3. WŁACIWOCI MATERIAŁÓW I METODY ICH WYZNACZANIA

3. WŁACIWOCI MATERIAŁÓW I METODY ICH WYZNACZANIA 3. 1. Właciwoci materiałów stosowane jako kryteria ich doboru Dobierajc materiał na okrelony element konstrukcji konieczne jest dopasowanie jego właciwoci do wymogów stawianych elementowi przez warunki pracy. Pierwszy stopie wyboru polega na takiej analizie warunków eksploatacji, aby było moliwe okrelenie najwaniejszych właciwoci, jakie materiał musi posiada. Na rysunku 3-1 przedstawiono ogólny schemat przebiegu poszczególnych etapów projektowania elementu aktywnego konstrukcji, a wic - przenoszcego obcienia. Po okreleniu właciwoci, jakie materiał musi posiada, naley dobra materiał kierujc si danymi zawartymi w normach, poradnikach, komputerowych bazach danych, itp. Jednake, korzystajc z danych dotyczcych właciwoci, naley wiedzie - co one oznaczaj, jak zostały wyznaczone i jak si maj do rzeczywistych inynierskich zastosowa. Właciwoci materiałów. Reakcj materiału na przyłoony bodziec (np. temperatur, naprenie) nazywamy jego właciwoci. Aby właciwoci materiału były mierzalne, porównywalne i właciwie wykorzystywane, musz by okrelone w taki sposób, aby nie zaleały od kształtu i wymiarów ciała, a przy tym przez wszystkich w taki sam sposób. Właciwoci materiału musz bowiem mie charakter stałych materiałowych, zalenych wyłcznie od natury i stanu materiału, a które ilociowo wi reakcje danego materiału z przyłoonym bodcem, w myl relacji: reakcja = właciwo materiału bodziec 35

WYBÓR MATERIAŁU PROJEKT CZ CI WSTPNY WYBÓR MATERIAŁU Naley wzi pod uwag materiały metaliczne, ceramiczne, polimerowe, kompozyty. WSTPNY PROJEKT CZ CI Naley zdefiniowa warunki pracy elementu. ZEBRANIE DANYCH MATERIAŁOWYCH koszt, gsto, sztywno E, twardo H, granica plastycznoci R e, wytrzymało na rozciganie R m, udarno K, odporno na pkanie K Ic, wytrzymało zmczeniowa Z, odporno na pełzanie R x, odporno na korozj, właciwoci cieplne itd. WSTPNA ANALIZA NAPRE INNE OGRANICZENIA temperatura pracy rodowisko OCENA ZACHOWANIA SI MATERIAŁU WE WSTPNYM PROJEKCIE SZCZEGÓŁOWE ZESTAWIENIE WARUNKÓW TECHNICZNYCH PROJEKTU WYBÓR SPOSOBU WYTWARZANIA TESTOWANIE PROTOTYPU URUCHOMIENIE PRODUKCJI UDOSKONALENIE WYROBU Rys. 3-1. Schemat projektowania czci przenoszcej obcienia [10] 36

Przykładem takiej relacji jest zwizek midzy napreniem (bodziec), a odkształceniem sprystym spr (reakcja), znanym w fizyce jako prawo Hooke a: = E (3-1) w którym właciwoci materiału jest współczynnik sprystoci E (moduł Younga). Z punktu widzenia inynierii materiałowej i dla jej potrzeb dokonuje si podziału wła- ciwoci, przyjmujc za kryterium fakt, czy zale one od budowy fazowej (tzn. od właciwych dla danego składu chemicznego wiza atomowych i sposobu ułoenia atomów w przestrzeni), czy te od mikrostruktury; podział taki podano w tablicy 3-1. Tablica 3-1. Właciwoci zalene od budowy fazowej oraz mikrostruktury [9] Bodce Właciwoci zalene od: budowy fazowej mikrostruktury Chemiczne potencjał elektrochemiczny korozja midzykrystaliczna Cieplne temperatura topnienia, przewodno, rozszerzalno, ciepło właciwe Elektryczne wysokotemperaturowa oporno metali, potencjał termoelektryczny niskotemperaturowa oporno metali, oporno półprzewodników Magnetyczne nasycenie magnetyczne, ferromagnetyzm, Mechaniczne podatno magnetyczna ciar właciwy, moduł sprystoci magnetostrykcja wytrzymało, plastyczno Optyczne barwa przezroczysto 3. 2. Właciwoci mechaniczne W projektowaniu inynierskim ogromne znaczenie maj dane dotyczce właciwoci mechanicznych, charakteryzujce zachowanie si materiałów pod działaniem napr- e wywołanych siłami zewntrznymi, zmianami temperatury (naprenia cieplne) oraz zmianami objtoci spowodowanymi przemianami fazowymi (naprenia własne). Istnieje wiele metod bada materiałów przenoszcych obcienia, ale najbardziej popularne i dostpne s te, które wyznacza si w szeciu próbach: rozcigania, udarnoci, mechaniki pkania, zmczenia, pełzania i w próbie twardoci. Próba rozcigania. Od roku 1966 w Polsce obowizuje midzynarodowy układ jednostek zwany układem SI (Système International d Units), w którym przyjto nastpujce podstawowe jednostki: masy kilogram [kg], długoci metr [m], czasu sekunda [s], natenia prdu elektrycznego Amper [A], temperatury Kelvin [K], natenia wiatła kandela [cd]. 37

Jednostk siły jest jednostka pochodna niuton [N]: siła o wartoci 1 N nadaje masie 1 kg przypieszenie 1 ms -2, tzn. m 1N = 1kg 1 2 s kg m = 1 2 s Podobnie pochodn wielkoci jest wspólna jednostka cinienia i naprenia - paskal [Pa] 1 N [ ] = 1Pa 2 1m = Ta ostatnia jednostka jest bardzo mała, dlatego w obliczeniach wytrzymałociowych konstrukcji stosuje si wielokrotnoci tej jednostki najczciej megapaskal [MPa]: MN N 1 MPa = m m N 6 = 1 = 1 10 1. 2 2 2 mm siła F szczki rednica d 0 długo pomiarowa próbki L 0 szczki lub siła F Typowe kształty próbek Rys. 3-2. Próba rozcigania. Schemat mocowania próbki w uchwytach maszyny wytrzymałociowej Do przeprowadzenia statycznej próby rozcigania musi by stosowana specjalna maszyna wytrzymałociowa, wyposaona w urzdzenia do odczytu siły działajcej na próbk oraz do rejestracji wykresu zalenoci wydłuenia próbki od działajcej siły (tzw. wykresu rozcigania). Sama próba polega na powolnym rozciganiu odpowiednio przygotowanej, znormalizowanej, próbki zamocowanej w uchwytach, z których górny jest nieruchomy, a dolny przesuwa si wywołujc w próbce sił rozcigajc 38

(rys. 3-2). Prób prowadzi si do momentu zerwania próbki. Wyniki próby s bardzo wraliwe na warunki jej przeprowadzania, tote s one dokładnie sprecyzowane przez odpowiedni norm (PN-EN 10002-1+AC1:1998 - dla metali i PN-EN ISO 527-1,2: 1998 - dla tworzyw sztucznych) i podczas przeprowadzania próby rozcigania musz by te warunki cile przestrzegane. Warunki te opisuj wymagania odnonie kształtu i wymiarów próbki, szybkoci rozcigania oraz sposobu wyznaczania i obliczania charakterystycznych parametrów wytrzymałociowych materiału. Kształt otrzymanego wykresu siła - wydłuenie bezwzgldne (wspomnianego wykresu rozcigania) zaley od rodzaju materiału, głównie jego plastycznoci. Typowy wykres rozcigania pokazano na rys. 3-3. Siła F F m F e zerwanie zakres odkształce sprystych Rys. 3-3. Wykres rozcigania w układzie siła wydłuenie bezwzgldne Wydłuenie bezwzgldne L zakres odkształce plastycznych Wydłuenie bezwzgldne L jest równe przyrostowi długoci czci pomiarowej próbki o długoci pocztkowej L 0 ( L = L u -L 0 ) Na wykresie zaznaczono dwie charakterystyczne wartoci sił: graniczn warto F e, poniej której materiał odkształca si sprycie i nie wykazuje odkształcenia plastycznego, oraz maksymaln warto F m. Obydwie wielkoci słu do wyznaczenia dwóch parametrów wytrzymałoci: Fe granicy plastycznoci: Re = [MPa] S (3-2) Fm wytrzymałoci na rozciganie: Rm = [MPa] S (3-3) 0 0 39

Oprócz właciwoci wytrzymałociowych z próby rozcigania wyznacza si równie parametry, które s miar plastycznoci materiału i okrelaj wielko odkształcenia moliwego w przypadku danego materiału bez jego zerwania. Uywane s dwie miary plastycznoci: L u - L 0 wydłuenie: A = 100[%], (3-4) L S0 - Su przewenie: Z = 100[%], (3-5) L gdzie: L u, L 0, S u, S 0 s odpowiednio długociami i polami przekroju próbki w miejscu zerwania i w stanie pocztkowym. Plastyczno materiału jest wana dla konstruktorów i wytwórców elementów. Konstruktorzy chc stosowa materiały o okrelonej plastycznoci, aby w przypadku przecie odkształciły si one przed pkniciem. Technolodzy z kolei preferuj materiały, które mona stosunkowo łatwo odkształca (deformowa) nadajc im skomplikowane kształty, bez obawy wystpienia pknicia. Dla wielu plastycznych materiałów odkształcenie (podczas próby rozcigania) nie jest równomierne. W próbce powstaje lokalne silne zmniejszenie przekroju, nazywane szyjk. Szyjka zaczyna tworzy si (jeli w ogóle) wówczas, gdy siła osiga warto maksymaln na wykresie. Dla celów porównawczych bardziej praktyczne jest przedstawienie wyników próby rozcigania we współrzdnych naprenie- odkształcenie (rys. 3-4), przy czym: S 0 0 0 F σ =, (3-6) L L L = 0 = (3-7) L0 L0 W takim układzie moliwe jest, jak to pokazano na rys. 3-4, bezporednie odczytanie z wykresu nie tylko wartoci parametrów wytrzymałociowych i plastycznych materiału, ale take modułu sprystoci liniowej E (modułu Younga), które równe jest nachyleniu krzywej = f() w zakresie liniowych odkształce sprystych: E = [GPa] (3-8) Moduł E jest miar sztywnoci materiału, podawan w gigapaskalach (1 GPa = 10 9 Pa): jest tym wikszy, im wiksze s siły wiza midzy atomami i im wysza jest temperatura topnienia materiału. Jeli porównamy dwa materiały o wyranie rónych modułach E, to wytworzenie w nich okrelonego, takiego samego, odkształcenia spr- ystego, bdzie dla materiału o wikszym module wymagało przyłoenia znacznie wikszego obcienia, anieli w przypadku materiału o mniejszych wartociach E. 40

Naprenie R m R e = E Rys. 3-4. Krzywa rozcigania w układzie naprenie odkształcenie wzgldne Odkształcenie Materiały inynierskie maj moduły w zakresie od 10-3 do 10 3 GPa. Jak wida na rys. 3-5, ceramiki i metale maj sztywno o kilka rzdów wiksz ni polimery. KOMPOZYTY CERAMIKA POLIMERY METALE 10-3 10-2 10-1 1 10 10 2 10 3 E [GPa] Rys. 3-5. Zakresy wartoci modułów sprystoci liniowej dla głównych grup materiałów Krzywa rozcigania = f() moe mie róne kształty w zalenoci od sprystych i plastycznych właciwoci materiału. Przykłady takich krzywych pokazano na rys. 3-6. 41

Naprenie 1 2 3 Rys. 3-6. Wykresy rozcigania dla materiałów metalicznych o rónych cechach sprystych i plastycznych: 1 kruchego; 2 o redniej plastycznoci, z wyran granic plastycznoci; 3 o duej plastycznoci, nie wykazujcego wyranej granicy plastycznoci Odkształcenie Jak wida na rys. 3-6, krzywa = f() moe mie róne kształty. Dla niektórych materiałów nie jest wyranie widoczna zmiana zachowania materiału. Przejcie ze stanu sprystego w stan odkształce plastycznych jest słabo zauwaalne lub wrcz niezauwaalne (mówi si wówczas o braku tzw. wyranej granicy plastycznoci); w takich przypadkach wyznacza si umown granic plastycznoci R 0,2, która okrela warto naprenia wywołujcego odkształcenie plastyczne (trwałe) próbki o umownej warto- ci = 0,2%. Sposób wyznaczenia takiej umownej granicy plastycznoci pokazano na rys. 3-7a. a) b) Naprenie R p0,2 Naprenie R eh R el górna granica plastycznoci dolna granica plastycznoci 0 0,002 0,004 0,006 Odkształcenie Odkształcenie Rys. 3-7. Sposób wyznaczenia umownej granicy plastycznoci R 0,2 dla metali bez wyranej granicy plastycznoci (mied, aluminium, eliwo) (a); krzywa rozcigania mikkiej stali z górn i doln granic plastycznoci (b) 42

Zakresy wartoci granicy plastycznoci dla rónych grup materiałowych przedstawiono na rys. 3-8. Wartoci podane dla ceramiki nie zostały wyznaczone w próbie rozcigania ale okrelono je na podstawie pomiarów twardoci z zalenoci : twardo HV = 3R e. Próba rozcigania nie nadaje si dla tej grupy materiałów poniewa podczas rozcigania ceramika pka zanim osignie warto granicy plastycznoci z powodu duej wraliwoci na istniejce w niej mikropknicia. KOMPOZYTY CERAMIKA POLIMERY METALE 10-1 1 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 R e [MPa] Rys. 3-8. Zakresy wartoci granicy plastycznoci dla głównych grup materiałów Wan właciwoci materiałów jest ich skłonno do kruchego pkania, które jest bardzo niebezpieczne, poniewa zachodzi nagle i jest powodem gronych awarii. Czynnikami zewntrznymi, sprzyjajcymi kruchemu pkaniu, s: dua szybko odkształcania (np. uderzenia) oraz niska temperatura (cho nie jest to słuszne w przypadku wszystkich materiałów). Drugim czynnikiem ułatwiajcym pkanie, s wady w materiale (mikropory, pknicia wewntrzne, zanieczyszczenia strefowe, itp.), powstajce zarówno w procesie technologicznym, jak i w trakcie eksploatacji. Poniewa czci w wielu maszynach i pojazdach s naraone na obcienia dynamiczne, a wad w materiale nie da si całkowicie unikn, musimy praktycznie zawsze liczy si ze skłonnoci materiału do kruchego pkania. Z tego powodu opracowano metody ilo- ciowego okrelania odpornoci na pkanie (tzw. cigliwoci materiału). S to: próba udarnoci oraz próby wywodzce si z mechaniki pkania. Próba udarnoci. Próba udarnoci jest prób zginania udarowego, polegajc na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego, tzw. młota Charpy ego, próbki z karbem (rzadziej bez karbu) podpartej swobodnie na obu kocach (tzw. trójpunktowe zginanie). Podczas próby dokonuje si pomiaru energii potrzebnej do złamania próbki (rys. 3-9). Próbka jest ułoona tak, aby uderzenie nastpiło z przeciwległej strony karbu. Jako wynik próby udarnoci podaje si warto energii zuytej na złamanie znormalizowanej próbki (wg PN-EN 10045-1:10045-1 - metali i PN-EN ISO 179-1; 2002-43

dla tworzyw sztucznych),), tzw. pracy łamania KV (dla próbek z karbem V) lub KU (dla próbek z karbem U), wyraonej w dulach [J] (1 J = praca wykonana przez sił 1 N na drodze 1m, czyli 1[ J ] = 1[ N] 1[ m] = 1[ Nm]. Energia ta, odniesiona do wielkoci przekroju poprzecznego próbki przed złamaniem (S 0 ), jest przyjmowana jako miara udarnoci i oznaczana jest za pomoc symboli: KCV dla próbki z karbem V, oraz KCU dla próbki z karbem U: ( lubku) KV J KCV (lubkcu) = 2 S (3-9) 0 m a) b) 55 mm wahadło 10 skala ktowa c) 2 10 próbka 45 2 2 2 r 0,2 Rys. 3-9. Młot Charpy ego do badania udarnoci (a), kształt próbki (b), rodzaje stosowanych karbów (od góry): U i V dla metali oraz U dla polimerów (c) Materiałami o wysokiej odpornoci na uderzenia s metale (tab. 3-2). Polimery, mimo ich wysokiej plastycznoci, maj nisk odporno na uderzenia i dlatego czsto s produkowane ich modyfikacje o wyszej udarnoci, jak to ma miejsce w przypadku poli(chlorku winylu) lub polistyrenu. Inn metod podwyszania ich udarnoci jest ich wzmacnianie innymi materiałami tzn. tworzenie kompozytów. 44

Tablica 3-2. Udarno wg Charpy'ego wybranych grup materiałowych Materiał Udarno [kj/m 2 ] bez karbu z karbem Stale 500-1000 Polietylen o wysokiej gstoci 15 5 Poliwglan nie pka 30-90 Polistyren niskoudarowy 18 2 Polistyren wysokoudarowy 48 Na wyniki próby udarnoci, oprócz geometrii próbek i karbu, duy wpływ ma temperatura przeprowadzania próby. Wpływ temperatury uwidacznia si spadkiem udarno- ci wraz z obnianiem temperatury badania (wyjtek stanowi tu znów wspomniane wyej metale o wysokiej plastycznoci, np. Cu, Au, Ti). Trzeba pamita, e udarno nie jest stał materiałow, a jedynie parametrem (właciwoci) pozwalajcym jako- ciowo porównywa odporno materiału na obcienia udarowe w takich samych warunkach i dla takich samych próbek. W wysokich temperaturach materiały konstrukcyjne zachowuj si na ogół plastycznie i wymagaj duych energii do jego zniszczenia; w niskich temperaturach zachowuj si za krucho. W stopach elaza z wglem spadek udarnoci nastpuje nagle, w wskim zakresie temperatur (rys. 3-10). Udarno stan kruchy stan plastyczny temperatura przejcia plastyczno-kruchego Rys. 3-10. Wpływ temperatury na udarno materiału Temperatura Temperatur rozgraniczajc stan plastyczny materiału i stan kruchy nazywamy temperatur przejcia (plastyczno-kruchego). Ley ona zwykle w zakresie temperatur ujemnych (w skali Celsjusza). Z racji zagroenia pkaniem kruchym materiały pracujce w warunkach dynamicznych obcie powinny mie temperatur przejcia (wyranie) nisz od temperatury pracy. 45

Próby mechaniki pkania. Mechanika pkania jest dyscyplin zajmujc si badaniem zachowania si materiałów zawierajcych małe pknicia lub inne małe wady w warunkach obcie zewntrznych. Wszystkie materiały zawieraj jakie wady, dlatego konieczna jest znajomo maksymalnego naprenia, jakie materiał moe przenie, jeli zawiera wady o okrelonej geometrii i wymiarach. Typowa próba polega na rozciganiu próbki z pkniciem o znanych wymiarach i geometrii (rys. 3-11). a) b) a 2a Rys. 3-11. Schemat rozcigania próbek z pkniciem powierzchniowym (a) i wewntrznym (b) Celem próby jest okrelenie wartoci naprenia potrzebnego do propagacji pknicia, nastpnie na podstawie wyników pomiarów oblicza si współczynnik intensywnoci napre K: K = f a (3-10) gdzie: f współczynnik geometrii kształtu dla próbki i wady (dla grubych próbek f 1); σ przyłoone naprenie; a wymiar wady (patrz rys. 3-11). Jeeli warto K jest wiksza lub równa pewnej wartoci krytycznej (dopuszczalnej) K IC, pknicie ronie (rozprzestrzenia si, propaguje) i materiał ulega pod wpływem działajcego obcienia zniszczeniu. Współczynnik K IC jest właciwoci materiału i jest traktowany jako miara odpornoci materiału na rozprzestrzenianie si pkni od istniejcych wad (inicjowanych na istniejcych wadach). Odporno ta zaley od rónych czynników: im wiksze wady, tym mniejsza jest warto naprenia powodujcego propagacj pkni; im wysza wytrzymało na rozciganie, tym mniejsza odporno na pkanie; im bardziej materiał jest cigliwy, tym wiksza jest jego odporno na pkanie, poniewa w pobliu czoła pknicia materiał cigliwy odkształca si plastycznie, pochłaniajc energi i zatrzymujc pknicie (rys. 3-12). 46

a) b) c) y y y 2a a x a x a x strefa odkształce plastycznych Rys. 3.12. Schemat pknicia: a) w materiale idealnie kruchym; b) w materiale o wyranych cechach plastycznych (u czoła pknicia powstaje strefa odkształce plastycznych) W materiałach kruchych strefa odkształce plastycznych u czoła pknicia jest niewielka, wic i niewielka energia wystarcza do rozprzestrzeniania si pknicia. Mechanika pkania pozwala projektowa i dobiera materiały z uwzgldnieniem wad. S trzy zmienne, które naley uwzgldni: właciwo materiału w postaci odpornoci na pkanie K IC, naprenie, które materiał musi przenie oraz wielko wady a. Obecno wad i ich wymiary okrela si metodami nieniszczcymi (np. ultradwikowymi, czy rentgenograficznymi). Wartoci K C dla rónych typów materiałów róni si istotnie (patrz rys. 3-13). Z rysunku wynika, e najlepsz odpornoci na pkanie odznaczaj si metale. Dlatego konstruktorzy cigle jeszcze najchtniej stosuj je na elementy konstrukcji poniewa traktuj je jako materiały najbardziej bezpieczne. Naley zwróci uwag, e polimery podobnie jak metale odznaczaj si du plastycznoci ale w przeciwiestwie do nich - mał cigliwoci z powodu niskich wartoci modułu sprystoci. 47

KOMPOZYTY CERAMIKA POLIMERY METALE 10-1 1 10 10 2 10 3 K c [MPa m 1/2 ] Rys. 3-13. Zakresy wartoci krytycznych współczynników intensywnoci napre dla głównych grup materiałów Próba zmczenia. W wielu zastosowaniach materiały (cilej: elementy z nich wykonane) s poddawane wielokrotnie powtarzanemu działaniu napre niszych od ich granicy plastycznoci. Naprenia te mog by wynikiem obracania si obcionego elementu (np. wału), wielokrotnego zginania, wibracji, itp. Chocia warto naprenia jest duo nisza od granicy plastycznoci, element moe ulec zniszczeniu po duej liczbie powtórze (cykli) działania naprenia. Ten rodzaj zniszczenia nosi nazw zmczenia. Najpowszechniejsz metod okrelania odpornoci materiału na zmczenie jest próba zginania obrotowego (rys. 3-14a). a) b) max silnik rozciganie próbka min 1 cykl a a ciskanie łoysko obcienie Rys. 3-14. Próba zmczeniowa: a) schemat obcienia próbki w zmczeniowej próbie zginania obrotowego, b) zmiany napre w warstwach zewntrznych próbki 48

Okrgła próbka jednym kocem mocowana jest w uchwycie przenoszcym na ni ruch obrotowy od silnika napdowego, podczas gdy na jej drugim kocu zawieszany jest ciar (obcienie; próbka badana stanowi zatem znan z wytrzymałoci materiałów belk wspornikow). W chwili pocztkowej górna powierzchnia próbki jest rozcigana, podczas gdy dolna ciskana. Po obrocie próbki o kt 90 w miejscach, w których uprzednio wystpowało odpowiednio rozciganie lub ciskanie, naprenia s równe zeru, za po obrocie o kt 180 materiał rozcigany w chwili pocztkowej jest ciskany i odwrotnie. W ten sposób w kadym punkcie powierzchni próbki naprenie zmienia si w jednym pełnym cyklu (realizowanym w czasie jednego obrotu próbki) sinusoidalnie od zera do maksymalnego naprenia rozcigajcego, znów poprzez zero do maksymalnego naprenia ciskajcego i dalej do zera, zamykajc cykl (rys. 3-14b). Prób zmczeniow przeprowadza si dla serii próbek przy rónych wartociach maksymalnego naprenia. Wyniki przedstawiane s w postaci krzywej zmczeniowej (tzw. wykresu Wöhlera) w układzie współrzdnych: naprenie liczba cykli do zniszczenia N (rys. 3-15). Na jej podstawie okrela si parametry charakteryzujce właciwoci zmczeniowe materiału, tj. ywotno zmczeniow, granic wytrzymałoci zmczeniowej i wytrzymało zmczeniow. Naprenie, a [MPa] 600 ywotno zmczeniowa = 10 5 cykli przy a = 600 MPa stal narzdziowa stop aluminium brak granicy zmczenia 0 10 5 10 7 Liczba cykli, N Rys. 3-15. Krzywe zmczeniowe dla stali narzdziowej i stopu aluminium ywotno zmczeniowa okrela czas pracy elementu przenoszcego zmienne napr- enie o maksymalnej wartoci (amplitudzie) a. Na przykład, jeeli element wykonany ze stali narzdziowej ma przepracowa minimum 100 000 cykli, musi on by zaprojektowany tak, aby naprenie, jakie przenosi, nie było wiksze od 600 MPa (patrz cigłe linie na rys. 3-15). Granica wytrzymałoci zmczeniowej (krótko: granica zmczenia) jest to warto naprenia = Z g, poniej której naprenia zmczeniowe nie wywołuj ju zniszczenia materiału. Na granicy zmczenia fragment krzywej N jest poziomy; inaczej: granica zmczenia okrela lini, bdc asymptot krzywych Wöhlera. Aby przykła- 49

dowy element ze stali narzdziowej nie uległ zmczeniu, naprenia, jakie materiał przenosi, nie mog przekroczy wartoci Z g = 400 MPa (rys. 3-15). Dla wielu stopów elaza przyjmuje si empiryczn zaleno: granica zmczenia Z g jest w przyblieniu równa połowie wartoci wytrzymałoci na rozciganie R m. Pozwala to oszacowa właciwoci zmczeniowe materiału na podstawie próby rozcigania. Ze wzrostem temperatury obydwa parametry (ywotno zmczeniowa i granica zmczenia) malej w tych samych warunkach obcienia. Wytrzymało zmczeniowa jest parametrem okrelanym dla materiałów, które nie maj wyranej granicy zmczenia, np. aluminium i jego stopy, polimery. Krzywa zmczeniowa takich materiałów nie ma odcinka poziomego. W takich przypadkach przyjmuje si umown graniczn liczb cykli (baz wytrzymałoci zmczeniowej) oraz odpowiadajc jej warto naprenia, poniej którego zniszczenie nie nastpi przed osigniciem tej liczby cykli. Przykładowo, dla stopów aluminium za graniczn liczb cykli przyjmuje si 5 10 8 cykli. Własnoci zmczeniowe gotowych wyrobów s bardzo wraliwe na wady powierzchniowe w postaci rys, wgniece i innego typu nierównoci powstałymi w procesie wytwarzania lub złego projektowania. Dlatego aby zmniejszy prawdopodobiestwo powstania pkni zmczeniowych naley w rozwizaniach konstrukcyjnych unika np. ostrych zmian przekrojów oraz dokładnie polerowa powierzchnie. Próba pełzania. Materiał poddany działaniu stałego naprenia w podwyszonej temperaturze moe ulec plastycznemu odkształceniu, a nawet zniszczeniu, mimo e naprenie jest nisze od granicy plastycznoci w tej temperaturze. Zjawisko powolnego (i cigłego) odkształcania si materiału pod wpływem stałego obcienia nosi nazw pełzania. Jakkolwiek pełzanie wystpuje w szerokim zakresie temperatur, to wyraniejsze efekty zaznaczaj si jednak dopiero w temperaturach podwyszonych: dla metali w temperaturze T > (0,3 0,4) T t, dla ceramiki w temperaturze T > (0,4 0,5) T t, gdzie T t oznacza temperatur topnienia materiału. Na przykład dla stopów aluminium proces pełzania przebiega intensywniej w temperaturze T 200 C, dla niklu (i jego stopów) w temperaturze T 600 C, dla wolframu dopiero w T 1200 C. Polimery, ze wzgldu na ich niskie temperatury topnienia, mog pełza ju w temperaturze otoczenia. Aby wyznaczy odporno materiału na pełzanie umieszcza si okrgłe próbki w piecu o kontrolowanej, stałej temperaturze i poddaje działaniu stałej siły rozcigajcej (patrz rys. 3-16). W momencie przyłoenia siły próbka wydłua si sprycie (jest to tzw. wydłuenie natychmiastowe). Warto pocztkowego odkształcenia ε 0 zaley od wartoci siły i modułu sprystoci materiału w temperaturze przeprowadzania próby. 50

= const uchwyt próbka Rys. 3-16. Schemat próby pełzania podczas rozcigania piec (T = const) = const Podczas próby pełzania mierzone jest wydłuenie próbki (na okrelonym jej odcinku) jako funkcja czasu i przedstawiane jest w postaci tzw. krzywej pełzania (rys. 3-17). Odkształcenie ε Stałe obcienie Stała temperatura zerwanie 0 =odkształcenie spryste I stadium t II stadium (ustalone) = prdko pełzania t III stadium Czas t Rys. 3-14. Krzywa pełzania W pierwszym stadium pełzania prdko pełzania ε/ t zmniejsza si, w drugim stadium jest ustalona (/t = const), w trzecim szybko ronie w nastpstwie powstawania szyjki w materiałach plastycznych, lub powstawania (propagacji) mikro- 51

pkni w innych materiałach (kruchych). Parametrami odpornoci na pełzanie s: szybko pełzania i czas pełzania do zniszczenia. Obydwa te parametry zale od naprenia i temperatury (rys. 3-18). Im wysza jest temperatura lub/i naprenie, tym wiksza szybko pełzania i krótszy czas do zniszczenia. T = const = const 3 > 2 > 1 T 3 > T 2 > T 1 Odkształcenie 3 2 1 Odkształcenie T 3 T 2 T 1 Czas Czas Rys. 3-18. Wpływ naprenia (przy T = const) lub temperatury (przy = const) na krzyw pełzania Na podstawie serii prób pełzania mona oszacowa czas eksploatacji elementów dla poszczególnych kombinacji temperatury i naprenia, przyjmujc jako kryterium maksymalne odkształcenie. Dla celów porównawczych wprowadzono dwie charakterystyki pełzania okrelajce nono materiału w wysokich temperaturach: R / granic pełzania ε / t T tj. naprenie, które po upływie okrelonego czasu działania t, w stałej temperaturze T, spowoduje trwałe odkształcenie (wydłuenie wzgldne) próbki o okrelon warto, wytrzymało na pełzanie R zerwanie/t/t tj. naprenie, które po upływie okrelonego czasu działania t, w stałej temperaturze T, spowoduje zerwanie próbki. Próby twardoci. Twardo nie jest podstawow właciwoci materiału (tzn. nie jest stał materiałow, jak np. moduł E, czy wytrzymało R m ), poniewa jej warto zale- y od zastosowanej metody pomiaru. Dla metali twardo jest okrelana przez pomiar oporu, jaki stawia materiał wciskanemu we twardemu wgłbnikowi (kulka, stoek, ostrosłup-piramidka). Twardo moe by take mierzona odpornoci na cieranie, na zarysowanie (jakociowo okrelane wzgldne twardoci: materiał zarysowujcy inny, jest od niego twardszy) lub na cicie. Due rozpowszechnienie bada twardoci w praktyce inynierskiej wynika z prostoty i szybkoci pomiaru oraz nieniszczcego (w sensie makro) charakteru bada. Najbardziej znane i stosowane metody, polegajce na wgniataniu wgłbnika, to metody: Brinella (kulka), Vickersa (ostrosłup-piramidka) i Rockwella (stoek lub kulka). 52

Twardo Brinella. a) F 1 b) 2 1 D 3 3 d 4 0,204 F HB = 2 π D D D d gdzie: F siła [N], D - rednica kulki [mm], d rednica odcisku [mm] 2 Rys. 3-19. Schemat pomiaru twardoci metali metod Brinella: a) podczas obciania; b) po obcieniu; 1 kulka, 2 element obciajcy; 3 badany materiał; 4 odcisk [11] Metoda pomiaru polega na wgniataniu w materiał kulki z twardej stali lub z wglików spiekanych w znormalizowanym czasie (np. 10-15 s dla stopów elaza) i przy znormalizowanej sile wgniatania. Po zdjciu obcienia mierzy si rednic pozostałego odcisku (rys. 3-19) i oblicza si twardo Brinella, jako iloraz obcienia F i powierzchni odcisku A odc, według formuły: HB 0,102 F [N] = (3-11) 2 A [mm ] odc Metoda ta nie nadaje si do pomiaru twardoci bardzo twardych materiałów, tzn. o twardoci wikszej, ni 450 HB w przypadku zastosowania kulki stalowej, oraz powyej 600 HB przy kulce z wglików spiekanych. Nie nadaje si równie do pomiaru twardoci cienkich warstw, np. galwanicznych, gdy głboko penetracji wgłbnika moe by wiksza od gruboci warstwy. Twardo Vickersa. Sposób pomiaru jest taki sam jak w metodzie Brinella. Wgłbnik stanowi diamentowa piramidka o kcie wierzchołkowym równym 136. Po zdjciu obcienia mierzy si długo obu przektnych odcisku (d 1 i d 2 ) i oblicza twardo Vickersa (HV) podług identycznej formuły, jak w przypadku twardoci Brinella, przy czym przektna odcisku d = (d 1 d 2 )/2 patrz rys. 3-20. Geometria wgłbnika została tak dobrana, aby HB HV w granicach stosowania metody Brinella. Zalet metody Vickersa jest moliwo stosowania jej do badania twardoci materiałów zarówno twardych jak i mikkich przy uyciu tego samego wgłbnika. 53

a) F 2 1 = 136 3 HV = 0,1891 d F2 b) d 1 gdzie: F siła [N], d rednia przektna odcisku mierzona w mm 4 d 2 Rys. 3-20. Schemat pomiaru twardoci metod Vickersa: a) obcienie próbki; b) odcisk; 1 wgłbnik (penetrator), 2 siła obciajca, 3 badany materiał, 4 odcisk [11] Twardo Rockwella W metodzie tej stosuje si dwa rodzaje wgłbników: do pomiaru twardoci mikkich materiałów jako wgłbnika stosuje si stalow kulk o małej rednicy, natomiast do pomiaru twardoci twardych materiałów stoek diamentowy. Istot metody Rockwella jest pomiar głbokoci odcisku powstałego po zdjciu obcienia; przebieg pomiaru twardoci metod Rockwella pokazano na rys. 3-21. Istnieje pitnacie skal twardoci Rockwella, ale powszechnie stosowane s dwie: skala B i T dla kulki (HRB) i skala C dla stoka (HRC). Zalet metody Rockwella jest prostota przeprowadzania próby i bezporedni odczyt wyniku pomiaru. Nie wymaga tak starannego przygotowania powierzchni materiału, jak w metodzie Brinella i Vickersa (w obu wymagane jest szlifowanie powierzchni). Niezalenie od metody okrelania twardoci, wielko ta jest wykorzystywana przede wszystkim: jako podstawa dla porównywania materiałów, do specyfikacji przetwarzania i obróbki cieplnej materiałów, do kontroli jakoci wyrobów, oraz do oceny innych właciwoci i zachowania materiałów poprzez cisł z nimi korelacj, np. im wysza twardo tym wiksza odporno na cieranie, ponadto istnie- 54

je empiryczna zaleno midzy twardoci Brinella, a wytrzymałoci na rozciganie stali niestopowych: R m [MPa] 3,45 HB a) b) c) d) e) F 1 F 1 F 1 F 1 F 0 F 0 F 1 F 0 F 0 F 0 K h 0 h 1 h K-h Rys. 3-21. Schemat pomiaru twardoci metod Rockwella: a e) kolejne fazy pomiaru, F 0, F 1 - obcienie wstpne i główne, h 0, h 1 - głbokoci odcisku przy obcieniach wstpnym i głównym, h - trwały przyrost głbokoci odcisku pod obcieniem wstpnym bez obcienia głównego, K - stała umowna (K=100 gdy wgłbnik jest stokiem diamentowym, lub K=130 gdy wgłbnik jest kulk stalow) [11] Porównanie omówionych skal twardoci przedstawiono na rys. 3-22 w odniesieniu do skali Mohsa stosowanej w mineralogii. Skal t utworzono ustawiajc minerały w szereg według, rosncej twardoci'okrelonej porównawcz metod zarysowania. Twardo 1 w skali Mohsa przypisano steatytowi a najwiksz - równ 10 - diamentowi. Generalnie metod Brinella stosuje si do pomiaru twardoci materiałów niejednorodnych, niezbyt twardych stali i metali o twardoci do 40 HRC. Metod HRC - do twardych materiałów metalicznych, metody HRB i HRT stosowane s dla polimerów oraz mikkich stali i stopów aluminium w postaci cienkich blach. Metoda Vickersa jest uniwersalna i mona j stosowa do pomiaru twardoci wszystkich materiałów poczwszy od bardzo mikkich a skoczywszy na ceramice. 55

75 50 100 300 630 HB 100 HRB 20 50 60 70 HRC 100 200 400 600 800 1000 1400 2000 10 000 HV 1 4 5 6 7 8 9 10 talk fluoryt apatyt skale kwarc topaz korund diament Skala twardoci Mohsa polimery stale stale stale stopy metali narzdziowe azotowane nieelaznych ceramika SiC,BN Rys. 3-22. Porównanie skal twardoci 3.3. Odporno na korozj Korozj materiałów nazywane jest zjawisko ich niszczenia w wyniku reakcji z otaczajcym rodowiskiem. Straty ekonomiczne spowodowane tego rodzaju niszczeniem materiałów s olbrzymie i praktycznie niewyliczalne. Szacuje si jednak, e sigaj one poziomu 3-10% produktu krajowego brutto, w zalenoci od kraju, strefy klimatycznej, itd. Na remonty i odtworzenie zniszczonych przez korozj maszyn, urzdze i konstrukcji zuywa si rocznie w wiecie kilkadziesit milionów ton stali. Dlatego zrozumiałym jest, e metody zwalczania korozji maj ogromne znaczenie gospodarcze. Korozja metali zawsze musi by rozpatrywana jako system dwóch reagentów metalu i rodowiska korozyjnego. Przyczyn wszystkich korozyjnych reakcji jest termodynamiczna niestabilno metali w stosunku do rónych rodowisk, takich jak: powietrze, woda, kwasy lub inne utleniajce czynniki. Najczciej wystpujcym rodzajem korozji jest korozja elektrochemiczna w rodowisku wilgotnym (np. korozja atmosferyczna stali), okazjonalnie korozja chemiczna (np. utlenianie metali w wysokich temperaturach), lub metalofizyczna (rys.3-23). W porównaniu z najbardziej pospolitym metalem, jakim jest elazo (stal konstrukcyjna), materiały niemetaliczne, ogólnie biorc, s odporne na zniszczenie korozyjne. Szczególnie s one odporne na korozj elektrochemiczn, która powoduje rdzewienie elaza. W pewnych warunkach niemetale ulegaj jednak równie zniszczeniu korozyjnemu wskutek oddziaływania chemicznego rodowiska. Na przykład beton dobrej jakoci nie jest odporny na oddziaływanie jonów siarczanowych obecnych w glebie, w 56

wodzie gruntowej, czy w wodzie morskiej. Szkło jest z kolei odporne na działanie wikszoci kwasów, ale nie jest odporne na działanie kwasu fluorowodorowego oraz gorcego kwasu fosforowego. Korozja w warunkach eksploatacyjnych Korozja chemiczna Korozja elektrochemiczna Korozja metalofizyczna bez udziału napre z udziałem napre wysokotemperaturowa w gazach łuszczenie równomierna werowa i szczelinowa selektywna steniowa galwaniczna napreniowa zmczeniowa erozyjna kawitacyjna krucho wodorowa napreniowa indukowana wodorem Rys. 3-23. Korozja metali w warunkach eksploatacyjnych Materiały ceramiczne mog rozpuszcza si powoli w stopionych solach lub stopionych metalach. Polimery ulegaj pcznieniu lub rozpuszczaniu pod wpływem działania rozpuszczalników lub podlegaj degradacji właciwoci pod wpływem działania tlenu w podwyszonych temperaturach. Podstawowe procesy korozyjne powierzchniowe zachodzce w poszczególnych typach materiałów przedstawiono w tablicy 3-2. Tablica 3-2. Przegld procesów korozyjnych powierzchniowych zachodzcych w materiałach Materiał Czynnik agresywny Przewaajce procesy korozyjne Metal Elektrolity, naturalne i techniczne ciecze na bazie wody, wilgotne gazy (atmosferyczne) Procesy elektrochemiczne (korozja elektrochemiczna) Metal Ceramika Szkło Polimery Szkło, wyroby ogniotrwałe Nieelektrolity (nieprzewodzce ciecze organiczne), suche i gorce gazy Ciecze silnie agresywne (kwasy rzeczne, zasady), Suche i gorce gazy Ciecze organiczne i pary, woda i roztwory wodne, gazy utleniajce ule, roztwory soli, ciekłe szkło Procesy chemiczne (korozja chemiczna) Procesy fizyczne i chemiczne Procesy fizyczne, chemiczne i elektrochemiczne 57

Korozja materiałów w rodowisku suchym, gazowym. Jest to korozja zachodzca w suchych gazach takich jak: O 2, H 2, Cl 2 oraz pary siarki, bromu, jodu. Materiały pracujce w wysokich temperaturach (np. rury przegrzewaczy pary, łopatki turbin) musz by wic odporne na działanie gorcych gazów, a w szczególnoci na utlenianie. Tendencj wielu materiałów do reagowania z tlenem mona ocenia na podstawie testów laboratoryjnych, polegajcych na pomiarze energii koniecznej do zajcia reakcji: materiał + tlen + energia tlenek materiału. Jeeli energia ta jest dodatnia materiał jest odporny na utlenianie, jeli jest ujemna materiał nie jest odporny na utlenianie i bdzie si zatem utleniał (rys. 3-24). Wikszo materiałów, jak wida z rys. 3-23, nie jest odporna na utlenianie, tote stosowanie ich w warunkach zagroenia korozyjnego wymaga wiedzy na temat warunków i prdkoci przebiegu procesu utleniania. O szybkoci utleniania decyduje kilka czynników: wielko energii uwalnianej w procesie utleniania; im jest ona wiksza, tym szybciej materiał si utlenia, rodzaj tlenków (zgorzeliny) tworzonych na powierzchni materiałów; jeli warstwa tlenków jest szczelna i dobrze przylega do materiału, to stanowi ona barier dla tlenu i w efekcie szybko utleniania maleje (np. warstewka tlenków na aluminium jest bardzo efektywn barier), jeeli jest porowata i słabo przylega do powierzchni metalu (jak np. zgorzelina na powierzchni stali) - korozja szybko postpuje dalej, temperatura; szybko utleniania ronie wykładniczo ze wzrostem temperatury rodowiska, cinienie czstkowe tlenu; im jest ono wysze, tym wiksza jest szybko utleniania. Ubytki materiału wskutek utleniania w rodowisku suchym s bardzo małe w temperaturze pokojowej, za w wysokich temperaturach bardzo due. Ochrona przed utlenianiem stopów elaza polega na wprowadzaniu do nich dodatków stopowych (Cr, Al, Si) o znacznym powinowactwie chemicznym z utleniaczem, które powoduj wytwarzanie na powierzchni materiału cigłych i szczelnych warstewek ochronnych. Inne metody, to nanoszenie powłok ochronnych: metalicznych (np. aluminiowych) w przypadku niszych temperatur pracy, bd te powłok ceramicznych w przypadku temperatur wyszych. 58

1000 500 ceramika metale polimery kompozyty KCl NaCl LiCl Materiały niestabilne w atmosferze zawierajcej tlen Energia [kj/mol] 0-500 -1000 Al 2 O 3 ; BeO; MgO; SiO 2 diament/grafit SiC Si 3 N 4 krzem złoto srebro platyna mied ołów kobalt nikiel elazo, cyna wolfram molibden cynk chrom niob tantal tytan PTFE wikszo polimerów PZWS WC, cermetale, PZWW Co-TaC Ni-TaC Co-Cr 7 C 3 Materiały stabilne w atmosferze zawierajcej tlen uran cyrkon aluminium beryl -1500 PZWW kompozyty polimerowe wzmacniane włóknem wglowym PZWS kompozyty polimerowe wzmacniane włóknem szklanym PTFE politetrafluoroetylen Rys. 3-24. Energia tworzenia tlenków w temperaturze 273 K [5] 59

Korozja elektrochemiczna materiałów w rodowisku wilgotnym. W rodowisku wilgotnym ubytki materiałów metalicznych wskutek korozji s znacznie wiksze, ni w przypadku korozji gazowej. Na przykład utlenianie elaza w napowietrzonej wodzie (rdzewienie) zachodzi z prdkoci miliony razy wiksz, anieli w suchym powietrzu. Korozja elektrochemiczna ma miejsce wówczas, gdy dwa rónice si metale, bdce w kontakcie elektrycznym (umoliwiajcym przepływ prdu), znajduj si w elektrolicie, tworzc w ten sposób ogniwo elektrochemiczne (rys. 3-25a). W ogniwie elektrochemicznym wystpuj cztery elementy: anoda, na której zachodzi reakcja utleniania M M n+ + ne, w wyniku której jony metalu (M n+ ) przechodz do elektrolitu (metal anody ulega rozpuszczaniu koroduje), a elektrony wdruj połczeniem (stykiem) elektrycznym do katody, katoda, która przyjmuje elektrony dostarczane z anody i w wyniku zachodzcej reakcji redukcji powstaje na niej produkt uboczny w postaci lunego osadu, gazu, elu lub metalu, kontakt elektryczny (styk) midzy anod a katod, umoliwiajcy przepływ elektronów midzy elektrodami, elektrolit, który zamykajc obwód, umoliwia jonom metalu opuszczenie anody, ich dopływ do katody i łczenie si z elektronami. a) b) e - kontakt elazo z oczyszczon powierzchni napowietrzona woda O 2 + 2H 2 O+4e - 4OH _ anoda jony elektrolit katoda katoda (obszar katodowy) anoda (obszar anodowy) 4e - 2e - Fe Fe ++ 2e - Fe Fe ++ Fe(OH) 2 tj. FeO H 2 O Rys. 3-25. Schemat ogniwa elektrochemicznego: (a) elementy składowe; (b) przykład ogniwa korozyjnego w elazie o nierównomiernie oczyszczonej powierzchni, zanurzonego w napowietrzonej wodzie Na katodzie moe zachodzi kilka rodzajów reakcji redukcji, w których nastpuje zwizanie wolnych elektronów: - elektrolityczne osadzanie metalu: M n+ + ne M - wydzielanie wodoru: 2H + +2e H 2 60

- tworzenie si wody: O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O - wydzielanie wodorotlenku: O 2 + H 2 O + 4e 4(OH) Inicjacja jednej z wymienionych reakcji okrelona jest składem elektrolitu. Osadzanie metalu na katodzie moliwe jest tylko w przypadku obecnoci w elektrolicie jonów metalu. Wydzielanie wodoru zachodzi w cieczach nie zawierajcych tlenu (np. w stojcej wodzie, np. w rónego rodzaju zbiornikach wodnych) lub w cieczach kwanych. Produktem ubocznym reakcji katodowej jest woda, gdy w kwanych elektrolitach obecny jest tlen. Tworzenie jonów wodorotlenków (OH) na katodzie nastpuje w cieczach obojtnych (np. w wodzie) z du iloci tlenu. Na rys. 3-24b pokazano schemat korozji elaza zanurzonego w napowietrzonej wodzie, którego cz powierzchni oczyszczono. Obszar metalu o trudnym dostpie tlenu staje si anod i koroduje w myl reakcji: Fe Fe 2+ + 2e, natomiast obszar metalu o oczyszczonej powierzchni staje si katod, na której zachodzi reakcja: 1 / 2 O 2 + H 2 O + 2e 2(OH) oraz Fe 2+ + 2(OH) Fe(OH) 2. W wyniku dalszej reakcji: 2Fe(OH) 2 + 1 / 2 O 2 + H 2 O powstaje zwizek Fe(OH) 3, nazywany rdz. Korozja elektrochemiczna moe przebiega bardzo szybko poniewa: uwodniony tlenek materiału, np. Fe(OH) 2, osadza si albo daleko od korodujcego metalu, albo, jeli osadza si na powierzchni, ma posta lunego osadu (lub elu) nie dajcego ochrony przed dalszym utlenianiem, jony M ++ i OH łatwo dyfunduj w orodku ciekłym, dlatego proces zachodzi bardzo szybko; zachodzi tu reakcja Me ++ + 2OH Me(OH) 2 w materiałach przewodzcych, np. w metalach, szybko przemieszczania elektronów jest bardzo dua. Poniewa korozja w rodowisku wilgotnym jest zwizana z przepływem elektronów w przewodnikach, tendencj materiału do utleniania w roztworach okrela si za pomoc siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa elektrochemicznego wystpujcego w procesie korozji. Potencjały elektrodowe metali w roztworach ich jonów o steniu jednomolowym w temperaturze 25 C nazywa si potencjałami normalnymi. Okrela si je mierzc (przy obwodzie otwartym) rónic potencjałów midzy metalem, a wodorow elektrod standardow, której potencjał elektrodowy przyjto umownie za równy zero. Zbiór reakcji elektrodowych, uporzdkowanych według rosncych wartoci potencjałów normalnych, nosi nazw szeregu napiciowego (tab. 3-3). Jeli potencjał metalu jest ujemny w stosunku do elektrody wodorowej, metal staje si wzgldem niej anod, czyli jest skłonny do korozji; szereg anodowy tworz zatem metale skłonne do korozji, szereg katodowy odporne na korozj. 61

Tab. 3-3. Szereg napiciowy metali okrelajcy ich skłonno do korozji Szereg Elektroda Potencjał elektrodowy [V] Anodowy Mg Mg 2+ + 2e 2,37 Al Al 3+ + 3e 1,66 Ti Ti 2+ + 2e 1,63 Mn Mn 2+ + 2e 1,63 Zn Zn 2+ + 2e 0,76 Cr Cr 3+ + 3e 0,74 Fe Fe 2+ + 2e 0,44 Ni Ni 2+ + 2e 0,25 Sn Sn 2+ + 2e 0,14 Pb Pb 2+ + 2e 0,13 H 2 2H + + 2e 0,00 Katodowy Cu Cu 2+ + 2e + 0,34 Ag Ag + + e + 0,80 Pt Pt 4+ + 4e + 1,20 Au Au 3+ + 3e + 1,50 Naley jednak podkreli, e niektóre metale, mimo, e w szeregu napiciowym klasyfikowane s wysoko wród metali nieszlachetnych, ze wzgldu na du skłonno do utleniania i tworzenia zwartej warstewki ochronnej tlenków, zachowuj si tak, jakby były bardziej szlachetne. Zjawisko tworzenia takich warstewek ochronnych nosi nazw pasywacji. Łatwo pasywuj si takie metale jak: Cr, Al i Ti, oraz wiele stopów z tymi pierwiastkami, a zwłaszcza stopów na ich osnowie. Rodzaje korozji elektrochemicznej Degradacja materiałów metalicznych wskutek korozji elektrochemicznej moe przybiera róne formy, w zalenoci od połoenia obszarów anodowych wzgldem katodowych. Metal ulega korozji zawsze w obszarze anodowym, nigdy katodowym. Z inynierskiego punktu widzenia obszarami anodowymi w stopach metali, konstrukcjach, maszynach i urzdzeniach staj si: te materiały lub fazy, bdce w kontakcie zapewniajcym przepływ elektronów, które w szeregu napiciowym s bardziej ujemne, miejsca o wikszej energii wewntrznej, czyli o wikszym odstpstwie od równowagi strukturalnej i napreniowej, obszary o mniejszym steniu reagenta, np. tlenu (patrz przykład na rys. 3-24b). 62

Typowe ogniwo galwaniczne moe powsta wtedy, gdy np. do nitowania blach stalowych uyje si nitów miedzianych; wówczas blacha jest anod, nity miedziane za s katod. Podobny typ ogniwa powstaje w stopach dwufazowych, w których jedna z faz jest bardziej szlachetna od drugiej. Przykładem moe by eliwo szare, w którym grafit jest bardziej szlachetny od ferrytu. Jeeli eliwo znajdzie si w elektrolicie, powstan lokalne mikroogniwa powodujce korozj ferrytu. Miejsca odkształcone elementów kształtowanych na zimno, z duymi lokalnymi napreniami, stanowi obszary anodowe w stosunku do nieodkształconej czci elementów (rys. 3-26) i dlatego koroduj szybciej. katoda anoda Rys. 3-26. Przykłady odkształceniowych par korozyjnych: a) zgity prt, b) połczenie blach [12] Korozyjne ogniwa steniowe (najczciej tlenowe) powstaj wówczas, gdy w elektrolicie wystpuj rónice w steniu tlenu. Przykładem jest korozja konstrukcji metalowych zanurzonych czciowo w wodzie lub wbitych czciowo w grunt, przebiegajca szczególnie intensywnie tu poniej linii wody lub gruntu. Inne warunki powstawania ogniw steniowych to wszelkiego rodzaju pknicia i szczeliny oraz zabrudzenia na powierzchni metalu. W miejscach tych dostp tlenu jest utrudniony i przy mniejszym jego steniu tworzy si anoda. Katod staj si powierzchnie ssiadujce ze szczelinami czy zabrudzeniami o wikszym steniu tlenu. Przykłady warunków powstawania ogniw steniowych pokazano na rys. 3-27. Pewn odmian korozji elektrochemicznej jest korozja biologiczna. Procesy korozyjne s w takim przypadku wywoływane przez mikroorganizmy. Do takiego typu korozji dochodzi czsto w rurach i kablach prowadzonych pod ziemi. Pewne szczególne typy bakterii tworz na wilgotnych powierzchniach metalicznych cienkie warstewki mikrobiologiczne doprowadzajc do zachodzenia procesów redukcyjnych, zakłócajcych równowag elektrochemiczn. Efektem tego s intensywnie przebiegajce reakcje elektrochemiczne, za skutkiem wery na powierzchni metalu. Przyjmujc za kryterium wielko i lokalizacj ogniw oraz warunki ich powstawania, wyrónia si wiele rodzajów korozji, z których najczciej spotykane to (rys. 3-28): 63

korozja równomierna; obszary anodowe pokrywaj równomiernie cał powierzchni metalu, korozja werowa; obszary anodowe powstaj lokalnie, np. w miejscach uszkodzenia warstwy pasywnej, korozja midzykrystaliczna; korozja przebiega po granicach ziaren (atakowane s granice ziaren); korozja selektywna; rozpuszczaniu moe ulega jedna z faz, gdy materiał jest wielofazowy, korozja napreniowa; wystpuje wówczas gdy materiał jest jednoczenie nara- ony na korozj elektrochemiczn i działanie napre pochodzcych od obcie zewntrznych lub pozostałych po procesie technologicznym. a) b) K A K K A c) d) K K A A Rys. 3-27. Przykłady steniowych par korozyjnych: a)osad (zabrudzenie) na płycie stalowej; b) pknicie; c) szczelina w profilu zamknitym; d) kotew w gruncie. Oznaczenia: A anoda, K katoda [12] Korozja równomierna werowa selektywna napreniowa a) przez ziarna midzykrystaliczna (po granicach ziaren) b) midzykrystaliczna (po granicach ziaren) Rys. 3-28. Najczciej spotykane rodzaje korozji elektrochemicznej 64

Metody zapobiegania korozji elektrochemicznej Odporno na korozj nie jest prost właciwoci materiału, jak np. granica plastycznoci czy przewodno elektryczna, poniewa wpływ na ni ma wiele czynników, które przedstawiono na rys. 3-29. temperatura cinienie obcienia statyczne lub dynamiczne prdko przepływu WARUNKI EKSPLOATACYJNE materiał / rodowisko korozyjne skład chemiczny stopu obróbka cieplna mikrostruktura spawanie konstrukcja skład chemiczny stan skupienia (gaz, ciecz, ciało stałe) Rys. 3-29. System korozyjny Dlatego dobór materiału do rodowiska korozyjnego jest zagadnieniem trudnym. Niemniej jednak opracowano wiele sposobów ograniczania lub zapobiegania korozji, z których najwaniejsze to: 1. Właciwe zaprojektowanie konstrukcji tak, eby wyeliminowa moliwo powstawania ogniw korozyjnych, np. przez unikanie bezporednich połcze metali o duej rónicy potencjałów elektrodowych (np. stopów elaza ze stopami miedzi). 2. Dobór materiałów oraz technologii ich wytwarzania i przetwarzania, odpowiednich do warunków korozyjnych, jak równie zapewnienie wysokiej gładkoci powierzchni gotowych elementów. 3. Stwarzanie korzystnych elektrochemicznie warunków konstrukcyjnych, np. poprzez stosowanie odpowiednich technik łczenia (spawanie i klejenie jest korzystniejsze z punktu widzenia korozji, anieli nitowanie, czy połczenia rubowe), stosowane profile powinny by zamknitymi w kierunku wikszego oddziaływania korozyjnego profile rurowe s tu korzystniejsze, anieli profile otwarte (dwuteownik, ceownik, ktownik, itp.). 4. Nakładanie szczelnych powłok ochronnych w postaci smarów i olejów, farb, pokry ceramicznych (emalii lub szkieł), powłok metalowych wykonanych z metali łatwo pasywujcych si lub tworzcych warstwy produktów korozji, ograniczaj- 65

cych drastycznie jej dalszy postp. Metal powłoki moe by mniej lub bardzie szlachetny od podłoa, std podział powłok na anodowe i katodowe oraz inny mechanizm ochrony podłoa, np. powłoka cynkowa, jako anodowa, jest skuteczna równie w przypadku jej uszkodzenia (rys. 3-30a), natomiast powłoka cynowa na stali jest powłok katodow i spełnia swoje zadanie tylko wtedy, gdy jest całkowicie szczelna (rys. 3-30b). a) e H 2 Zn + stal (katoda) elektrolit powłoka cynkowa ulega powolnej korozji na duej powierzchni i nadal chroni stal przed korozj b) H 2 Fe + e stal (anoda) elektrolit uszkodzona powłoka cynowa powoduje powstanie werów w miejscu uszkodze Rys. 3-30. Ochrona przed korozj poprzez nanoszenie powłok : a) cynkowych, b) cynowych 5. Stosowanie inhibitorów, a wic substancji chemicznych, które wprowadzone do agresywnego rodowiska eliminuj szkodliwe składniki rodowiska (np. rozpuszczony tlen), albo wytwarzaj na powierzchni anody warstwy tlenkowe utrudniajce rozpuszczanie metalu, lub te wytwarzaj warstewki wodorotlenkowe na katodzie, zapobiegajce zobojtnianiu jonów. Inhibitory s stosowane w obiegach zamknitych, takich jak np. chłodnice samochodowe. 6. Ochrona katodowa, polegajca na dostarczaniu do chronionego metalu (np. kadłuba statku, rurocigu podziemnego, zbiornika wody, bdcego naturaln anod) elektronów, aby uczyni z niego katod. Stosuje si dwa sposoby ochrony katodowej ochron z tracon anod (rys. 3-31a) lub z przyłoonym napiciem (rys. 3-31b). Tracona anoda, zwykle Zn, Mg lub Al, przyłczana jest do chronionej konstrukcji, a rozpuszczajc si dostarcza do niej elektrony i nie dopuszcza do wystpienia na niej reakcji anodowej. Drugi sposób polega na doprowadzeniu do konstrukcji prdu stałego tak, aby była ona katod. 66

ródło prdu a) b) i prostownik powierzchnia gruntu powierzchnia gruntu + e - e - Mg 2+ Mg Mg 2+ anoda chroniona rura anoda chroniona rura Rys. 3-31. Ochrona katodowa za pomoc: a) traconej anody (Mg, Zn, Al), b) prdu zewntrznego (anod moe by grafit lub stal odporna na korozj) [3] Przykładem zastosowania katodowej ochrony przed korozj jest dodatkowa ochrona (obok wielowarstwowych powłok malarskich) polegajca na przymocowaniu do stalowego kadłuba statku morskiego płytek z Zn lub Al, spełniajcych rol traconych anod (rys. 3-32a); w obszarze rufowym, w pobliu ruby okrtowej i steru, nanosi si znacznie wicej takich anod, poniewa jest to obszar, w którym mamy do czynienia z naturalnymi ogniwami elektrochemicznymi (stalowy kadłub ruba i ster ze stopu miedzi woda morska jako elektrolit), a przy tym wystpuj znacznie wiksze prdkoci opływu wody morskiej, anieli w reszcie kadłuba. Po paroletnim okresie eksploatacji statku tracone anody s na ogół w znacznym stopniu zarte przez korozj (rys. 3-32b), za kadłub niemal nietknity. a) b) Rys. 3-32. Praktyczne zastosowanie traconej anody w budownictwie okrtowym: a) rozmieszczenie traconych anod na kadłubie; b) tracona anoda w stanie pocztkowym (górna anoda ) i po długim okresie eksploatacji (dolna anoda ) 7. Sztuczna pasywacja metali mało odpornych na korozj elektrochemiczn metod chemiczn, tj. poprzez zanurzenie w rodowisku pasywnym. Na przykład czyste elazo, zanurzone w stonym kwasie azotowym, pokrywa si cienk warstw wodorotlenku elaza, chronic go przed dalsz korozj. Stan pasywny mona równie uzyska przez polaryzacj odpowiednim prdem anodowym. 67