NISZCZENIE MATERIAŁÓW PODCZAS EKSPLOATACJI

Transkrypt

1 NISZCZENIE MATERIAŁÓW PODCZAS EKSPLOATACJI

2 w wyniku współdziałania aktywnych chemicznie środowisk i naprężeń: korozja naprężeniowa, korozja zmęczeniowa, korozja erozja Niszczenie materiałów podczas eksploatacji (degradacja środowiskowa materiałów) degradacja stanu, mikrostruktury i właściwości materiałów w wyniku działania naprężeń, aktywnych chemicznie środowisk, temperatury i czasu. Niektóre rodzaje niszczenia materiałów metalowych: pod wpływem naprężeń: pękanie, zmęczenie, erozja w wyniku działania aktywnych chemicznie środowisk: korozja elektrochemiczna równomierna i niektóre rodzaje selektywnej, korozja chemiczna, niszczenie wodorowe w niskich temperaturach pod wpływem podwyższonej temperatury: kruchość odpuszczania, przemiany fazowe w materiałach w wyniku współdziałania wysokiej/podwyższonej temperatury: pełzanie

3 PĘKANIE METALI Konstrukcje nieprawidłowo zaprojektowane z punktu odkształcenia sprężystego, jak i plastycznego mogą ulec zniszczeniu w wyniku pękania, tak jak to ma miejsce np. w wypadku rozciąganej próbki materiału, która po przekroczeniu pewnej wartości obciążenia ulega rozerwaniu na dwie części. Rozróżnia się 2 zasadnicze sposoby zniszczenia: kruchy i ciągliwy. Materiały kruche, np. żeliwo, stale zahartowane ulegają zniszczeniu po przekroczeniu pewnej wielkości odkształceń sprężystych, lecz bez widocznych odkształceń plastycznych; powstające pęknięcia noszą nazwę kruchych. Materiały sprężysto-plastyczne, np. stale wyżarzone, stopy miedzi i aluminium przy statycznym rozciąganiu lub zginaniu gładkich próbek bez karbów ulegają zniszczeniu dopiero po znacznym odkształceniu plastycznym. Pęknięcia nazywane są ciągliwymi.

4 W wypadku pęknięć kruchych powierzchnia złomu (przełomu) jest płaska, ma wygląd ziarnisty, o metalicznym połysku poszczególnych ziaren, a w wypadku ciągliwych powierzchnia złomu jest matowa lub włóknista, odkształcona plastycznie. a) b) Powierzchnie przełomów próbek udarnościowych: a) 10 % przełomu ciągliwego, b) 100 % przełomu ciągliwego

5 Zniszczenie obciążonego materiału powstaje w wyniku zarodkowania pęknięć i ich rozprzestrzeniania się. Zarodkowanie pęknięć w ciałach krystalicznych związane jest z odkształceniem plastycznym. Uruchomione dyslokacje są blokowane na przeszkodach granicach ziaren, wydzieleniach, przecinających się płaszczyznach poślizgu. Spiętrzenie dyslokacji na przeszkodach wywołuje silną koncentrację naprężeń, które działają jak klin rozdzielający materiał. Dla pokonania sił spójności materiału liczba dyslokacji powinna być dostatecznie duża. W wypadku materiału kruchego, istniejąca wada lub zapoczątkowane pęknięcie powoduje złom elementu w sposób gwałtowny. W materiałach sprężysto-plastycznych zniszczenie powstaje w wyniku tworzenia się mikropustek i ich łączenia się w jedną całość. Taki rodzaj niszczenia ma miejsce przy znacznych odkształceniach plastycznych, a praca zniszczenia jest duża. Nie jest on niebezpieczny dla konstrukcji, gdyż zanim dojdzie do zniszczenia, najpierw pojawi się odkształcenie plastyczne powodujące rozładowanie naprężeń w miejscach ich koncentracji. Dla dalszego odkształcenia plastycznego potrzebny jest wzrost siły zewnętrznej wymuszającej dalsze odkształcenie i ewentualny

6 σ σ σ σ Schemat wzrostu mikropustek pod wpływem naprężeń

7 Zdarzyć się może również, że poprawnie zaprojektowane konstrukcje ulegną pękaniu; taka sytuacja może mieć miejsce gdy w wyrobach hutniczych, z których wykonana jest konstrukcja, znajdą się pęknięcia lub zostaną one wprowadzone podczas wytwarzania konstrukcji, np. w wyniku błędów spawalniczych. Pękanie jest spowodowane wzrostem istniejących pęknięć, które stają się niestabilne po przekroczeniu określonego naprężenia

8 a) Kruche pęknięcie w sprężynie zaworu bezpieczeństwa na instalacji rafineryjnej (średnica zewnętrzna sprężyny 145 mm, średnica pręta 26 mm), b) powierzchnia złomu

9 Pomnik króla Jana III Sobieskiego w Gdańsku Uszkodzenia w zadniej lewej nodze konia ujawnione w badaniach penetracyjnych: wkładki autorskie, pęknięcia o charakterze ciągliwym, wady odlewnicze

10 pęknięcia szczeliny wady odlewnicze Schemat ułożenia wkładek autorskich w pęcinie lewej tylnej nogi konia, zastępujących wadliwe fragmenty odlewu Wkładki autorskie po usunięciu

11 ZMĘCZENIE METALI Zmęczenie pękanie metalu w wyniku cyklicznie powtarzających się naprężeń. Naprężenia te mogą nakładać się na naprężenia statyczne. Przy wielokrotnym cyklicznym obciążeniu pękanie może nastąpić przy naprężeniu znacznie mniejszym od minimalnego statycznego naprężenia rozrywającego. Złom zmęczeniowy łopatki turbiny: a) ognisko, b) część muszlowa złomu, c) złom resztkowy

12 KOROZJA Korozja metali niszczenie metali pod wpływem chemicznego lub elektrochemicznego działania środowiska Korozja chemiczna korozja w suchych gazach i nieelektrolitach Korozja elektrochemiczna - korozja w wilgotnych gazach i elektrolitach

13 KOROZJA ELEKTROCHEMICZNA Korozja elektrochemiczna - niszczenie metalu w wyniku procesów elektrodowych zachodzących na granicy faz metal elektrolit. Metal ulega rozpuszczaniu przechodząc do elektrolitu w postaci jonów: Fe Fe e - W wyniku powyższej reakcji na metalu (metalowej elektrodzie) powstaje elektryczny potencjał, którego wartość zależy od aktywności chemicznej metalu i rodzaju elektrolitu. Potencjał pomierzony względem elektrody wodorowej, w standardowych warunkach, tzn. w temp. 25 C i 1 molowym roztworze jonów danego metalu, nazywa się normalnym potencjałem elektrodowym.

14 Normalny potencjał elektrodowy - 0,44 V rurka Pt Pomiar potencjału Fe

15 Normalny potencjał elektrodowy Normalny potencjał elektrodowy określa odporność metalu na korozję. Im więcej jonów metalu przechodzi do elektrolitu, tym mniejsza jest odporność metalu na korozję i bardziej ujemny potencjał. Zestawienie metali według malejących potencjałów nazywa się szeregiem napięciowym metali. Fragment szeregu napięciowego Me/Me n+ [V] Pt/Pt 2+ +1,20 Ag/Ag + +0,80 Cu/Cu 2+ +0,34 H2/H + 0,00 Pb/Pb 2+ -0,13 Ni/Ni 2+ -0,25 Fe/Fe 2+ -0,44 Zn/Zn 2+ -0,76 Ti/Ti 2+ -1,63 Al/Al 3+ -1,67

16 Ogniwo galwaniczne Jeżeli 2 metale o różnym potencjale umieści się w elektrolicie i połączy przewodem elektrycznym, powstanie ogniwo galwaniczne. Anoda: Fe Fe e- Katoda: 2H + + 2e- H 2 Ogniwo galwaniczne między żelazną i srebrną elektrodą. Na anodzie powstają wolne elektrony, które przepływają do katody, gdzie biorą udział w tworzeniu gazowego wodoru.

17 Ogniwo galwaniczne - reakcje 1. Elektroda o niższym potencjale (Fe) staje się anodą w wyniku reakcji: Fe Fe e - Elektrony przepływają do katody (Ag). Nadmiar elektronów powoduje, że jony Ag nie przechodzą do elektrolitu. 2. Na katodzie wydziela się wodór w następstwie reakcji: dysocjacji wody H 2 0 H + + (OH) - i pobrania elektronów z katody 2H + + 2e - H 2 3. W pobliżu katody powstaje nadmiar jonów (OH) -. Łączą się one z jonami Fe, po ich utlenieniu do stanu 3-wartościowego. Fe (OH) - Fe (OH) 3

18 Ogniwo galwaniczne - reakcje Szybkość korozji anody jest większa w warunkach: Większej różnicy potencjałów między anodą i katodą (wzrost szybkości reakcji 1) Większej kwasowości elektrolitu (wzrost szybkości reakcji 2) Większego stężenia tlenu w elektrolicie wobec reakcji H 2 O + 1/2O 2 + 2e - 2(OH) - powodującej wzrost szybkości reakcji 2 i 3.

19 Pasywność Metal znajduje się w stanie pasywnym wtedy, kiedy ma znacznie większą odporność na korozję niż odporność wskazana przez jego położenie w szeregu napięciowym. Przykładem są stale odporne na korozję, zawierające więcej niż 13% Cr. Pasywność jest wynikiem powstania na powierzchni metalu cienkiej, nierozpuszczalnej, regenerującej się warstwy tlenków, o zwartej budowie, ściśle związanej z metalicznym podłożem. Warstwa jonów (CrO 4 ) 2- odpowiedzialnych za pasywację stali chromowej odpornej na korozję

20 Ogniwa galwaniczne przyczyny powstawania Obecność ogniw galwanicznych może być wynikiem: Niejednorodności składu chemicznego i mikrostruktury w skali makroskopowej i mikroskopowej Uszkodzenia pasywnej warstwy tlenkowej, obecność dużych wtrąceń niemetalicznych, wydzielenia faz na granicy ziaren

21 Korozja elektrochemiczna ogólna Korozja ogólna występuje w wypadku gdy powierzchnie pojedynczych mikroogniw mają rozmiary mikroskopowe bądź mniejsze i gdy są one rozmieszczone na powierzchni metalu w sposób równomierny. Produkty korozji Metal

22 Mikroogniwa galwaniczne na powierzchni metalu węglik Katoda Anoda Katoda ziarno ziarno Fe+ 2 α α węglik A B Mikroogniwa galwaniczne utworzone w wyniku różnego składu chemicznego i mikrostruktury: A ziaren i granicy ziarna, B ferrytu (α) i węglików

23 Korozja ogólna wkładu rurkowego wymiennika ciepła

24 Korozja lelektrochemiczna lokalna: makroogniwo galwaniczne typu metal-metal Korozja lokalna ma miejsce gdy można rozróżnić oddzielne ogniwa korozyjne. korozja rura stalowa (anoda) Łącznik z brązu (katoda) rura stalowa (anoda) Korozja rury stalowej przy łączniku ze stopu miedzi w wyniku różnego składu chemicznego połączonych materiałów

25 Makroogniwo galwaniczne w złączu spawanym

26 Korozja elektrochemiczna lokalna: wżerowa powierzchnia Przekrój poprzeczny 100 µm Korozja wżerowa w postaci wżerów zainicjowanych w miejscu uszkodzenia pasywnej warstwy tlenkowej. Uszkodzone miejsce jest anodą, gdzie metal ulega rozpuszczaniu. Wobec małej powierzchni anody, korozja postępuje w głąb metalu.

27 Korozja elektrochemiczna lokalna: międzykrystaliczna Zróżnicowana mikrostruktura wewnątrz ziaren i w strefach przygranicznych Uszkodzenia korozyjne w stali odpornej na korozję typu 18Cr-8Ni-Ti, rozwijające się po granicach ziaren w wyniku utworzenia mikroogniw galwanicznych między wnętrzem ziaren i granicami 20 µm

28 Korozja elektrochemiczna lokalna: naprężeniowa Korozyjne pękanie naprężeniowe jest wynikiem jednoczesnego działania statycznego naprężenia rozciągającego oraz korozji lokalnej. Zjawisko to występuje zwykle w stopach metali, których powierzchnia pokryta jest warstwą pasywną. Proces korozyjny rozpoczyna się zwykle od zainicjowania korozji lokalnej przez agresywne środowisko, zdolne do przerwania warstwy pasywnej i zapobiegające ponownej pasywacji, a wzrost pęknięcia przebiega przy zróżnicowanym udziale czynnika elektrochemicznego i mechanicznego

29 Ochrona przed korozją elektrochemiczną 1. Stosowanie metali i stopów o wysokiej czystości metalurgicznej 2. Stosowanie odpowiednich dodatków stopowych 3. Właściwe projekty konstrukcji, zmniejszające niebezpieczeństwo wystąpienia ogniw galwanicznych 4. Minimalizacja naprężeń

30 Ochrona przed korozją elektrochemiczną 5. Stosowanie powłok ochronnych rysa katoda rysa anoda stal stal Stal chroniona przed korozją Produkty korozji Korodująca stal Fe 0,44 V, Zn 0,76 V Fe 0,44 V, Sn 0,14 V

31 Ochrona przed korozją elektrochemiczną 6. Ochrona katodowa stalowy zbiornik wody stalowy kadłub statku Fe 0,44 V, Mg 2,27 V Fe 0,44 V, Zn 0,76 V