2344 - Пустов Ю.А., Ракоч А.Г. - Коррозионностойкие и жаростойкие материалы - 2013

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра защиты металлов и технологии поверхности

Ю.А. Пустов А.Г. Ракоч

Коррозионностойкие и жаростойкие материалы

Методы коррозионных исследований и испытаний

Курс лекций

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений РФ по образованию в области материаловедения, техгнологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 150100 «Материаловедение и технологии материалов», а также инженеров, обучающихся по специальности 150701 «Физико-химия процессов и материалов»

Москва 2013

УДК 620.193 П89

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, доц. Н.И. Полушин

Пустов, Ю.А.

П89 Коррозионностойкие и жаростойкие материалы : методы коррозионных исследований и испытаний : курс лекций / Ю.А. Пустов, А.Г. Ракоч. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 128 с.

ISBN 978-5-87623-744-6

Излагаются цели, основные принципы подготовки и проведения коррозион- ных исследований и испытаний металлов и сплавов, дается описание экспери- ментальных методов изучения коррозии, получивших распространение как в отечественной, так и в зарубежной практике. Особое внимание уделено мето- дам исследований и ускоренных испытаний на устойчивость локальным видам коррозионных разрушений, как наиболее опасных с точки зрения их влияния на технологические характеристики металлоконструкций и сооружений.

Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специально- сти 150701 «Физико-химия процессов и материалов», студентов бакалавриа- та и магистратуры, обучающихся по направлению 150100 «Материаловеде- ние и технологии материалов» (профиль «Физико-химия процессов и мате- риалов»). Может быть рекомендован аспирантам, использующим различные методы исследований и испытаний для оценки коррозионного состояния раз- рабатываемых коррозионностойких сплавов и защитных покрытий.

УДК 620.193

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности и ужесточение условий эксплуатации металлоизделий и конструкций, вызывающих их ускоренное коррозионное разрушение, сокращение металлофонда по причине его бесследного исчезновения от коррозии делает защиту металлов одной из актуальных проблем развития со- временного индустриального общества.

Процессы коррозии необратимы и часто приводят к отказам различ- ных машин и аппаратов, металлоконструкций, поэтому их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, давать оценку коррозионного повреж- дения, прогнозировать опасность развития в случае непринятия мер по усилению коррозионной защиты. Установление причин коррозионного разрушения позволяет правильно выбрать метод защиты.

Вместе с тем разработка защитных мероприятий, создание новых коррозионностойких материалов возможны лишь на основе глубоко- го понимания механизма и особенностей протекания коррозионных процессов и их взаимосвязи с различными внешними и внутренними факторами. Подобная информация может быть получена в процессе проведения специальных исследований и испытаний, базирующихся на передовых научных представлениях о коррозии и современных методах ее изучения. Результаты этих исследований и испытаний позволяют в сжатые сроки провести количественный анализ опасно- сти усиления коррозии под воздействием (с учетом граничных и экс- тремальных условий) отдельных внешних и внутренних факторов, определяющих коррозионное поведение уже функционирующих, модифицируемых или вновь создаваемых защитных систем.

Формы коррозионного разрушения многообразны, поэтому для исследования процессов коррозии применяется достаточно ши- рокий круг физических, физико-химических и других методов. Вы- бор метода исследования зависит от цели исследования и возможно- стей соответствующей методики. Но главным критерием выбора ме- тода является возможность объективной оценки способности кон- кретного материала сопротивляться коррозионному воздействию среды в данных условиях.

Методы и строго регламентированное проведение ускоренных коррозионных исследований и испытаний при научно обоснованном их планировании является составной частью действенных и высоко- эффективных средств быстрого поиска и отбора наиболее коррози- онностойких материалов и покрытий.

5

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ

Основная задача специалистов в области коррозии и защиты ме- таллов заключается в исследовании коррозионных процессов и раз- работке на их основе более эффективных мер защиты металлов

исплавов. Это можно сделать, используя последние достижения тео- ретической и экспериментальной физики, физической химии, мате- риаловедения, применяя современную аналитическую аппаратуру для научных экспериментов, позволяющую создать более точные

ипростые методы изучения устойчивости металлов и конструкцион- ных материалов их заменяющих к различным видам коррозии. По- этому коррозионисту-исследователю необходимо хорошо ориенти- роваться среди большого числа разнообразных методов, уметь сфор- мулировать конкретную задачу исследования, наметить основные этапы, пути и средства ее решения, грамотно провести эксперимен- тальные измерения, сделать на основе анализа результатов обосно-

ванные выводы и предложить соответствующие рекомендации по снижению воздействия коррозии на металл.

1.1. Теоретические и практические цели исследований и испытаний

При проведении исследований и испытаний металлов и сплавов на коррозионную стойкость в зависимости от поставленной задачи обычно преследуются следующие цели:

1)определение механизма коррозионного процесса (химический, электрохимический, смешанный химико-электрохимический);

2)установление агрессивного компонента рабочей среды, от- ветственного за химическое или электрохимическое разрушение металла (окислительная составляющая газовых атмосфер – О2,

СО2, H 2− , водяной пар и др.; деполяризатор в растворах электро-

лита – Н+·Н2О, О2, HSO 3− и др.);

3) определение типа контроля коррозионного процесса (кинетический, диффузионный или смешанный – при химической коррозии; анодный, катодный или смешанный – при лимитирующем характере перенапряже- ния электродной реакции – при электрохимической коррозии);

6

4)выявление основных внутренних (состав и структура сплава, со- стояние поверхности, наличие напряжений и др.) и внешних (состав коррозионной среды, скорости ее движения, температуры и др.) фак- торов, влияющих на коррозионную стойкость металла или сплава;

5)выбор материала изделия для определенных условий эксплуатации

сучетом как коррозионной стойкости, так и прочности, технологических свойств, стоимости и других характеристик данного материала;

6)сравнение коррозионной активности различных сред по отно- шению к одному и тому же или нескольким материалам;

7)проверка эффективности методов защиты металла от коррозии (коррозионностойкого и жаростойкого легирования, ингибирования, электрохимической защиты, надежности защитных покрытий и т.д.);

8)корректировка состава и технологических режимов обработки новых корозионностойких сплавов;

9)контрольные испытания при разработке коррозионностойких сплавов;

10)проверка стойкости металлических изделий против определенных видов коррозии (например, нержавеющих сталей против межкристаллит- ной коррозии, алюминиевых сплавов к расслаивающей коррозии и т.п.);

11)проверка эффективности методов защиты металла от коррозии (коррозионностойкого и жаростойкого легирования, ингибирования, электрохимической защиты, защитных покрытий т.п.).

Цели, сформулированные в первых четырех пунктах, носят преиму- щественно теоретический характер. Остальные имеют практическую на- правленность, хотя такое разделение часто оказывается условным.

1.2. Требования, предъявляемые к методам исследований и испытаний

В связи с разнообразием видов коррозионных разрушений метал- лов и задач, решаемых при проведении коррозионных исследований

ииспытаний, создание универсальных методов считается нецелесо- образным в связи с их сложностью и высокой стоимостью. Наиболее рациональным является создание системы методов, каждый из кото- рых должен удовлетворять следующим требованиям:

1)поставленная задача должна быть решена наиболее простым

инадежным способом; если решение задачи требует использования сложных методик, то ее разбивают на ряд частных задач, для реше- ния которых используют более простые методы;

2)используемый метод должен находиться в соответствии с совре- менными представлениями о механизме коррозии; в связи со сложно-

7

стью коррозионных явлений формальное использование метода без учета особенностей протекающего процесса может привести к не- правильной интерпретации полученных результатов;

3)метод должен обеспечивать надежный контроль за всеми дей- ствующими факторами, что в конечном итоге определяет воспроиз- водимость результатов;

4)метод должен воспроизводить коррозионное разрушение, харак- терное для данного материала в условиях эксплуатации; например, кор- розия нержавеющих сталей в атмосферных условиях или слабокислых растворах носит точечный или межкристаллитный характер. Если метод исследования или испытания этого материала разработан таким обра- зом, что сталь будет подвергаться равномерному коррозионному раз- рушению, то результаты опытов не могут быть использованы на прак- тике, за исключением тех случаев, когда коррозия в условиях эксплуа- тации также носит равномерный характер;

5)метод должен обеспечивать относительно простую и быструю расшифровку результатов, основанную как на прямых измерениях потерь металла, так и косвенных факторах, отражающих изменение состояния образцов после воздействия коррозионной среды. Во вто- ром случае объективность и адекватность используемой методики исследования определяется ее научной базой, глубокой теоретиче- ской обоснованностью.

1.3. Классификация коррозионных испытаний

Коррозионные испытания классифицируют по следующим при- знакам: по общему характеру, продолжительности и виду получае- мой информации и др.

По общему характеру исследования и испытания могут быть раз- делены на три основные группы:

1)лабораторные – исследования и испытания, проводимые на об- разцах испытуемых материалов в точно контролируемых, искусст- венно созданных условиях, однако они часто отличаются от условий, существующих на практике; обычно это ускоренные испытания;

2)полевые – внелабораторные исследования и испытания образ- цов, проводимые в естественных, эксплуатационных условиях, в том числе природных (грунт, морская вода, атмосфера и т.п.);

3)эксплуатационные – испытания готовых изделий, агрегатов, машин, сооружений и средств защиты в неконтролируемых условиях их реальной эксплуатации.

8

Таким образом, для лабораторных и полевых методов исследова- ний общим является объект исследования, а условия различны, в то время как для полевых и эксплуатационных испытаний условия оди- наковы, а объектом изучения являются образцы и готовые изделия.

Наиболее надежно факторы, влияющие на коррозионную стой- кость, контролируются в условиях лаборатории. Однако полевые

иэксплуатационные испытания в наибольшей степени соответству- ют реальным условиям, в которых работают изделия: состав и свой- ства коррозионной среды, температура, периодическое смачивание

иконденсация влаги на поверхности металла. Такие условия могут быть смоделированы и в лабораторных условиях, но это требует ус- ложнения испытательной аппаратуры.

Имея свои недостатки и достоинства, лабораторные, полевые и эксплуатационные исследования и испытания дополняют друг дру- га и в сочетании позволяют объективно оценить коррозионное пове- дение материала в тех или иных условиях. На первом этапе целесо- образно проводить лабораторные испытания, затем полевые, а на за- вершающей стадии – эксплуатационные испытания.

По продолжительности исследования и испытания делятся на длительные и ускоренные.

Длительные испытания во времени соответствуют реальным ус- ловиям эксплуатации и могут проводиться в течение нескольких лет.

Ускоренные испытания проводятся в искусственно созданных услови- ях, интенсифицирующих ход коррозионных процессов, протекающих при эксплуатации изделия. Увеличение скорости коррозии в этих испытаниях обычно достигают облегчением протекания контролирующей стадии кор- розионного процесса, но обязательно без изменения характера контроля.

Для получения достоверной информации необходимо применение обеих группа методов в совокупности. Совместный анализ результа- тов ускоренных и длительных исследований и испытаний позволяет в ряде случаев определить соответствующие пересчетные коэффици- енты и избавить исследователя от необходимости проведения боль- шого числа длительных испытаний. Сопоставление результатов ус- коренных испытаний с данными по эксплуатации изделий из анало- гичных материалов дает возможность прогнозирования коррозион- ной стойкости материалов в условиях эксплуатации.

По виду получаемых результатов методы коррозионных ис-

следований и испытаний могут быть разделены на качественные

иколичественные.

Ккачественным методам относятся наблюдение за внешним ви- дом образца, обнаружение анодных и катодных участков корроди-

9

рующей поверхности. В эту же группу могут быть включены мето- ды, основанные на определении времени до появления первого кор- розионного очага и оценке доли площади поверхности образца, по- врежденного коррозией, поскольку они, строго говоря, не дают све- дений о скорости коррозионного процесса, а в основном характери- зуют вероятность ее возникновения.

Методы наблюдения за внешним видом образца используются для установления характера коррозионных поражений (равномерный, избирательный, локальный и др.) и подразделяются на визуальные, макро- и микроскопические.

При проведении визуальных наблюдений фиксируют состояние образца, затем периодически регистрируют изменения внешнего ви- да его поверхности (появление на ней продуктов коррозии, их харак- тер, распределение, цвет и вид), изменение цвета коррозионной сре- ды (появление в ней продуктов коррозии, их окраска и количество). В конце исследования проводят осмотр образца как до, так и после удаления продуктов коррозии, причем на всех этапах испытания оп- ределяют долю пораженной поверхности, степень неравномерности глубины разрушения различных участков. Результаты наблюдений заносят в протокол, а наиболее характерные изменения поверхности металла фотографируют.

Макроскопические исследования проводятся с помощью оптических приборов небольшого увеличения (×12–20), луп и бинокулярных мик- роскопов. В отличие от визуального наблюдения эти методы позволяют уточнить строение отдельного коррозионного очага, характер продук- тов коррозии или, после их удаления, более точно установить локализа- цию коррозионных нарушений (около неметаллических включений, выделений вторых фаз, по царапинам и т.д.). Кроме того, макроиссле- дование позволяет достаточно точно установить появление первых оча- гов коррозии и коррозионных трещин, начало выкрашивания и появле- ния других разрушений. В некоторых случаях возможно получение пространственной картины развития коррозии, измерение толщины слоя продуктов коррозии и глубины питтинга.

Микроскопические исследования обеспечивают подробное изуче-

ние избирательного и локального характера коррозии, межкристал- литного и внутрикристаллитного растрескивания, коррозионной ус- талости. При проведении таких исследований изготавливается ме- таллографический шлиф, который при наличии соответствующей приставки к микроскопу помещается в агрессивную среду, и прово- дится фокусировка оптической системы. Для микроскопических ис-

10