Влияние коррозии на прочность на растяжение и пластичность материала
Различные виды коррозии могут оказывать существенно различное воздействие на металлические конструкционные материалы.
Современные строительные материалы обладают рядом четко определенных механических свойств, которые могут многое рассказать нам об их характеристиках и поведении при использовании в строительстве.
Однако история далека от завершения из-за недавно разработанных материалов, поведение которых до сих пор неизвестно, и из-за того, что мы открываем новые механизмы повреждения по мере того, как создаем все более и более совершенные приложения с новыми средами и режимами работы.
Большинство этих свойств объясняются на микроскопическом уровне, но их истинная природа лучше всего понимается на макроскопическом уровне, посредством многочисленных механических испытаний и к сожалению, опыта.
Эти испытания обычно проводятся с использованием стандартных испытательных образцов и испытательного оборудования, которые дают нам точные оценки различных определяемых нами характеристик, таких как прочность материала, ударная вязкость, твердость, упругость и пластичность.
Все эти свойства взаимозависимы и используются только для того, чтобы помочь нам описать различные качества материала — они не являются отдельными, независимыми механическими свойствами.
Предел прочности
Одним из старейших определенных нами свойств является прочность материала, которая бывает двух видов: прочность на сжатие и прочность на растяжение.
Прочность на растяжение является одним из наиболее важных механических свойств для любой современной конструкции, так как она определяет предел прочности материала при растягивающем напряжении (аспект, которому большинство материалов более чувствительны, чем к действию сжимающих сил).
Без точного знания этого значения мы не можем даже мечтать о проектировании конструкции, которая находилась бы в пределах заданного запаса прочности с достаточной надежностью.
Чтобы определить, как коррозия влияет на предел прочности при растяжении, нам нужно рассмотреть две части проблемы:
- Характер механических свойств
- Влияние коррозии на указанные свойства
Природа механических свойств металлов
Большинство, если не все свойства, определенные до сих пор, наблюдаются у сталей, алюминиевых сплавов и других металлов, обычно используемых в строительстве и машиностроении. По этой причине легче всего объяснить эти механизмы и их взаимодействие на типичном примере, таком как строительная сталь.
Здесь играют роль два масштабных уровня: кристаллическая решетка металла, состоящая из ряда атомов, расположенных в виде узора (обычно куба, но существуют и другие узоры), и на уровне зерен кристаллическая структура, состоящая из из большого количества отдельных решеток. Эти зерна могут иметь различный размер, часто вплоть до микроскопического уровня.
Нет необходимости тратить здесь слишком много времени на обсуждение базового атомного уровня этой проблемы: достаточно сказать, что эти решетки несовершенны.
Иногда атомы отсутствуют, или они замещены другими атомами ( дефект замещения ), или есть атомы, застрявшие внутри решетки, все из которых по-разному и существенно влияют на свойства металла.
Собственно, эти несовершенства и позволяют нам влиять на характеристики металла путем легирования , механической и термической обработки, но по отдельности эти эффекты менее заметны, чем на уровне зерен.
Упомянутые здесь дефекты являются так называемыми точечными дефектами, в то время как другие уровни, такие как линейные, плоские или объемные дефекты также всегда присутствуют в той или иной мере.
Микроструктура материала далека от однородной даже на микроскопическом уровне. Кристаллические дефекты могут способствовать течению материала или задерживать его и быть препятствием для распространения трещин и деформации, а также быть причиной остаточных и внутренних напряжений.
Помимо химического состава материала, эти неоднородные решетки и зернистые структуры ответственны за широкий спектр свойств, которые мы получаем от некоторых материалов.
Было бы практически невозможно изучить и записать каждую отдельную решетку в металле и попытаться установить на их основе его свойства. По этой причине более разумно наблюдать за микроструктурой на гранулярном уровне.
Эти зерна многогранны, с различной возможной формой, внутренней структурой и размером, которые определенным образом влияют на механические свойства материала.
Как правило, чем мельче зерна, тем лучше механические свойства – поэтому, как правило, высокопрочные стали имеют очень тонкую микроструктуру.
Прочность на растяжение по определению — это «сопротивление материала разрыву под действием напряжения». С точки зрения механики это означает, что предел прочности при растяжении — это значение напряжения, которое материал может выдержать до того, как он сломается.
Существуют различные способы разрушения материала. В зависимости от типа материала разрушение может быть пластическим , когда материал сначала испытывает пластическую деформацию , или хрупким разрушением без предшествующей деформации.
На атомном уровне прочность на растяжение представляет собой силу сил притяжения между атомами и решетками, которые противодействуют любым внешним силам, воздействующим на материал в направлении атаки указанных сил.
Влияние коррозии на структуру материалов
Как хорошо известно, коррозия представляет собой химическое или электрохимическое разрушение материала, вызванное взаимодействием материала с окружающей средой. В случае сталей это обычно происходит из-за присутствия кислорода и электролита, такого как вода.
Теоретически защитные покрытия, расходуемые аноды и пассивация могут уменьшить или полностью свести на нет коррозию, но к сожалению, в любом сценарии реальной жизни множество других факторов, таких как температура, переменные нагрузки, вибрация и микробная активность, значительно снижают эффективность этих методов защиты. Влияние коррозии на распространение трещин является значительным.
Влияние коррозии на механические свойства будет показано в равномерной коррозии и точечной коррозии, одних из наиболее распространенных механизмов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Равномерная коррозия , как следует из названия, распространяется равномерно по всей поверхности рассматриваемой детали.
Питтинговая коррозия представляет собой сильно локализованную коррозию, при которой незначительное повреждение защитного (пассивного) слоя приводит к образованию язвы, в которой происходит локальная гальваническая коррозия по очень сложному коррозионному механизму, даже если поверхностный слой был повторно герметизирован.
В случае равномерной коррозии оценить ее влияние на структурную прочность материала несложно. Следует установить уменьшение толщины и потерю веса рассматриваемой пластины или балки и рассчитать напряжение для заданной нагрузки для нового уменьшенного поперечного сечения стального элемента.
Гораздо сложнее дело обстоит с локальной коррозией, где локальные поля напряжений играют гораздо большую роль и непосредственно влияют на предел прочности самого материала.
Чтобы лучше проиллюстрировать это было проведено исследование Накаи, Мацуситой и Ямамото на трюмной раме 14-летнего сухогруза, которое показало, что:
- Снижение номинального предела прочности при растяжении и общего удлинения зависело от толщины (глубины ямок) корродированного слоя. С уменьшением толщины элемента из-за коррозии предел прочности при растяжении постепенно уменьшался, а максимальное удлинение уменьшалось более крутым образом. Номинальная прочность на растяжение — это не то же самое, что предел прочности на растяжение — одна из них является свойством конструкции или ее компонента, а другая — свойством материала. В этом случае номинальная прочность относится к максимальной нагрузке на исходную площадь поперечного сечения (которая, очевидно, уменьшается из-за коррозии).
- Было отмечено, что это снижение максимальной грузоподъемности в 2,5 раза больше для элемента с точечной коррозией по сравнению с элементом с равномерной коррозией.
- При исследовании небольших образцов максимально допустимую растягивающую нагрузку все же можно было предсказать, используя предел прочности материала (умножив поперечное сечение на предел прочности при растяжении).
- При использовании широких образцов (пластин) концентрации напряжений вызывали локальные пластические деформации и локальное зарождение разрушения в непосредственной близости от более крупных ямок. Это означает, что порог напряжения для зарождения трещины для широких образцов ниже, чем для малых образцов.
- Помимо этого воздействия на предел прочности при растяжении, точечная коррозия также оказала более негативное влияние на сопротивление изгибу элемента по сравнению с однородной коррозией.
С другой стороны, исследование корродированных арматурных стальных стержней, проведенном Almusallam, показало значительное снижение пластичности, а образцы с более чем 12,6% показали значительное хрупкое поведение по сравнению с контрольными образцами.
Кроме того, эти стержни показали уменьшенное удлинение. После определенного момента (когда коррозией подверглось более 40% материала) эта арматура демонстрировала преимущественную коррозию с относительно коротким участком, показывающим утончение и образование зазубрин, но это может быть связано с растрескиванием бетона и другими факторами окружающей среды, не связанными напрямую с коррозия.
Такое уменьшение толщины арматурного стержня значительно снижает его несущую способность, а хрупкий вид разрушения делает ситуацию гораздо более опасной из-за гораздо более быстрого распространения трещин в таком материале.
Прочность на растяжение, пластичность и хрупкость
В то время как коррозия оказывает незначительное влияние на предел прочности материала при растяжении, существует сильная корреляция между коррозией и снижением пластичности и повышением хрупкости материала, что в свою очередь, может изменить вид разрушения с вязкого на сильно выраженный. опаснее хрупкое разрушение.
Кроме того, уменьшенное поперечное сечение и концентрации напряжений , вызванные коррозией, могут значительно повлиять на несущую способность отдельного элемента и конструкции в целом.
Заключение
Различные типы коррозии могут оказывать существенно различное воздействие на элемент конструкции, что, к сожалению, означает, что мы можем исследовать эти эффекты только в каждом конкретном случае, что значительно замедляет наше понимание существующих проблем.
Существует серьезная опасность оставить без внимания даже кажущуюся безобидной коррозию, поэтому следует соблюдать осторожность при проектировании, строительстве и обслуживании конструкций, подверженных коррозии.
Влияние коррозии на прочность на растяжение и пластичность металлов
