Раздел 4. Коррозионно-механическое разрушение металлов

Более подробная информация по разделу содержится в [1] и [4].

В разделе рассматриваются 4 вопроса:

- коррозионное растрескивание;

- коррозионная усталость;

- коррозия при трении (фреттинг-коррозия);

- коррозия при кавитации (кавитационная эрозия).

По этому разделу предусмотрено выполнение лабораторной работы №3 - «Изучение коррозионного растрескивания латуней». Контроль теоретических знаний по данному разделу проводится после изучения раздела 5 по тесту №4.

В процессе эксплуатации многие металлические конструк­ции, машины, приборы и изделия подвергаются одновременному воздействию агрессивных сред и механических напряжений.

Механические напряжения могут оказывать влияние на электрохимическое поведение металлов и сплавов, скорость и характер их коррозионного разрушения.

Различают следующие виды коррозионно-механического разрушения металлов: коррозионное растрескивание; коррозионная усталость; коррозия при трении (фреттинг-коррозия), коррозия при кавитации (кавитационная эрозия).

Коррозионное растрескивание. Коррозионное растрескива­ние - разрушение метал­ла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздейст­вии коррозионной среды и растягивающих (внешних или внутренних) напряжений.

Коррозионное растрескивание наиболее часто наблюдается в металлических материалах, которые имеют остаточные напряжения после термической или механиче­ской обработки, после сварки или эксплуатации (потребления).

На величину критического напряжения, которое яв­ляется количественной характеристикой сопротивления металлического материала коррозионному растрескиванию, влияют состав коррозионной среды, химический и фазовый состав материала, характер, величина и распределение напряжений.

Углеродистые стали, содержащие более 0,2 % С и имеющие ферритно-пер-литную или пер­литную структуру, имеют малую склонность к коррозионному растрескиванию.

Малоуглеродистые низколегированные стали подвергаются коррозионному растрескиванию в нагре­тых растворах щелочей, нитратов, сероводородсодержащих средах и др.

Высокопрочные стали обнаруживают коррозионное растрескивание в растворах кислот, нейтральных раство­рах, нагретых растворах нитратов и щелочей, а также под тонкой пленкой влаги. Наиболее низкое сопротивле­ние коррозионному растрескиванию высокопрочные ста­ли обнаруживают в растворах соляной, серной и фос­форной кислот.

Аустенитные хромоникелевые нержавеющие стали подвергаются коррозионному растрескиванию в горячих хлоридных растворах; во­де, содержащей ионы хлора и кис­лород; водяном паре, растворах щелочей, сероводородсодержащих средах и т.д.

Полуферритные и ферритные хромистые стали менее склонны к коррозионному растрескиванию, чем аустенитные хромоникелевые стали.

Медные сплавы обнаруживают коррозионное рас­трескивание в средах, содержащих аммиак, оксид серы и др. Наибольшую склонность к коррозионному растрескиванию проявляют латуни, причем неотожженные латуни, имеющие значительные внутренние напряжения, могут подвергаться коррозионному растрескиванию без приложения извне растягивающих напряжений.

Спла­вы систем A1-Сu, А1-Mg, Al-Mg-Zn, Al-Mg- Zn-Сu подвергаются коррозионному растрескиванию в растворах, содержащих хлориды (NaCl, морская вода и др.).

В деформированном состоя­нии сплавы системы Mg-AI-Zn-Мn обнаруживают коррозионное растрескивание во влажной среде, разбавленных растворах NaOH, HNO₃, NaCl+K₂Cr₂O₇ и др., причем тем в большей степени, чем выше содержание в них алюминия. Отжиг, снижающий внутренние напряже­ния, значительно повышает сопротивление этих сплавов коррозионному растрескиванию.

Подвергаются коррозионному растрескиванию также никелевые, титановые и некоторые другие сплавы.

Коррозионная усталость. При одновременном воздействии пе­ременных напряжений и коррозионной среды в металлах возникают повреждения, которые вызывают уменьшение числа циклов до разрушения. Это понижение предела выносливости металлов называют коррозионной усталостью, а переменное напряжение, которое вызывает коррозионную усталость металлов через заданное число циклов, - условным пределом коррозионной усталости.

На условный предел коррозион­ной усталости влияют состав коррозионной среды, химический и фазовый составы сплавов, вид и частота нагружения.

Режим термической обработки изменяет предел кор­розионной усталости сталей: в состоянии после закалки с последующим отпус­ком значительно повышается их усталостная прочность по сравнению с состоянием после отжига или нормализации.

Предел выносливости медных сплавов в пресной и в морской воде снижается незначительно.

У титановых сплавов предел коррозионной усталости в воде практически не отличается от их предела выносли­вости на воздухе. Однако при нали­чии концентратора напряжения типа трещины предел выносливости титановых сплавов в хлоридных растворах оказывается ниже, чем на воздухе.

Коррозия при трении (фреттинг-коррозия). В процессе химической или электрохимической кор­розии на поверхности металла образуются оксидные, гидроксидные или солевые пленки. Удаление этих пленок может происходить, например, при колебательном пере­мещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды. Такой вид коррозии называется фреттинг-коррозией. Она возникает в узлах с малоподвижными соединениями, например, в различных болтовых, заклепочных и шлицевых соединениях, на участках прессовой посадки деталей и др.

Фреттинг-коррозия представляет собой два сопряженных процесса:

а) химическое или электрохимическое взаимодействие металлов со средой с образованием пленок продуктов коррозии;

б) механический процесс износа этих пленок, а при значи­тельных удельных нагрузках — и самих контактирующих металлов.

Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы соприкасающихся металлов, состава и температуры коррозионной среды, удельной нагруз­ки и др.

Повышение относительной влажности воздуха приво­дит к снижению фреттинг-коррозии сталей, а по­нижение температуры действует в противоположном направлении. Скорость фреттинг-коррозии увели­чивается и при повышении удельных на­грузок на малоподвижные соединения.

Коррозия при кавитации (кавитационная эрозия). Жидкая коррозионная среда, например водный ра­створ электролита, может оказывать механическое воз­действие на поверхность металлов в результате кавитирующего действия жидкости.

В процессе эксплуатации кавитационной эрозии подвергаются ло­пасти гребных винтов, детали гидротурбин, насосов и т. п., а также металлические скульптуры фонтанов (например, подобных фонтану «Самсон, раздирающий пасть льва» в Петергофе).

На разрушение металлических материалов при кавитационном действии жид­ких коррозионных сред большое влияние оказывают состав и структура сплавов, характеристики потока жидкости и т. п.

Раздел 5. Локальная коррозия металлов

Более подробная информация по разделу содержится в [1] и [4].

В разделе рассматриваются 6 вопросов:

- точечная (питтинговая) коррозия;

- язвенная коррозия;

- щелевая коррозия;

- межкристаллитная коррозия;

- селективное вытравливание;

- контактная коррозия.

По этому разделу предусмотрено выполнение лабораторной работы №4 - «Изучение межкристаллитной коррозии нержавеющих сталей аустенитного класса».

После проработки теоретического материала разделов 4 и 5 и выполнения лабораторных работ №3 и №4 следует выполнить тренировочный тест №4.

Изучение разделов 4 и 5 заканчивается контрольным мероприятием – необходимо ответить на вопросы контрольного теста №4. Максимальное количество баллов, которые Вы можете получить за выполнение этого теста, равно 5.

Локальной называется коррозия, при ко­торой разрушение металлов и сплавов происходит на от­дельных сравнительно небольших по площади участках их поверхности, в то время как остальная поверх­ность почти не разрушается.

К основным видам локальной коррозии относятся питтинговая, язвенная, щелевая, межкристаллитная, селективное вытравливание и контактная коррозия.

Точечная (питтинговая) коррозия. Точечная (питтинговая) коррозия является одним из наиболее опас­ных видов локальной коррозии. Ей подвержены многие легко пассивирующиеся металлы и сплавы: железо, стали (особенно нержавею­щие), сплавы на основе алюминия, никеля, титана и др.

Точечная коррозия этих металлов и сплавов происхо­дит в средах, содержащих окислители (кислород возду­ха, нитраты, нитриты, хроматы и др.) и анионы-активаторы.

Наиболее эффективными анионами-акти­ваторами точечной (питтинговой) коррозии металлических материалов в водных сре­дах являются ионы Cl, Br, J, CN, SO₄.

Точечная коррозия наиболее часто возникает в мор­ской воде, растворах солей, водно-спиртовых растворах, содержащих рас­творенный хлористый водород, в различных технологических системах.

Возникновение питтинга связано с нарушением пас­сивного состояния на отдельных участках поверхности металлов и сплавов в результате воздействия анионов-активаторов.

Такими участками могут быть дефекты пассивирующей пленки (структурные неоднородности, поры и т. п.) и дефекты структуры металлов (их эффективность как стимуляторов питтинговой коррозии различна и убывает в порядке: вто­ричные фазы > сегрегации примесей > границы зерен > дислокации > точечные де­фекты).

Среди вторичных фаз наиболее опасными стимуляторами пит­тинговой коррозии многих металлических мате­риалов являются сульфидные и оксидосульфидные неметаллические включения.

Образование питтингов протекает по электрохимическому механизму.

В зависимости от условий формирования и развития (темпера­туры, химического состава среды и др.) форма питтингов может быть различной: полусферической, цилин­дрической, полиэдрической и др.

Наиболее существенное влияние на питтингостойкость сплавов оказывает их химический состав. Установлено, например, что с повышением содержания никеля и особен­но хрома сопротивление нержавеющих сталей точечной коррозии повышается. При содержании хрома 30% и более сплавы Fe-Cr устойчивы к точечной коррозии в растворах хлоридов. Существенное сопротивление то­чечной коррозии оказывают стали, содержащие более 10% Ni. Легирование нержавеющей стали, содержащей 18% Сr и 14% Ni, молибденом, ванадием и кремнием, повышает сопротивление этой стали точечной коррозии.

Интенсификацию питтинговой коррозии, как правило, вызывает рост температуры, однако интервалы ее наиболее сильного влияния для материалов различной природы различны.

Питтингостойкость металлов и сплавов практически не зависит от рН среды.

Холодная пластическая деформация металлов и сплавов может оказывать влияние на их склонность к питтинговой коррозии вслед­ствие изменения дефектности структуры, причем степень и направ­ление влияния могут быть различными и зависят как от свойств самого материала, так и от конкретного типа его обработки.

Важным фактором, влияющим на склонность металлов и сплавов к точечной коррозии, является их термическая обработка. Так, на­пример, отпуск нержавеющих хромоникелевых сталей в интервале температур, вызывающих возникнове­ние обедненных хромом зон, имеющих понижен­ную коррозионную стойкость, понижает их сопротивление точечной коррозии.

Точечная коррозия не имеет места и при потенциале металла несколько отрицательнее потенциала питтинго­образования в данной коррозионной среде.

Язвенная коррозия. Язвенная коррозия по характеру своего развития очень напомина­ет питтинговую коррозию, однако диаметр очагов язвенной коррозии гораздо больше, чем при коррозии питтинговой. При этом диаметр язв, как правило, существенно больше их глубины.

Язвенная коррозия протекает на поверхности как пассивных, так и активно растворяющихся металлов. Повышенной склонностью к язвенной коррозии обладают углеродистые и низколегированные стали, эксплуатирующиеся в водных хлоридсодержащих средах.

Стойкость углеродистых и низколегированных сталей против яз­венной коррозии в значительной степени зависит от их фазового состава. Резкое снижение стой­кости этих сталей против язвенной коррозии происходит при выделении в их структуре сульфидных неметаллических включений на основе кальция.

Для сталей с ферритно-перлитной струк­турой склонность к язвенной коррозии возрастает при образовании непрерывной сетки тонкодисперсных перлитных выделений.

Щелевая коррозия. Щелевой коррозией называют усиление коррозии в узких щелях или зазорах между металлами, застойных местах конструкций или изделий, в местах неплотного контакта металлов с неметаллическими коррозионно-инертными материалами, а также в тех случаях, когда металли­ческий материал обладает технологическими дефектами типа микротрещин.

Развитие щелевой коррозии связывают с затрудне­нием доступа кислорода из объема электролита в зазор, изменением рН раствора электролита в зазоре и возник­новением коррозионного элемента типа щель-откры­тая поверхность.

Щелевой коррозии подвержены многие металлические материалы, но наибольшую склон­ность к такой коррозии обнаруживают пассивирую­щиеся металлы и сплавы - нержавеющие хромистые и хромоникелевые стали, алюминий, магний и сплавы на их основе.

Особенно чувствительны к щелевой коррозии метал­лы и сплавы, пассивное состояние которых связано с на­личием в электролите растворенного кислорода и других пассиваторов.

Наиболее стойкими против щелевой коррозии являются сплавы железа, содержа­щие повышенные количества хрома, никеля и молибдена, а также сплавы на основе никеля.

Медь и оловянистая бронза в нейтральных растворах корродируют в зазорах с меньшей скоростью, чем на от­крытой поверхности. В отличие от меди и оловянистой бронзы латунь в зазоре корродирует сильнее, чем на сво­бодно омываемой поверхности. При этом щелевая коррозия латуней сопровождается усилением процесса обесцинкования.

Межкристаллитная коррозия. Межкристаллитная коррозия возникает в поликристал­лических сплавах и состоит в их ускоренном растворении в области границ зерен.

Межкристаллитной коррозии под­вержены легко пассивирующиеся металличе­ские материалы. Например, к межкристаллитной коррозии могут быть склонны нержавеющие стали (Fe-Сr, Fe-Cr-Ni), сплавы на основе нике­ля (Ni-Mo, Ni-Сr-Мо), алюминий и алюминиевые сплавы (Аl-Сu; Аl-Mg-Сu; Аl-Mg-Si).

Межкристаллитную коррозию сплавов связывают либо с коррозией обедненной приграничной зоны твердого раствора, либо с коррозией интерметаллических соединений или карбидов, выделившихся в виде непре­рывной цепочки по границам зерен.

Наиболее часто межкристаллитная коррозия нержа­веющих сталей обусловлена имеющим место при их отпуске выпадением карбидов хрома по границам зерен, в результате чего кон­центрация хрома в твердом растворе вблизи карбидов резко уменьшается. Содержание хрома в этих областях составляет менее 12%, поэтому их кор­розионная стойкость оказывается ниже коррозионной стойкости внутризеренных областей, что и опре­деляет склонность сталей к межкристаллитной коррозии.

Обеднение зернограничных областей нержавеющих сталей хро­мом вследствие выделения карбидов хрома может иметь место и в процессе сварки.

С повышением содержания углерода сверх 0,015% количество выпадающих по границам зерен карбидов хрома увеличивается, и склонность нержавеющих сталей типа 12Х18Н9 кмежкристаллит­ной коррозии повышается. Легирование таких сталей титаном, ниобием, танталом резко по­нижает их склонность к межкристаллитной коррозии.

Межкристаллитную коррозию, сконцентрированную в узкой зоне на границе сварной шов - основной металл, называют ножевой коррозией. Этому виду коррозии под­вержены стабилизированные титаном стали, эксплуатирующиеся в азотной кислоте, и стали с высоким содержанием молибдена. Низко­углеродистые и стабилизированные ниобием стали указанному типу разрушения не подвержены.

Склонность к межкристаллитной коррозии алюминие­вых сплавов системы Al-Сu связывают с образованием обедненных медью зон у границ зерен. Межкристаллитную коррозию дур­алюмина связывают и с коррозионным разрушением интерметаллидов СuAl₂ при их выделении в виде непрерывной цепочки по границам зерен.

Селективное вытравливание. Селективное вытравливание (структурно-избирательное раст­ворение)свойственно многофазным металлическим материалам с сильно различающимися по электрохимическому поведению компо­нентами структуры.

Этот вид коррозии характерен для нержаве­ющих сталей, когда селективному растворению подвергаются выде­ляющиеся по границам их зерен карбиды.

Частным случаем структурно-избирательного растворения является развитие язвенной коррозии углеродистых и низколегированных сталей, спровоцированное выделением в их структуре включений сульфида каль­ция.

Следствием селективного вытравливания является и обесцинкование латуней.

При селективном вытравливании интерметаллида Fe₃Al из алюминиевой бронзы на ее поверхности образуются ярко вы­раженные разрушения типа коррозионных язв.

Контактная коррозия. Контактной коррозией называется электрохимическая коррозия, вызванная контактом металлов, имеющих разные электрохимические свойства в данном электролите.

При контакте двух таких металлов возникает коррозионный гальванический эле­мент, в котором ано­дом является металл, электродный потенциал которого более отрицательный, а катодом — металл с более положительным электродным потенциалом.

Скорость растворения анода зависит, в первую очередь, от раз­ности потенциалов между анодом и катодом, но существенное влия­ние могут оказать также процессы ионизации кислорода, вторичного осаждения продуктов растворения анода, площади катодов и анодов и др.

Контактная коррозия имеет место, например, в системах углеродистая сталь/нержавеющая сталь, углеродистая сталь/алюминий (или его сплавы) и др.

Контакт­ная коррозия может возникать также в случаях, если различие элек­трохимических свойств обусловлено применением пайки или сварки при изготовлении изделий из одного и того же металла или при контакте деталей, изготовленных из металла одной и той же марки, но существенно различающегося по своим свойствам в ее пределах.

В морской воде стационарные потенциалы металлов увеличиваются в ряду Mg-Zn-Al-Cd-Fe-Pb-Sn-Ni-Cu-Ti-Ag. Поэтому каждый последующий ме­талл при контактировании с предыдущим усиливает его коррозию. Чем больше удалены металлы друг от друга в указанном ряду, тем больше при прочих равных условиях контактная коррозия. В соответствии с этим контактная коррозия дуралюмина в морской воде усиливается при контакте с медью, никелем, нержавеющей сталью, железом, оловом и свинцом. При контакте с кадмием, алюминием и цин­ком коррозия дуралюмина, наоборот, уменьшается.

Контактная коррозия может проявляться и в атмос­ферных условиях. При этом она в силь­ной степени зависит от состава атмосферы.

В атмо­сферных условиях не возникает контактной коррозии между медью, серебром и золотом, между железом, угле­родистыми сталями, свинцом и оловом, между алюми­нием, цинком и кадмием.

Раздел 6. Коррозия металлов в естественных условиях

Более подробная информация по разделу содержится в [1] и [4].

В разделе рассматриваются 2 темы:

- Атмосферная коррозия;

- Коррозия в других природных условиях.

После проработки теоретического материала раздела 6 следует выполнить тренировочный тест №5.

Изучение раздела 6 заканчивается контрольным мероприятием – необходимо ответить на вопросы контрольного теста №5. Максимальное количество баллов, которые Вы можете получить за выполнение этого теста, равно 6.

Поиск по сайту: