ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 3, с. 268-275
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И КОРРОЗИИ
УДК 620.194.23
РОЛЬ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ КОРРОЗИОННО-УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ
НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
© 2007 г. В. И. Похмурский, М. С. Хома
Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины 79601 Львов, Наукова, 5, тел. (0322) 631577, (0322) 631157 E-mail adress: pokhmurs@ipm.lviv.ua; khoma@ipm.lviv.ua Поступила в редакцию 13.04.2006 г.
Изучено коррозионно-усталостное разрушение нержавеющих сталей различных классов. Показано, что снижение их выносливости в хлоридсодержащей среде в большей степени определяется структурой, чем химическим составом и прочностью. На основе электрохимических исследований циклически деформированных сталей проведен расчет их дополнительного деформационного растворения на протяжении периода зарождения трещин. Предложен электрохимический критерий склонности коррозионностойких сталей к коррозионной усталости, и характеризующая его аналитическая зависимость. Он базируется на взаимосвязи относительного деформационного растворения металлов при напряжениях, равных пределу усталости, и степенью снижения выносливости при влиянии среды. Показана возможность существования физического предела коррозионной усталости для пассивных металлов. Разработан метод определения предела коррозионной усталости коррозионностойких сталей без их разрушения по изменению знака тока поляризации, который позволяет в ~10—15 раз ускорить поиск его значений.
PACS: 81.65.Kn, 82.20.Wt
Нержавеющие стали относятся к конструкционным материалам, которые наиболее часто используются для изготовления оборудования и конструкций, работающих в коррозионно-активных средах в химической, нефте-, газо-перерабатывающей, пищевой и фармацевтической областях промышленности; ядерной энергетике, морском судостроении и др. Однако их функциональные характеристики ограничивает склонность к питтинговой, щелевой, межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию и усталости, что вызывает необходимость разработки и использования новых коррози-онно стойких материалов и методов их ускоренных испытаний.
Коррозионно-механическое разрушение сталей и сплавов тесно связано с электрохимическим взаимодействием деформированного металла и среды, что подтверждается многими экспериментами и гипотезами, объясняющими его механизм [1-4].
Цель данной работы - найти взаимосвязь между электрохимическими характеристиками начальной стадии разрушения и склонностью нержавеющих сталей к коррозионной усталости, а на этой основе - разработать ускоренные методы определения коррозионной выносливости.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Нержавеющие стали различных классов с пределом прочности оЬ = 480 до 1125 МПа, содержав-
шие 12.8-26.4% хрома и 2.1-10.6% никеля, испытывали в 3%-ом водном растворе №С1; стали 15Х2МФА и 15Х2НМФА - в растворе 12 г/л Н3В03, рН8, а также цирконий Э110 и ниобий марки Нб - в хлоридном растворе с рН2. Для всех исследованных систем металл - среда была характерна пассивация. Усталостные испытания проводили на вращающихся цилиндрических образцах, при чистом изгибе и круговой частоте 50 Гц при полном погружении в электролит (рис. 1), что позволяло одновременно проводить электрохимические измерения [5, 6]. В измерительную схему входили потенцио-стат ПИ-50-1.1, самопишущий микроампервольтметр Н3012, насыщенный хлоридсеребрянный и платиновый электроды. Изучали характер изменения электродного потенциала и плотности тока поляризации при поддержании потенциала поляризации равным коррозионному (Епол = Екор) от количества циклов деформирования образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ выносливости нержавеющих сталей различных классов (табл. 1) показал четкую тенденцию возрастания предела усталости (о-1) при увеличении предела прочности (оЬ). На предел коррозионной усталости (с-1с) сильнее влияет структурное состояние металла, чем его прочность. Склонность нержавеющих сталей к корро-
зионнои усталости, которая характеризуется коэффициентом в = с_1С/с_ 1, возрастает в такой последовательности классов стали: аустенитныИ, аустенитно-ферритныИ, ферритныИ, аустенитно-мартенситныи, мартенситно-ферритныи, мартен-ситныИ. Итак, наиболее чувствительны к коррозионной усталости стали, содержащие как структурную составляющую, мартенсит.
Поскольку структурное состояние сталеИ в большоИ мере определяется химическим составом, рассмотрена зависимость их коррозионноИ выносливости от содержания хрома и никеля. При увеличении концентрации этих элементов, как и их эквивалентов, в сталях одного класса, склонность к коррозионноИ усталости изменяется меньше, чем при изменении структурного состояния с практически одинаковым содержанием компонентов (рис. 2). Высокая коррозионная выносливость сталеИ, которые содержат аустенит, не зависит от того, какими элементами он стабилизируется (№, Мп, N С). Противоположное влияние феррито- и аустенито-образующих компонентов хорошо прослеживается на сталях аусте-нитно-мартенситного класса: в возрастает при уменьшении содержания первых и увеличении содержания вторых, что можно непосредственно связать с возрастанием в них количества аусте-нитноИ и снижением мартенситноИ фаз.
Итак, на основе этих результатов можно сделать вывод, что химическиИ состав нержавеющих сталеИ влияет на коррозионную выносливость значительно слабее, чем структура, и лишь тогда, когда сопровождается изменением фазового состава [14].
Для выявления определяющих факторов склонности нержавеющих сталеИ к коррозионноИ усталости проведен комплекс электрохимических исследованиИ в ходе их разрушения. Анализ результатов проводили, используя кривые "ток поляризации - количество циклов нагруже-ния (/пол - АО" при поддержании потенциала поляризации на уровне коррозионного потенциала не-деформированных образцов (Епол = Екор). В данном случае, при отсутствии напряжениИ ток равен нулю, а его изменение связано исключительно с де-формационноИ активациеИ поверхности. На основе этих зависимостеИ для сталеИ различных классов [5, 6] построена типичная кривая (рис. 3), на котороИ показаны отдельные периоды (стадии) коррозионно-усталостного разрушения: I - зарождение коррозионно-усталостных трещин; II -их подрастание; III - рост магистральноИ трещины; IV - полное разрушение образца.
В дальнеИшем основноИ акцент был сделан на I стадии разрушения, которая отвечает начальноИ стадии повреждения металла. На протяжении этого периода вследствие многократного повторения процессов "микродеформация - электрохимическая активация - локальное растворение - репассивация" образуются коррозионно-усталостные повреждения, от которых в дальнеИшем зарождаются трещи-
6
Рис. 1. Схема установки для электрохимических исследованиИ металлов в условиях коррозионноИ усталости: 1 - электрод сравнения; 2 - потенциостат ПИ-50-1.1; 3 - микроампервольтметр Н3012; 4 - кон-тактныИ узел; 5 - вспомогательный электрод; 6 - кор-розивная среда; 7 - ячеИка; 8 - фторопластовые втулки; 9 - образец; 10 - сальники.
ны. На основе зависимостеИ /пол - N для различных сталеИ (20X13, 08Х18Н10Т, 08Х18Г12Н5АБ, 07Х17Н6Т, 09Х17Н7Ю и 10Х26Н5М2) по формуле (1) рассчитано количество электричества (2зар), которое пошло на дополнительное растворение металла вследствие циклического деформирования на протяжении периода зарождения трещин [15].
бзар = | 'пол(т)& .
(1)
Величина
Qзар характеризует электрохимическую активацию металла вследствие деформации на протяжении всего периода зарождения трещин. Адекватная оценка деформационного ускорения растворения нержавеющих сталеИ и его влияние на их выносливость может быть сделана лишь по сравнению с коррозионным растворением неде-формированного металла, которое пропорционально величине коррозионного тока (/кор):
бкор '
т
кор *зар •
(2)
Соотношение этих величин, которое обозначено а = бзар/бкор, будет характеризовать относительное дополнительное растворение металла вследствие приложения циклических напряжениИ [16]. Эту величину назвали относительным деформационным растворением сталеИ и сплавов.
График зависимости относительного деформационного растворения от напряжениИ является зеркальным отображением кривых усталости: снижение амплитуды циклических напряжениИ сопровождается уменьшением а, и возрастанием коррозионноИ выносливости (рис. 4). При амплитуде циклических напряжениИ, близких к пределу коррозионноИ усталости, величина а находится в
2
1
3
т
о
270 ПОХМУРСКИЙ, ХОМА
Таблица 1. Механические свойства и выносливость нержавеющих сталей различных классов*
Марка стали Класс стали Б образца, мм МПа МПа 0-1, МПа °-1с, МПа в = ^ Литература
07Х16Н4Б Мартенситный 5 966 810 510 230 0.45 7
13Х16К4Н2МБФБЛ » 10 1250 950 520 230 0.44 8
13Х12Н2БМФ » 10 1220 1080 570 160 0.28 9
13Х12Н2МБФБЛ » 10 1340 1120 660 160 0.24 10
15Х16Н2М » 10 990 810 530 160 0.30 8
10 1205 1045 610 200 0.33
20X13 » 10 1000 850 480 110 0.23 10
5 850 685 350 78 0.22 6
08Х18Н10Т Аустенитный 5 480 200 240 210 0.88 11
08Х18Г12Н5ЛБ » 5 800 520 230 220 0.96 6
12Х18Н9 » 7.5 645 341 250 205 0.82 8
12Х18Н9Т » 5 590 210 260 200 0.77 8
12Х18Н10Т » 7.5 631 251 265 245 0.92 8
12Х18АГ18Ш » 5 1125 1030 315 240 0.76 12
08Х17Н5М3 Аустенитно-мартенситный 10 930 800 500 185 0.37 4
08Х17Н6Т » 5 890 790 470 228 0.48 6
09Х17Н7Ю » 25 870 780 430 235 0.55 13
5 870 780 460 250 0.54 10
10Х26Н5М2 Ферритный 5 640 530 310 215 0.69 10
12Х17 » 10 450 300 240 150 0.63 6
14Х17Н2 Мартенситно-ферритный 10 950 750 490 190 0.38 6
12Х13 » 10 610 400 310 150 0.48 8
08Х22Н6Т Аустентно-ферритный 10 720 430 400 280 0.70 6
08Х21Н6М2Т » 10 750 470 420 305 0.72 8
* Базовое количество циклов на воздухе - 10 млн, в 3%-ом №С1 - 50 млн.
интервале 10-1-10-2. То есть данный интервал значений а можно считать для этого соотношения критическим, так как при а > 10-1 резко возрастает вероятность коррозионно-усталостного разрушения, а при а < 10-2 оно не происходит.
Подытоживая эти результаты, можно сделать вывод, что относительное деформационное растворение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.