция - растворение водоро­да в массе металла.

· Распределение свободной энергии по поверхности металла - неравномерное. Всегда имеются участки с различным уровнем сво­бодной энергии или энергии связи с молекулами адсорбированно­го газа. Активные центры адсорбции, как правило, соответствуют мостам нарушений кристаллической структуры поверхности металла и их число, а, следовательно, активность всей поверхности будет зависеть от состояния или метода обработки поверхности. Наибо­лее высокой активностью обладают вновь образованные, не успев­шие окислиться поверхности.

ü Процесс растворения водорода в металлах сопровождается процессом диссоциации молекул водорода на атомы, так как в мо­лекулярном состоянии водород не растворяется в металлах. Про­цесс диссоциации является необходимым условием для образова­ния раствора водорода в кристаллах металла.

ü Процесс диссоциации молекул водорода на атомы может проис­ходить в газовой среде при высоких температурах (термическая диссоциация) или в поверхностном слое металла за счет энергии адсорбции; кроме того на поверхности металла могут образовы­ваться атомы водорода в процессе химических реакций, адсорби­роваться и переходить в металлический раствор.

Диффузия водорода в металл может происходить при:

· Химические реакции возникают, например, при сварке метал­лов,

· При низких температурах в процессе травления металла в кислот­ных средах

· Металлы могут насыщаться водородом при электролизе на ка­тоде

· Интенсивное поглощение металлом водорода происходит при эк­сплуатации оборудования в обводненных сероводородсодержащих средах.

Водород обладает большой склонностью к диффузии в твердых телах. Особенно большой подвижностью он обладает в металлах, что объясняется его малыми размерами и строением атома. При­нято считать, что водород в металлических растворах находится в виде протона, чем и обусловливается его большая подвижность. Растворяясь в кристаллической решетке стали, атомы водорода отдают свои электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (протоны). Ионы водорода диффундируют в кристаллической решетке стали с высокой скоростью. Встречая на своем пути какие-либо дефекты (микропустоты, трещины, раковины, дислокации и т. п.), они выходят из кристаллической решетки и, молизуясь, создают в объеме микродефекта большое внутреннее давление до 4,0 тыс. МПа ивыше, что вызывает деформирование кристалли­ческой решетки металла и приводит к потере вязкости, т. е. воз­никает водородная хрупкость.

Увеличение количества нарушений в структуре металла в про­цессе пластических деформаций увеличивает локализацию в них водорода, в результате чего может возникнуть торможение плас­тической деформации, а следовательно, создаются условия дляхрупкого разрушения.

Дата добавления: 2014-01-20