Класификация на видовете корозионно-механично разрушаване на материали - Моделиране

Износването може да възникне едновременно с действието на различни физични и химични процеси, протичащи по време на работа. Тези процеси могат да увеличат абразивното износване, увеличавайки скоростта на последното.

Най-известните процеси включват:

- корозия (предимно ръждясване при мокри условия на работа или при наличие на влага);

- високи работни температури (омекотяващ ефект).

Корозията на металите е тяхното разрушаване поради химическо или електрохимично взаимодействие с външната среда. В широк смисъл не само металите, но и всякакви материали, било то бетон, пластмаса, гума или керамика, са подложени на корозия. Корозията протича в различни среди, но най-вече те са газообразни и течни (почва, вода, околна атмосфера и др.).

Видове корозия според условията на потока:

- атмосферна корозия - най-често срещаният вид корозия, свързана с разрушаването на металите във въздуха;

- газ - корозионно разрушаване на метал под въздействието на газове при високи температури;

- течност - вид метална корозия в течна среда, която се разделя на корозия в електролити и неелектролити;

- почвено - метална корозия в почви и почви;

- биокорозия - вид корозия, свързана с разрушаване под въздействието на живи микроорганизми;

- структурни - свързани с разнородността на структурата на металите;

- корозия от блуждаещи токове - вид електрохимично разрушаване под въздействието на блуждаещи токове;

- външен ток - електрохимично разрушаване на метал под въздействието на ток от външен източник;

- контактна корозия - възниква при контакт на различни метали (с различни стационарни потенциали в даденаелектролит);

- корозия на пукнатини - феноменът на увеличаване на скоростта на корозионно увреждане в пролуките и пукнатините в метала;

- корозия под напрежение - разрушаването на метала с едновременно излагане на агресивна среда и механични напрежения;

- кавитация - разрушаването на метала с едновременното въздействие на въздействието на външната среда и процеса на корозия;

- фретинг корозия - вид корозия, която възниква, когато две повърхности вибрират една спрямо друга в корозивна среда;

- корозия по време на триене (корозионна ерозия) - възниква, когато металът е изложен едновременно на триене и корозивна среда.

Причината за възникването и протичането на корозионните процеси е термодинамичната нестабилност на материалите към определени компоненти в тяхната среда. Корозията води до продукти на корозия (например ръжда), повредено оборудване и разрушаване на конструкции. Радиацията, отпадъчните продукти на микроорганизмите и бактериите допринасят за развитието на корозивни процеси. Комбинацията от излагане на механични напрежения и околната среда значително ускорява корозията на металите - тяхната термична стабилност намалява, повърхностните оксидни филми се увреждат и се активира електрохимична корозия в онези места, където се появяват нехомогенности и пукнатини.

Според механизма на корозионния процес той може да бъде два вида: химичен и електрохимичен.

Електрохимичната корозия е процес на разрушаване на метал, когато той влезе в контакт с течности, които провеждат електрически ток (електролити). Това разрушаване се случва на границата между метал и течност и се причинява от електрохимична реакция, която възниква между тях, подобно на явлението, което се случва вгалваничен елемент. Случва се следното: металите (сплавите) губят част от своите атоми (те преминават в електролитния разтвор под формата на йони), електроните, заместващи изгубените атоми, зареждат метала с отрицателен заряд, докато електролитът има положителен заряд. Образува се галванична двойка: металът се разрушава, постепенно всички негови частици стават част от разтвора. Електрохимичната корозия може да бъде причинена от блуждаещи токове, които възникват, когато част от тока изтече от електрическа верига във водни разтвори или в почвата и оттам в метална конструкция. В местата, където блуждаещите течения излизат от металните конструкции обратно във водата или в почвата, се получава разрушаване на металите. Особено често се появяват блуждаещи токове на места, където се движат наземни електрически превозни средства (например трамваи и електрически железопътни локомотиви).

Химическата корозия е процес на разрушаване на метали без електрически ток, протичащ в среда от сухи газове или в течности, които не провеждат електрически ток. Абсолютно всички метали, както черни, така и цветни, са обект на химическа корозия. Активните цветни метали (например алуминий) под въздействието на корозия са покрити с оксиден филм, който предотвратява дълбокото окисление и предпазва метала. И такъв неактивен метал като медта, под въздействието на въздушна влага, придобива зеленикаво покритие - патина. Освен това оксидният филм предпазва метала от корозия не във всички случаи - само ако кристално-химичната структура на образувания филм е в съответствие със структурата на метала, в противен случай филмът няма да помогне по никакъв начин. Повърхностите на корпусните конструкции са изложени на химическа корозия при контакт с транспортирани нефтопродукти, сол, въглища и други минерали.

Видове корозия според естеството на разрушаване:

- твърди (общокорозия) - покриваща цялата повърхност на метала, която е под въздействието на корозивна среда;

- локален - обхваща само някои части от металната повърхност.

Продължителната корозия се подразделя на: равномерна, неравномерна и избирателна. Локалният тип корозия е: петна, питинг, питинг, сквозна, нишковидна, междукристална, подповърхностна, ножова, корозионно напукване и корозионна крехкост [4].

Фигура 1.1 Видове корозия: а - непрекъсната равномерна; b - непрекъснато неравномерно; в - структурно-селективен; g - петна; d - язви; e - точки (вдлъбнатини); g - подповърхност; h - междузърнест

Износването на металните части обикновено се класифицира според механизма на износване на материала от повърхността: абразия, триене, умора и ерозия.

Абразивното износване е неизбежен проблем при работата на много видове индустриално оборудване: помпи, сита, шнекове, улеи, циклони и др. Абразивното износване обикновено се причинява от движението или удара на частици, съдържащи се в потока, с повърхността на продукта, което води до ускорено разрушаване на повърхността, придружено от загуба на маса. При хидроабразивно износване разрушаването се ускорява както поради измиването на продуктите на разрушаване от течността, така и поради добавянето на кавитационни и корозионни фактори. Абразивното износване е износване, причинено от движението на твърди частици под действието на сила по повърхността на твърдо тяло. Абразивното износване е най-разпространеният и най-бърз механизъм за износване, открит в различни индустрии. Това явление може да се развие във всяка среда, в почвата, във въздуха, в течност в присъствието на абразивни частици и по-общо по време на товарене и разтоварване иобработка на суровини. В зависимост от степента на увреждане на повърхността има три вида абразивно износване - надраскване, абразивно и абразивно с ударни натоварвания.

Износване от надраскване: Този тип се нарича още износване при свободно плъзгане и е най-малко сериозно, тъй като абразивните частици не се чупят или свиват. Възниква под действието на многократно надраскване от твърди, остри и малки частици, движещи се по твърда повърхност с различна скорост.

Абразия: Това е един от най-сериозните видове абразивно износване и възниква, когато фини абразивни частици се притискат към метална повърхност с достатъчно сила, за да счупят и смачкат метала. Резултатът е свежи, остри режещи ръбове. Това води до повишена степен на износване в сравнение със заоблените абразивни частици.

Ударно износване. От тези три вида износване този механизъм води до най-сериозни повреди. Получава се, когато абразивното износване е съчетано със силен удар на големи и тежки тела, които силно притискат твърда повърхност, оставяйки забележими прорези и вдлъбнатини върху нея.

Триене: износване на метал срещу метал, този термин се използва за описание на износването в резултат на плъзгане на две метални части без наличието на абразивни частици.

Умора: уморното износване се причинява от периодични натоварвания (повърхностна умора), механизмът на износване е подповърхностни микропукнатини.

Ерозия: Ерозивното износване се причинява от действието на срязване на движещи се частици, носени от флуиден или газов поток, който отнася фрагменти от материал далеч от твърда повърхност. Ерозията е бързо разрушаване на металната повърхност, причинено от корозионно-механично действиедвижеща се среда. Според естеството на причинените щети и механизма на процеса се разграничават следните видове ерозия: кавитационна, струйна и фрикционна корозия.

Кавитационно увреждане, често наричано кавитационна ерозия, възниква, когато течност се движи бързо спрямо метал поради образуването и изчезването („свиване“) на мехурчета пара близо до металната повърхност. Този тип ерозия засяга хидравлични турбини, корабни витла, високоскоростни ротори на помпи, дизелови охлаждащи кожуси и други механизми, в които има високи скорости на потока на флуида, както и промени в налягането в тези потоци. Увреждането на металната повърхност е подобно на язвите. Феноменът кавитация може да се обясни по следния начин. При намаляване на налягането до определена стойност течността (водата) започва да кипи при стайна температура; в него се появяват парни мехурчета, които мигновено се свиват с увеличаване на налягането. Ако спадовете на налягането се повтарят много бързо (например в помпа с течаща вода), мехурчетата от пара ще се появят и изчезнат също толкова бързо, а колапсът на мехурчетата генерира ударни вълни с челно налягане. Такова налягане може да причини пластична деформация на много метали. Причина за възникване на кавитация могат да бъдат и препятствия по пътя на флуидния поток (стеснение на тръбата, остри прегради, пукнатини, повърхностни неравности, чужди тела - черупки, израстъци, камъни и др.). В такива случаи трябва да се говори за хидродинамична кавитация. Кавитацията, причинена от контакта на бързо вибрираща метална повърхност с неподвижна или относително бавно течаща течност (цилиндърни стени на дизелови двигатели с водно охлаждане), се нарича акустична кавитация.

Механични и корозионнифакторите в процеса на кавитационна ерозия могат да повлияят в различна степен в зависимост от условията. Първите обикновено доминират. Скоростта на образуване на кавитационни повреди зависи от дебита и състава на средата, от температурата, устойчивостта на корозия на метала и склонността му към пасивация, от състоянието на повърхността и якостните характеристики на метала.

Струйна (хидроперкусионна) ерозия е разрушаването на метал или сплав под действието на поток от течност, движещ се в турбулентен режим и съдържащ въздушни мехурчета. Този вид ерозия причинява преждевременно разрушаване на много елементи на тръбопроводи (колена, тройници, клапани), топлообменници, циклони, лопатки на парни турбини и др. Ерозията се увеличава, ако в течността има суспензия от твърди частици. Струйната (хидроперкусионна) ерозия разрушава много метали и сплави, които успешно се противопоставят на корозията в неподвижна корозивна среда или при ниска скорост на движение на последната. Интензивността на процеса, определена като загуба на метална маса на единица от неговата повърхност за единица време, обикновено се увеличава с увеличаване на скоростта на потока на електролита.

В сравнение с кавитационната деструкция, хидроударната ерозия протича с много по-голямо влияние на корозионния фактор. Следователно тук по-важни са съставът и pH на средата, корозионната устойчивост на метала и т.н.

Потокът, удрящ металната повърхност, разрушава защитния филм (фолиото от корозионни продукти) на някои от местата му, оголвайки чистия метал. При контакт със средата, незащитеният метал корозира, образувайки нов защитен филм, който на свой ред се отстранява от потока.

Фрикционната корозия е разрушаването, което възниква по границата между две контактни повърхности, като една от тези повърхности (или и двете) е метална и тесе движат един спрямо друг под натоварване. Понякога движението на повърхностите има колебателен характер (например вибрация) и е сравнително малко (фракции от милиметър). Разрушаването се забелязва чрез промяна в цвета на металната повърхност и образуване на ями, които често се превръщат в ядра на напукване от умора. На мястото на възникване на корозия по време на триене се образуват свободни продукти от окисляване на метал (оксиди), които често причиняват задръстване на конструкции. Загубата на метал води до намаляване на размера на детайла, което надвишава допустимото отклонение, и до разхлабване на конструктивните елементи.

Корозията на триене е причината за разрушаването на пружини, глави на болтове и нитове, щифтове в кормилни механизми, часовникови лагери, контакти на електрически сензори и някои други елементи на машини, които са подложени на вибрации. Типичен пример за фрикционна корозия е постоянното стесняване на челните плочи в близост до железопътните релси, които трябва периодично да се затягат.

Фрикционната корозия често възниква при атмосферни условия под действието на атмосферния кислород. Влажността намалява интензивността на разрушаването. Скоростта на корозия се увеличава с понижаване на температурата и с увеличаване на контактното натоварване. Фрикционната корозия има химико-механичен характер. Контактът на две повърхности се осъществява в точките на контакта им по грапавите издатини. Леко движение на една повърхност спрямо друга (при натоварване) причинява изтриване на тези издатини; когато е изложен, чистият метал веднага се покрива със слой адсорбиран кислород и се окислява. По-нататъшната абразия води до разрушаване на оксидния филм и ново излагане на метала. В същото време може да възникне отчупване на неравности от металната повърхност, отделянето им под формата на най-малките частици, които също са леки или напълносе окисляват.

---