МЕТАЛЛ В ХИМИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Член-корреспондент АН УССР Г. В. Карпенко

Источник:http://www.ras.ru/FStorage/download.aspx

Многие детали машин, аппаратов и средств автоматизации на предприятиях химической промышленности приходится эксплуатировать в агрессивных средах. Стойкость материалов к одновременному воздействию среды и рабочих нагрузок обуславливает долговечность оборудования. Однако представления о прочности и выносливости материалов, хорошо разработанные для общего машиностроения, не всегда оказываются пригодными в химическом машиностроении. Например, если в обычном производстве закалка или легирование повышают прочность углеродистых сталей, то при эксплуатации в химически активных средах получается обратное. Незакаленные среднеуглеродистые стали имеют здесь в несколько раз большую коррозионно-усталостную прочность, чем закаленные высокопрочные. В связи с этим огромное значение приобретает проблема обеспечения химического машиностроения материалами с заданными свойствами. Эту проблему решает новое научное направление «Физико-химическая механика материалов», которая включает не только механику материалов, но и физику твердого тела, физическую химию, электрохимию, радиационную физику и технологию.

Новая наука возникла в Советском Союзе в основном благодаря работам академика П. А. Ребиндера и его школы. Физико-химическая механика материалов изучает закономерности деформационных процессов в твердом теле (вплоть до разрушения) в зависимости от его состава, структуры и ее дефектов, а также от влияния внешней среды, температуры и давления. В Физико-механическом институте Академии наук Украинской ССР эта наука развивается в инженерном аспекте, применительно к конструкционным материалам (металлы, пластики, стекла и т. п.). Здесь изучается механизм взаимодействия деформируемого твердого тела и окружающей среды, влияние технологических факторов на механические свойства материалов в рабочих средах, изыскиваются наиболее приспособленные для работы в активных средах материалы, стойкие к высоким либо низким температурам и давлениям, а также к облучению, создаются научно обоснованные методы расчетов прочности и долговечности материалов, испытывающих одновременное воздействие механических нагрузок и активных сред.

Исследования Института показали, что влияние среды на физико-механические свойства материалов особенно усиливается в процессе деформации. В этом случае проявляется недостающая энергия активации, необходимая для течения физико-химического процесса, происходящего при взаимодействии среды и твердого тела. Хотя деформация материала незначительно повышает его общую энергию, однако в малых его объемах, прилегающих к плоскостям сдвигов, сосредоточивается много энергии. В этих местах материал становится активным к различным химическим процессам и интенсивной диффузии. Таким образом, материал, не изменяясь в целом, при его деформации в рабочих средах может потерять свою несущую способность, т. е. способность выдерживать, не разрушаясь, внешние механические нагрузки, из-за того, что средой и нагрузкой будут разрушены лишь его отдельные места. Это и является причиной выхода из строя многих машин, механизмов и аппаратов, работающих ,в химической промышленности. Тому пример — хрупкое разрушение стали по линиям скольжения (линия Людерса) при растяжении с одновременным насыщением водородом.

Металл многих деталей химического оборудования работает в условиях, способных привести к его наводороживанию. К этим условиям относится контакт металла со средами газообразного водорода при высоких температурах и давлениях, взаимодействие с гидратированными ионами водорода в электролитах. Влияние водорода особенно усиливается при катодной поляризации металла, например при катодной защите от коррозии. Наводороживание происходит и при взаимодействии металла с ионизированным водородом, т. е. потоком протонов, в частности в плазме.

Вопросы водородной хрупкости приобретают особую актуальность при изучении воздействия облучения. Среды, содержащие водород или его соединения, при облучении ионизируются, что приводит иногда к весьма активному внедрению водорода в металл. Подобные явления, по-видимому, можно ожидать и в условиях космоса, ибо межзвездное вещество в основном состоит из ионизированного водорода.

Институтом в этой области проведены работы по выявлению природы механизма внедрения водорода в сталь, исследования состояния водорода в стали, а также физических и механических свойств наводороженного металла. Обычно водородную хрупкость определяют на образцах после окончания процесса наводороживания. Такие испытания хорошо имитируют поведение металла, насыщенного водородом при изготовлении и обработке. Сотрудники Института исследовали наводороживание металла во время эксплуатации детали, когда водород внедрялся в механически нагруженный металл. В результате опытов выяснилось, что эффект воздействия водорода на деформируемый металл в сотни и тысячи раз превосходит эффект, полученный в тех же условиях при ненапряженном металле. Открыто новое явление — «водородная усталость стали», проявляющееся при катодной защите от коррозии циклически нагружаемого металла не только в кислых, но и нейтральных электролитах. В этих случаях циклическая прочность снижается вследствие воздействия внедряемого в металл водорода. Явление это особенно усиливается при знакопеременном деформировании металла выше пределов текучести в коррозионных средах, т. е. в условиях его пластической усталости. Водородную усталость стали можно устранить, накладывая анодный потенциал на нагружаемый металл. «Анодная защита», усиливая коррозионный процесс, препятствует, однако, новодороживанию и поэтому повышает выносливость металла. В Институте получены первые ободряющие результаты по предохранению металла от наводороживания, достигнута полная защита от водородной усталости, уточнена и дополнена теория водородной хрупкости, в частности представления о форме состояния водорода, внедренного в металл. Проведенные эксперименты изменили существующее представление о наличии в решетке железа атомарного водорода, якобы образующего твердый раствор с Fe и вызывающего увеличение параметра решетки. Для этого измерен параметр решетки в двух направлениях—перпендикулярно к поверхности образца и под углом — и обработаны специальным методом данные рентгеновских наблюдений.

Успехом увенчались работы по определению влияния поверхностно-активных сред на выносливость металла при нормальных (смазочные масла) и высоких (расплавы металлов) температурах. Изменение усталостной прочности под действием адсорбции из внешней среды названо «адсорбционной усталостью». Установлено снижение усталостной прочности стали в расплавах Na, Bi, Hg, эвтектики Pb—Sn. Влияние это существенно зависит от скорости деформации — резкое снижение скорости уменьшает охрупчивающее действие расплавов.

Расплавы Pb—Sn, A1—Pb—Sn в определенном интервале температур значительно повышают усталостную прочность стали, особенно при наличии на деталях острых концентраторов напряжения. Действие этих сред объясняется образованием в приповерхностном слое стальной детали интерметаллических соединений, вызывающих появление в этом слое остаточных напряжений сжатия.

Большое практическое значение имеют опыты по определению воздействия коррозионных сред и расплавов легкоплавких металлов на циклическую прочность металлических деталей с концентраторами напряжений. Выяснено, что в этом случае концентраторы напряжений значительно меньше снижают выносливость металла в агрессивных средах, чем в воздухе. Подобно этому и чистота поверхности металла значительно меньше влияет на его выносливость в воздухе, чем в активных средах. Поэтому детали, подверженные действию циклических нагрузок и агрессивной среды, можно обрабатывать более грубо, чем детали, работающие в воздухе, без снижения их выносливости.

Для борьбы с отрицательным влиянием конструкционных концентраторов напряжения в институте разработан метод термомеханической обработки концентраторов напряжения в процессе закалки детали. Термомеханическое упрочнение концентраторов сохраняется при тем-пературах до 400° С.

Полученные результаты имеют большое практическое значение, способствуя повышению производительности труда и удешевлению продукции химического машиностроения.

В общем машиностроении обычно не учитывается вид механической обработки при расчете деталей машин на прочность. В этом случае машиностроителей интересует только чистота поверхности, полученная при окончательной обработке, безотносительно к тому «скоростным» или «силовым» резанием она достигнута. В результате опытов оказалось, что для работы деталей машин в агрессивных средах значение имеет не столько чистота поверхности, сколько метод ее получения. Особенно неблагоприятны виды обработки, вызывающие неравномерный наклеп и остаточные напряжения в приповерхностном слое металла детали. Такая неравномерность свойств приповерхностного слоя, взаимодействующего со средой, интенсифицирует влияние среды на механические свойства материалов. Примером может служить случай, когда вал, изготовленный из стали-45 по пятому классу чистоты поверхности двумя методами — силовым и скоростным резанием, имел в первом случае в 2,5 раза меньшую коррозионно-усталостную прочность, чем во втором.

На эксплуатационные свойства деталей машин и аппаратов, работающих в агрессивных средах, оказывают большое влияние виды обработки, предшествующие финишной, так называемая технологическая наследственность. Предшествующие виды обработки могли вызвать в кристаллической решетке металлов изменения (обычно не поддающиеся заводскому контролю), значительно снижающие эксплуатационные свойства этих деталей. Например, если перед шлифованием деталь обрабатывалась силовым резанием, то условный предел ее коррозионной усталости в 5—6 раз меньше, чем у детали с той же чистотой поверхности, но обработанной перед шлифованием скоростным резанием. Характерно, что и корродирование металла деталей машин зависит не только от свойств материала и окончательного вида обработки, но и от предшествовавшего финишной вида обработки поверхности.

Некоторые виды механической обработки повышают прочностные и коррозионные свойства металлов при их эксплуатации в агрессивных средах. Это, в частности, термомеханическая обработка и пластическое деформирование приповерхностных слоев деталей роликами или обдувкой дробью, отдельные виды скоростного резания и ряд других. В Институте добились 10-кратного увеличения выносливости обычной сред-неуглеродистой стали в коррозионных средах за счет специального вида токарной обработки, вызывающей термомеханическую закалку тонкого приповерхностного слоя детали, соприкасающегося со средой.

Для проведения экспериментов по физико-химической механике материалов в Институте применяют новые методы механических испытав ний материалов в специфических условиях длительных нагружении и воздействия среды при высоких или низких температурах и давлениях, а также при облучении. Созданы оригинальные испытательные машины. Разработан и успешно применяется метод механических испытаний на микрообразцах (образцы диаметром 0,5—3 мм), открывающий большие возможности для испытаний материалов в процессе деформации в среде при одновременном облучении.

Новые методы испытаний с использованием оригинальных машин и приборов позволили накопить значительный экспериментальный материал о влиянии поверхностно-активных и коррозионно-агрессивных сред, жидкометаллических расплавов и водорода на усталостную и длительную прочность стали и жаростойких сплавов, а также об одновременном воздействии некоторых сред, механической и термомеханической обработки на выносливость стали при длительном и циклическом нагружении. Это дало возможность разработать феноменологическую теорию адсорбционной усталости, адсорбционно-электрохимическую теорию коррозионной усталости и водородной хрупкости, показать механизм влияния жидкометаллических расплавов и дать рекомендации промышленности по выбору оптимальных режимов обработки материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред.