Химические аспекты усталости магния и влияние защиты поверхности

Широко известно, что циклическая прочность на изгиб для магниевых сплавов может значительно снижаться в присутствии воды или соляных растворов. Так, для литейного сплава типа Mg—Al АM503 Бухман приводит значения, изменяющиеся в пределах от 0,35 до 0,6 циклической прочности на воздухе, если в качестве коррозионной среды используется 3%-ный раствор соли. Браун выполнил в Кембридже работ) в этой области для MEL; более полные исследования были проведены в Клифтонском Объединении Мак Дональдом. Dow Chemical Co провела исследование циклической прочности при воздействии коррозионной среды в случае осевых нагрузок.
Влияние коррозии на форму σ/N кривой. Один из наиболее интересных результатов, полученных в работе Брауна (на ZW3), заключался в том, что в отсутствие либо воды либо кислорода кривые после перегиба становились практически горизонтальными, показывая тем самым истинный предел выносливости, поскольку это можно установить из испытании, ограниченных 10в8 циклами (рис. 250). Следовательно, испытания в обычной воздушной атмосфере являются фактически усталостными испытаниями в условиях воздействия коррозионной среды, и некоторое снижение σ/N кривой после перегиба обусловлено совместным воздействием кислорода и влаги.

Мак-Дональд сконструировал специальный прибор (рис. 251), который позволял подавать раствор непрерывно на испытуемый образец в напряженном участке, что давало возможность поддерживать однородную пленку коррозионно-активной среды (в работах других исследователей раствор капал на испытуемый образец через определенные интервалы времени). При использовании вместо бойлерного конденсата свежей, очищенной от солей воды он получил более высокие значения циклической прочности, чем при испытаниях на воздухе. Электропроводность этой воды была очень низкой, однако она быстро увеличивалась при выдержке на воздухе, достигая постоянной скорости увеличения после выдержки в течение 1 ч, вероятно, вследствие поглощения двуокиси углерода. Повышенная циклическая прочность в случае испытаний в воде с низкой электропроводностью дает возможность предположить, что вода действует в некоторой степени как инертная пленка, предохраняющая образец от контакта с кислородом.
В опытах Брауна интересны сравнительные значения предела выносливости, полученные при испытаниях в различной среде, вместе с влиянием среды на форму σ/N кривых. Таким образом в обычной воздушной атмосфере были получены белее низкие значения циклической прочности, чем во влажной двуокиси углерода, влажном кислороде или воздухе, пропущенном через воду.
Браун приписал это удалению следов растворимых в воде примесей — возможно, паров кислот. В связи с этим следует отметить, что в сухой двуокиси углерода предел выносливости оказался почти на 1,5 кг/мм2 выше, чем во влажной двуокиси углерода.
Влияние различных видов обработки поверхности с целью защиты от коррозии на циклическую прочность на воздухе. Интересно рассмотреть влияние различных видов обработки с целью защиты от коррозии как на предел выносливости на воздухе, так и на форму σ/N кривых. Защитные покрытия могут служить источником возникновения различных эффектов: частичного исключения кислорода и влаги, огрубления поверхности металла перед нанесением покрытий, возникновения на поверхности напряжений О том, насколько сказывается влияние каждого из этих факторов на циклической прочности, можно судить по результатам испытаний Брауна и Мак Дональда.

Некоторые данные по результатам исследования, выполненного Брауном, приведены на рис. 252. Для образцов, подвергнутых электролитической полировке, характерен высокий уровень циклической прочности, хотя при этом образуется поверхность, свободная от внутренних напряжений. Обработка, включающая в себя анодирование типа НАЕ, в результате которого на поверхности металла образуется толстая твердая пленка, а поверхностные слои остаются в состоянии растяжения, дает более низкую циклическою прочность Удовлетворительный уровень циклической прочности и хорошая форма кривой σ/N имеют место в случае фтористого анодирования — процесса, удаляющего катодные примеси с поверхности образца. Несколько отрицательное влияние на циклическую прочность оказывают обработка в хроматной ванне и химическое травление. Исследование профиля поверхности образцов показало, что химическая обработка сопровождается некоторым огрублением поверхности, за исключением случая, когда в хроматной ванне проводится двухчасовая черная обработка полированных образцов без промежуточного травления. В последнем случае возникает очень гладкая поверхность (рис. 253). Низкие значения циклической прочности в образцах, прошедших двухчасовую черную обработку в хроматной ванне, Браун объясняет удалением благоприятным образом ориентированных поверхностных слоев. Поверхность металла под НАЕ-пленкой оказалась очень грубой, что могло быть причиной отрицательного влияния этой обработки. Поверхность, подвергнутая фтористому анодированию, имеет острые выступы, которые, однако, невелики и однородны по величине. Защита полированных и протравленных образцов эпоксидной смолой (аральдит 985Е) повышает предел выносливости приблизительно на 0,8 кГ/мм2.

Результаты последующего и более обширного исследования, выполненного Мак-Дональдом, о влиянии анодирования и других видов обработки поверхности применительно к сплавам ZW3, RZ5, ZRE1 представлены на рис. 254—256. Эти результаты свидетельствуют о преимуществе фтористого анодирования с последующей пропиткой как в отношении циклической прочности на уровне 50*10в6 циклов, так и при высоких напряжениях. НАЕ-анодирование дало заметное снижение циклической прочности для сплавов ZW3 и ZRE1, что соответствует данным Брауна для сплава ZW3. На сплаве RZ5 НАЕ-пленка не снижает циклической прочности ниже значений, характерных для полированных образцов. Это может быть обусловлено более тонкой пленкой, так как другие исследователи сообщают о заметном уменьшении циклической прочности при использовании стандартных (толстых) НАЕ-покрытий магниевых сплавов. На снижение циклической прочности с увеличением толщины пленки указывает также Беннет.

Результаты усталостных испытаний в воде и солевых растворах на образцах с покрытиями и без покрытий. Мак-Дональд и Хитон провели обширное исследование, включающее усталостные испытания в воде и солевых растворах. При испытаниях образец покрывали тонкой пленкой коррозионно-активного агента или полностью погружали в него. Использовали образцы с U- и V-образнымп надрезами с коэффициентом концентрации напряжений 2 и 3 соответственно и различные способы обработки поверхности. Основные результаты этого исследования сводятся к следующему:
а) на гладких образцах влияние воды относительно слабое по сравнению с влиянием раствора соли,
б) как на гладких образцах, так и на образцах с надрезом отрицательное влияние коррозионной среды в виде пленки или при полном погружении образца значительно сильнее выражено при 50*10в6 циклах, чем при 10в6 циклах,
в) при усталостных испытаниях в условиях воздействия коррозионной среды имеется незначительная разница в значениях циклической прочности для образцов с U- и V-образными надрезами при 10в6 циклов и не существует никакой разницы при 50*10в6 циклах;
г) при испытаниях образцов в виде полосок с U- и V-надрезами имеется относительно слабое различие в уровне циклической прочности между различными сплавами при 10в6 циклах и еще меньшее при 50*10в6 циклах;
д) сплав А8 (высокой чистоты) не показал никакого преимущества по сравнению с остальными сплавами, хотя скорость коррозии его в ненапряженном состоянии при обрызгивании солевым раствором самая низкая из всех испытанных сплавов. He имелось никаких признаков к соответствующей чувствительности к разрушению сплава А8 при усталостных испытаниях при воздействии коррозионной среды, хотя этот сплав (единственный из испытанных сплавов) склонен к коррозионному рас трескиванию под напряжением;
е) минимальная циклическая прочность на базе 10в6 циклов наблюдалась при погружении образцов в соляной раствор, однако при 50*10в6 циклах иногда наблюдались наиболее низкие результаты в случае обрызгивания образцов соляным раствором;
ж) пропитка поверхности эпоксидной смолой (аральдит 985Е) делает образцы устойчивыми против усталостной коррозии (рис. 257, 258).
Последний пункт, очевидно, имеет наибольшее практическое значение.

Усталость в условиях воздействия коррозионной среды и начало усталостного разрушения. Определение «линии повреждаемости» было проведено для труб из сплава AZM в Германии «Линия повреждаемости» — это линия, соответствтещая значениям σ и N, до получения которых образец не испытывает устойчивых повреждений. В рассматриваемом случае «линия повреждаемости» была параллельна верхней ветви σ/N кривой и отстояла от нее приблизительно на 3 кГ/мм2 для данного значения N и на 1/6 N для фиксированного значения σ. Это показывает, что устойчивые повреждения могут происходить на ранней стадии циклических испытаний. Аналогичные результаты были получены Мэем и Ханекомбом при осевом нагружении чистого магния и сплавов на основе твердого раствора, они наб людали трещины при 20—30% ожидаемого времени до разрушения образца. С другой стороны, Браун испытывал образцы сплава ZW3 без защитных покрытий (на изгиб с вращением) до тех пор, пока они в некоторых случаях не выдерживались вплоть до 96,5% ожидаемого времени до разрушения (200 тыс. циклов), и затем продолжал испытания, но с нанесением на образцы защитного покрытия из резины. Все испытанные образны, креме одного, остались неразрушенными после дополнительных 12 млн. циклов. Это говорит о том, что быстрое распространение усталостной трещины начинается на самых поздних стадиях и ускоряется кислородом и влагой из окружающей атмосферы. Защитой против усталостных трещин является резиновое покрытие.
Фреттинг-коррозия. Фреттинг-коррозия, возникающая в местах контактов, может играть важную роль в циклической прочности конструкции как из магниевых, так и из алюминиевых и других сплавов. Так, стальная втулка, охватывающая образец при испытаниях на изгиб с вращением, может снизить циклическую прочность более чем в 2 раза. Чтобы свести к минимуму фреттинг-коррозию, на практике используют следующие мероприятия: на поверхности магния создают внутренние напряжения путем обкатки роликами или обдувкой песком; используют мягкие неметаллические прокладки; отливают или запрессовывают изделия в стальные вкладыши. Обзор по фреттинг-коррозии сделан Тидом.