ĂN MÒN DƯỚI ỨNG SUẤT

ĂN MÒN DƯỚI ỨNG SUẤT

Chơng 3 Ăn mòn dới ứng suất Đây là trờng hợp thờng gặp nhất trong thực tiễn, tổn thất gây ra lên tới 28% tổng thiệt hại do ăn mòn. Hai tác nhân cùng phối hợp, thúc đẩy lẫn nhau làm phá huỷ vật liệu nhanh hơn. ứng suất và ăn mòn đợc xem xét trong điều kiện: môi trờng ăn mòn có hoạt tính trung bình, không đổi và ứng suất kéo hoặc uốn nằm trong vùng đàn hồi. 3.1. ý nghĩa của ăn mòn dới ứng suất ứng suất tác dụng đồng thời với ăn mòn thì cả hai đều đợc khuếch đại và gây nên phá huỷ nhanh chóng chi tiết (hình 3.1a, b, c). Ví dụ điển hình là: vỏ đạn bị ăn mòn ứng suất làm mất tác dụng. Ví dụ khác là bình chứa nhiên liệu N 2 O bằng hợp kim titan bị vỡ gây tai nạn nguy hiểm do hiện tợng ăn mòn ứng suất. Môi trờng: Mỗi loại vật liệu có những môi trờng điển hình làm nhạy cảm với ăn mòn dới ứng suất. ứng suất có thể là: các ứng suất d hình thành trong quá trình chế tạo, hoặc do đặc điểm của chi tiết (vỏ đạn và đầu đạn) trong ví dụ trên vỏ đạn chịu kéo. Tuy các ứng suất này còn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết. 3.2. Các phơng pháp nghiên cứu Hình 3.2 trình bày sơ đồ mẫu thử với độ biến dạng không đổi, hình 3.3 với tải trọng không đổi và hình 3.4 cho thấy cơ chế phá huỷ khi xảy ra ăn mòn ứng suất. 3.3. Cơ chế phá huỷ do ăn mòn ứng suất Cơ chế phá huỷ trình bày trên hình 3.4 cho phép quan sát sự phát triển của vết nứt theo thời gian trong điều kiện tải trọng và tốc độ ăn mòn không đổi. Hình 3.1. Hình ảnh phá huỷ do ăn mòn ứng suất a. Vết nứt xuất hiện và cắt ngang hạt tinh thể; b. Vết nứt đi qua biên giới hạt, xuất hiện các vết nứt trong; c. Các vết nứt phát triển Hình 3.2. Ăn mòn ứng suất với độ biến dạng không đổi mẫ u mẫ u mẫ u a) b ) c) Oxit Nứt ngoài Nứt trong Oxit Nứt ngoài Oxit Nứt trong Nứt ngoài Hình 3.3. Ăn mòn ứng suất với tải trọng không đổi Hình 3.4. Cơ chế phá huỷ do ăn mòn ứng suất 3.3.1. Quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và cờng độ ứng suất K I Trên hình 3.5 trình bày quan hệ giữa cờng độ ứng suất K I và tuổi bền của chi tiết (hoặc ngợc lại). Hình 3.5. Quan hệ giữa cờng độ ứng suất K I và tuổi bền của vật liệu P P Nứt mẫ u thử K I , MPa.m 1/2 Tuổi bề n, (phút) 1000 100 10 (a) K ISCC K IC 50 100 (b) Phá huỷ với trị số K I > K IC , trong đó K IC là độ dai phá huỷ của vật liệu khi có vết nứt. K ISCC là hệ số cờng độ ứng suất tới hạn để vết nứt bắt đầu phát triển. Giá trị tới hạn K ISCC giảm khi cờng độ ứng suất K I và tốc độ ăn mòn tăng. Tốc độ phát triển của hệ số cờng độ ứng suất tăng khi trị số K I ban đầu lớn. Trên hình 3.6 là mẫu thử cho thấy giá trị của K I phụ thuộc vào các yếu tố cơ học (M), hình học (B, D và ). Ngoài ra, sự biến đổi của K I còn phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn, thông qua chiều dài vết nứt (a). Các đờng nét đứt trên giản đồ chỉ ra khi tốc độ ăn mòn lớn hơn. Hình 3.6. Mẫu thử ăn mòn ứng suất Hình 3.7. Tuổi bền phụ thuộc vào ứng suất và tốc độ ăn mòn K I phụ thuộc vào hình dạng chi tiết và đặc tính của tải trọng. Với dầm tiết diện chữ nhật chịu tải trọng uốn (hình 3.6), ta có: K I = 2/3 2/1 3 3 D.B 1 .M.12,4 với = 1 D a trong đó: M là mômen uốn [kg.mm]; a là độ dài vết nứt (thay đổi theo thời gian) [mm]; B, D lần lợt là chiều rộng và chiều cao của dầm. Hình 3.7 biểu thị tuổi thọ của vật liệu khi bị ăn mòn ứng suất phụ thuộc vào môi trờng ăn mòn. Với cùng ứng suất, mẫu thử bị phá huỷ nhanh hơn trong môi trờng làm vật liệu nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. 3.3.2. Tốc độ phát triển vết nứt Quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt với hệ số cờng độ ứng suất K I (hình 3.8) cho thấy ba giai đoạn nối tiếp nhau: M Vế t nứ t B D a Chiều tốc độ ă n mòn tăn g Giai đoạn I. Phát triển vết nứt: Tuy tốc độ phát triển lớn nhng giá trị nhỏ, hệ số cờng độ ứng suất ở thời điểm này có giá trị xấp xỉ K ISCC cho nên không xảy ra bất kỳ sự phá huỷ nào của vật liệu. Giai đoạn II. Tốc độ phát triển vết nứt không đổi, qua đây ta có thể xác định đợc thời gian tơng ứng với mỗi trị số cờng độ ứng suất để có vết nứt có chiều dài là l (t = l /V). Ngợc lại biết l và t ta có thể xác định đợc tốc độ phát triển vết nứt V = l /t. Giai đoạn III. Phá huỷ xảy ra tức thời vì tốc độ phát triển vết nứt quá lớn không xác định đợc. Hình 3.8. Sự phát triển vết nứt khi Hình 3.9. Phát triển vết nứt trong ăn mòn ứng suất hợp kim làm tuabin TiAl6V4 Đờng 1:1000 mV; Đờng 2: 500 mV (phân cực anôt); Đờng 3: 0 mV; Đờng 4: 1000 mV; Đờng 5: 1500 mV (phân cực catôt) Hình 3.9 trình bày tốc độ phát triển vết nứt theo hệ số cờng độ ứng suất và tốc độ ăn mòn của hợp kim TiAl6V4. 3.3.3. Quan hệ giữa ứng suất và sự thụ động ăn mòn Trên bề mặt thép lớp oxit làm thụ động ăn mòn, có độ dai phá huỷ rất nhỏ (1-5 MPa.m 1/2 ). Dới tác dụng của ngoại lực, vật liệu có thể biến dạng nhng lớp oxit sẽ bị phá huỷ nứt. Đáy vết nứt là anôt do đó ăn mòn sẽ u tiên xảy ra ở đáy vết nứt (hình 3.10). Hình 3.10. Nơi xảy ra ăn mòn ứng suất Các trờng hợp cơ bản sau đây: Ăn mòn + K ISCC K IC K I lgV III II I 10 5 10 4 10 3 10 2 Tốc độ ăn mòn tăng K I ,MPa.m 1/2 5 4 3 2 30 20 10 1 V 1. Nếu môi trờng ăn mòn không nhạy cảm với ăn mòn ứng suất thì quá trình tái lập lại lớp màng oxit thụ động sẽ xảy ra và thép sẽ đợc bảo vệ (hình 3.11a). 2. Nếu môi trờng ăn mòn có hoạt tính cao (thúc đẩy ăn mòn ứng suất) thì không tạo lại đợc màng thụ động, cùng với ứng suất, quá trình ăn mòn sẽ dẫn tới phá huỷ vật liệu (hình 3.11b). a) b) Hình 3.11. cơ chế ăn mòn ứng suất Hình 3.12 mô tả cơ chế hỗn hợp giữa ăn mòn cơ học và điện hoá. Do tạo thành MeOHCl n+ . 3.4. Các yếu tố ảnh hởng tới ăn mòn ứng suất Quá trình ăn mòn thờng khởi đầu ở vùng tinh giới, sự phát triển của quá trình ăn mòn dới ứng suất không khác gì với việc phát triển vết nứt dới tác M ặ t tr ợ t Màng thụ động Mặ t tr ợt Màng thụ động Kim loại trần Màng thụ động Mặ t tr ợt Mặ t tr ợt Màng thụ động Kim loại trần Mặ t tr ợt Màng thụ động tá i thiế t lậ p Mà ng thụ đ ộ ng Kim loạ i trần b ị ăn mòn Màng thụ động Mặ t tr ợt Hì nh 3.12 . Vai trò của anion Cl làm cho màng thụ độ ng không thể thiết lập đ ợc Màng thụ động Ăn mòn Cl Cl Cl Cl Cl dụng của tải trọng thay đổi. Hai yếu tố này khi đợc kết hợp với nhau sẽ làm cho nguy hiểm tăng lên gấp bội. 3.4.1. ảnh hởng của ứng suất ứng suất nén có tác dụng hạn chế ăn mòn ứng suất. Chỉ có ứng suất kéo có tác dụng thúc đẩy ăn mòn ứng suất, do đó ở các thùng chứa vết nứt do ăn mòn ứng suất chỉ phát triển ở mặt ngoài nơi chịu ứng suất kéo (hình 3.13). Để làm giảm tác hại của ăn mòn ứng suất, ngời ta có thể tạo ứng suất nén d ở mặt ngoài bằng phun bi hoặc phun cát. Hai nhóm ứng suất cần quan tâm là ứng suất bên ngoài (ngoại ứng suất) và ứng suất bên trong (nội ứng suất): ứng suất bên ngoài (ứng suất thô đại) ngoại trừ các sự cố gây nên các tai nạn, nói chung ta có thể xác định cũng nh chế ngự đợc. ứng suất bên trong không thể đo đạc đợc hoặc rất khó đo đợc chính xác. Ngày nay ngời ta quan tâm nhiều đến nội ứng suất trên lớp bề mặt. Nội ứng suất bề mặt thờng liên quan đến các công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt nh tôi bề mặt, các công nghệ biến cứng bằng cơ học nh: phun bi, phun cát làm sạch, lăn ép ứng suất do xử lý tạo lớp phủ bề mặt có thể bằng điện hoá hoặc bằng các phơng pháp khác nhau, các xử lý này đều có thể gây ứng suất cả ở lớp phủ cũng nh trong vật liệu chi tiết. 3.4.2. ảnh hởng của thời gian Theo thời gian quá trình ăn mòn ứng suất trải qua các giai đoạn khác nhau: - Giai đoạn ủ bệnh: ở giai đoạn này cha xảy ra điều gì, thờng không xác định đợc chính xác thời gian ủ bệnh dài bao nhiêu vì nó chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài, nhng khi kết thúc thì lại rất đột ngột. - Giai đoạn phát triển: ở giai đoạn này tốc độ phát triển có thể nhanh chậm khác nhau tuỳ thuộc vào môi trờng, độ lớn và đặc điểm của ứng suất. - Thời gian: Một mặt thời gian có thể ảnh hởng trực tiếp đến độ lớn và sự phân bố ứng suất bên trong, do đó mà ảnh hởng đến ăn mòn dới ứng suất. Đặc biệt là đối với các chi tiết bằng vật liệu kim loại sau khi tôi, khi ram và hoá già. Các tổ chức không (giả) ổn định có xu hớng chuyển đến trạng thái ổn định hơn, nội ứng suất sẽ thay đổi khi có các chuyển biến pha này. 3.4.3. Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất Bảng 3.1 trình bày một số loại vật liệu và các môi trờng làm vật liệu bị ăn mòn ứng suất. Bảng 3.1. Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất của một số vật liệu Vật liệu Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất Vật liệu Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất Hợp kim Al Dung dịch NaCl+H 2 O 2 Dung dịch NaCl Nớc biển, thuỷ ngân (Hg) Khí quyển, hơi nớc Hợp kim Cu Hơi và dung dịch NH 3 Dung dịch amin Nớc và hơi nớc Thuỷ ngân (Hg) Hợp kim Au Dung dịch FeCl 3 Dung dịch axit axêtic Dung dịch muối axêtat Hợp kim Mg Dung dịch NaCl+K 2 Cr 2 O 7 Khí quyển, khí quyển biển Nớc cất Monel NaOH nóng chảy Axit HF Ni kim loại NaOH nóng chảy Inconel Dung dịch NaOH Pb kim loại Axêtat Pb Thép cacbon Dung dịch NaOH Dung dịch NaOH+NaSiO 3 Dung dịch nitrat Ca,(NH 4 ,Na) Hỗn hợp axit H 2 SO 4 +HNO 3 Dung dịch HCN Dung dịc H 2 S Nớc biển Hợp kim lỏng NaPb Hợp kim Ti Axit HNO 3 đặc khói đỏ Nớc biển Dung dịch chứa N 2 O 4 , metanol + HCl Thép không gỉ Dung dịch MgCl 2 , BaCl 2 Dung dịch NaCl+H 2 O 2 Nớc biển H 2 S Dung dịch NaOH+H 2 S Nớc ngng tụ có chứa muối clorua 3.4.4. ảnh hởng của thành phần hoá học của vật liệu Các nguyên tố hợp kim thờng có trong thép trớc tiên là Ni, nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép không gỉ austenit. Hình 3.17 trình bày ảnh hởng của hàm lợng Ni đến tuổi thọ của chi tiết (thời gian trớc khi bị phá huỷ). Ta nhận thấy khi tăng hàm lợng Ni thì tuổi thọ của chi tiết tăng (với ứng suất và môi trờng ăn mòn không đổi). Thực tế việc tăng hàm lợng Ni trên 25% làm cho giá thành rất cao và thép trở thành hợp kim cơ sở Ni. Hình 3.16. Ăn mòn ứng suất gây nứt vùng chịu kéo Hình 3.17 . ảnh hởng của Ni đến tuổi thọ của vật liệu chịu ăn mòn ứng suất Hợp kim cơ sở Ni có u điểm là không bị ăn mòn ứng suất ở mọi nhiệt độ, do đó đợc sử dụng để chế tạo động cơ tuabin của máy bay, tàu thuỷ. Trong thép, Ni còn có tác dụng tăng độ dẻo, độ dai cho nên vai trò của nó không chỉ ở việc chống ăn mòn tinh giới. Cabon nói chung làm tăng nhạy cảm của thép đối với ăn mòn ứng suất Các nguyên tố khác nh Nb làm tăng ăn mòn ứng suất; Mo với hàm lợng dới 1,5% làm tăng ăn mòn ứng suất, nhng trên 4,3% lại làm giảm ăn mòn ứng suất. Crôm nói chung làm giảm ăn mòn ứng suất. Các nguyên tố hợp kim làm tăng sai lệch mạng tinh thể đều làm tăng ăn mòn ứng suất do cản trở chuyển động của lệch. 3.5. Chống ăn mòn ứng suất Các biện pháp chống ăn mòn ứng suất có thể kể ra dới đây: Tìm cách tạo ứng suất nén d trên bề mặt vật liệu; Bảo vệ catôt vật liệu nhằm loại trừ khả năng phân cực anôt và do đó giảm nguyên nhân gây ăn mòn; Thay đổi vật liệu có thể đợc nh thay thép không gỉ austenit bằng thép ferit austenit, dùng các mác thép có chứa các nguyên tố cản trở ăn mòn ứng suất nh Mo, Ni; trung hoà ảnh hởng xấu của anion Cl và tạo màng oxit không dẫn điện nh Al 2 O 3 Vùng khô ng bị phá huỷ %Ni 40 20 1 10 100 100 0 , h Vùng p há hu ỷ nứt Dùng chất ức chế. Các nghiên cứu chỉ ra rằng thép không gỉ austenit nhạy cảm với ăn mòn ứng suất, do các loại thép này nhạy cảm với ăn mòn tinh giới đã đợc đề cập ở chơng 3. Các hợp kim nhôm nhạy cảm với ăn mòn ứng suất dạng này là: AlZnMg, AlZnMgCu, AlMg, Khi chọn chế độ nhiệt luyện thích hợp có thể điều chỉnh đợc sự phân bố các pha và do đó hạn chế đợc tác hại của ăn mòn ứng suất. Nói chung hợp kim đồng nhạy cảm với ăn mòn trong môi trờng có amoniac, và môi trờng ẩm ở nhiệt độ cao. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các hợp kim dới đây đợc xếp theo trình tự tăng dần nhạy cảm với ăn mòn ứng suất: Cu-Ni < Cu-Si < Cu-Sn < Cu-Al < Cu-Zn Chiều ăn mòn ứng suất tăng 3.6. Hiện tợng giòn do hydro 3.6.1. Các nguồn đa hydro vào kim loại - Hydro hoà tan: Khi nấu luyện - Hydro bên ngoài: Hydro nằm bên ngoài (trong môi trờng) thờng là các hydro phân tử, các vật liệu kim loại tiếp xúc với môi trờng khí hydro trong các trờng hợp sau: các chai khí nén hydro, các công trình đợc bảo vệ catôt, trong quá trình bảo vệ luôn tạo thành khí hydro trên bề mặt chi tiết. 3.6.2. Nguyên nhân gây giòn của hydro Khí hydro hoà tan trong kim loại thờng tích tụ ở các vùng tập trung của lệch, do đó làm ngăn cản chuyển động của lệch và vật liệu bị giòn: tính giòn do hydro thờng thể hiện rõ nét trong khoảng nhiệt độ từ 100 đến 100 o C. Sơ đồ tác dụng gây giòn của hydro thể hiện trên hình 3.18. Hydro nguyên tử thoát ra từ phản ứng khử catôt đáy vết nứt làm nứt tăng. Hình 3.18. Cơ chế gây giòn hydro catô t anôt H H H H [...]... trình giòn hydro 3.7 Ăn mòn mỏi Cùng với ứng suất thay đổi (thờng là theo chu kỳ), hiện tợng ăn mòn làm cho giới hạn mỏi của vật liệu giảm đi nhiều Sự phá huỷ vật liệu do ăn mòn kết hợp với ứng suất thay đổi gọi là hiện tợng ăn mòn mỏi ở đây chỉ xét quá trình ăn mòn mỏi với tải trọng thay đổi theo chu kỳ (hình 3.19) PMAX Pa PMIN T Hình 3.19 Đặc điểm của tải trọng trong ăn mòn ứng suất Gọi T là chu kỳ... tốc độ ăn mòn tăng thì tuổi thọ của vật liệu giảm (hình 3.22) Ptb Chiề u tả i trọ ng tă ng 103 106 109 Hình 3.21 ảnh hởng của tải trọng đến tuổi thọ của vật liệu N Ptb Chiề u tố c đ ộ ă n mòn tă ng N 103 106 109 N Hình 3.22 ảnh hởng của tốc độ ăn mòn đến tuổi thọ của vật liệu N 3.8 Ăn mòn - xói mòn, mài mòn Ăn mòn- xói mòn là hiện tợng tăng tốc độ ăn mòn do chuyển động tơng đối giữa môi trờng ăn mòn và... và bề mặt vật liệu Khi tăng tốc độ chuyển động tơng đối thì tốc độ ăn mòn tăng Quá trình xói mòn làm phá huỷ dần bề mặt, ban đầu tạo ra các đờng rạch, các chỗ trũng, sau đến các hõm, các lỗ sâu trên bề mặt và cuối cùng là phá huỷ từng mảng bề mặt Ăn mòn- mài mòn là một dạng phá huỷ màng thụ động do sự chà xát giữa hai bề mặt rắn làm tăng tốc độ ăn mòn Tơng tự nh khi ăn mòn- xói mòn, khi tốc độ tạo lớp... lớp thụ động ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn nh oxit, cacbonat, hydroxyt, của kim loại phải bám chắc trên bề mặt Khi các sản phẩm này giòn, dễ bị nứt khi chịu tải trọng thay đổi thì vật liệu nhạy cảm với ăn mòn mỏi Nghĩa là ăn mòn tạo ra các vết nứt và thúc đẩy sự phá huỷ mỏi xảy ra nhanh hơn, tải trọng làm phá huỷ lớp thụ động để ăn mòn xảy ra nhanh hơn Vật liệu điển hình nhạy cảm với ăn mòn mỏi trong... 106 109 N Hình 3.20 Ăn mòn mỏi nhôm và thép trong không khí Thép do ít nhạy cảm với ăn mòn mỏi, từ tải trọng trung bình tới hạn (Pth) trở xuống thép đợc coi là bền lâu trong môi trờng (N trên 109) N đặc trng cho thời gian phục vụ của vật liệu hay còn gọi là tuổi thọ của vật liệu Đối với các vật liệu nhạy cảm với ăn mòn mỏi, khi cờng độ của tải trọng tăng (lực lớn hoặc tần số đặt lực tăng) thì tuổi thọ... là một dạng phá huỷ màng thụ động do sự chà xát giữa hai bề mặt rắn làm tăng tốc độ ăn mòn Tơng tự nh khi ăn mòn- xói mòn, khi tốc độ tạo lớp thụ động lớn hơn hoặc bằng tốc độ mài mòn thì vật liệu không nhạy cảm với ăn mòn mài mòn