3.3.2 Испытания материалов на прочность против локальных видов коррозии

Для испытания материалов на локальные виды коррозии существует две основные группы методов исследования – химические и электрохимические. В отдельную подгруппу можно выделить физические методы исследования поверхности металла, применяемые обычно в сочетании с химическими или электрохимическими.

Химические методы исследования заключаются в создании и поддержании в течение определенного времени контакта между испытуемым материалом и средой, содержащей анионы-активаторы и имеющей окислительно-восстановительный потенциал. Методы просты в исполнении, не требуют задействование специальной аппаратуры и позволяют определять стойкость различных металлических материалов.

Например, для изучения питтинговой коррозии существует несколько различных типов химических испытаний. Наиболее широкое распространение получили испытания, заключающиеся в простой экспозиции металлов в агрессивных средах в течение определенного времени при определенной температуре. В качестве анионов-активаторов растворы чаще всего содержат Cl^- ионы, а требуемое значение Е_red-ox поддерживается введением окислителей различного типа, к которым, в первую очередь, относятся и др. Основным показателем питтингостойкости является услов­ная скорость питтинговой коррозии определяемая гравиметриче­ским методом и рассчитываемая по формуле:

,

где V_пк — скорость питтинговой коррозии в г/(м²·ч), — суммар­ная потеря массы металла, a S — суммарная площадь поверхности параллельно испытываемых образцов. Количество и глубина обра­зовавшихся на поверхности металла питтингов являются дополни­тельными показателями, определяемыми при помощи оптической микроскопии.

В настоящее время химические испытания нержавеющих ста­лей на стойкость против питтинговой коррозии стандартизованы в США и России. Оба стандарта предусматривают выдержку сталей в 10 %-м растворе (активность С1^- иона в 10 %-м раство­ре соответствует его активности в морской воде).

Разновидностью химических испытаний является широко ис­пользуемый в различных целях (в том числе — для выявления де­фектов, являющихся очагами локальной коррозии на поверхности стальных изделий, защищенных металлическими или неметалличе­скими покрытиями) метод цветных индикаторов. Сущность метода заключается в накладывании на поверхность металла пористого ги­гроскопичного материала (часто — фильтровальной бумаги), пропи­танного испытательным водным раствором, содержащим анионы - активаторы и окислители и в различных соотношениях, и выдерживания его на поверхности металла в те­чение некоторого определенного времени. По истечении указанного срока с поверхности металла аккуратно удаляют указанный материал и подсчитывают на нем количество синих пятен, возникших в ме­стах образования питтингов по реакции иона Fe²⁺, образующегося в очагах локальной коррозии, с и . Коли­чество синих пятен и является критерием склонности испытуемого материала к питтинговой коррозии.

Еще одна модификация химических испытаний заключается в подсчете (с использованием оптического микроскопа) очагов ПК, образовавшихся на поверхности нержавеющей стали после нанесе­ния на нее капли раствора NaCl.

Испытания на стойкость против МКК являются обязательными для всех производимых коррозионно-стойких сталей. Их проводят химическими методами, основанными на длительном кипячении об­разцов металла в агрессивных средах. Около 80 % марочного соста­ва производимых сталей, включая наиболее широко используемые стали типа Х18Н10Т6, Х17М13М(2-3)Т и др., испытывают методом AM, заключающемся в кипячении образцов в растворе 100 мл H₂SO₄ (ρ = 1,835 г/см²) + 160 г CuSO₄ + 1000 мл Н₂0 + медная стружка. Время испытаний зависит от марки стали, и для образцов стали 08X18Н10Т составляет 24 ч, для образцов стали 12X18Н10Т— 15 ч. Потенциал, устанавливающийся на образцах, составляет +0,35В. За рубежом аналог метода известен как метод Штрауса [33].

Вторым наиболее распространенным методом является метод AMУ, продолжительность кипячения образцов в котором составля­ет 8 ч. Состав испытательного раствора 50 г CuSO₄ + 250 мл H₂SO₄ (ρ = 1,835 г/см²) + 1000 мл Н₂О + медная стружка. Потенциал, уста­навливающийся на образцах сталей, также составляет +0,35 В.

В обоих методах испытывают по четыре образца стали одной и той же марки. Критериями склонности к МКК является наличие поперечных трещин на поверхности образца, изогнутого после про­ведения испытаний на угол 90°, или проникновение коррозии на глубину более 30 мкм, определяемом при помощи оптического ми­кроскопа. Первый критерий качественный, второй — количествен­ный.

Достаточно широко применяемым методом химических испы­таний является метод ДУ, известный за рубежом как метод Гюи. Он заключается в кипячении образцов сталей в 65 ± 2 %-м раство­ре HNO₃ в течение 5 циклов, каждый из которых имеет продол­жительность 48 ч. Метод предназначен для контроля склонности к МКК низкоуглеродистых сталей средней степени легированности, например, 03X16H15M3, 03Х17Н14М2, 03Х18Н11, 03Х18Н12 и др. Потенциал, устанавливающийся на поверхности испытуемых образ­цов, составляет 0,8-1,2 В.

Испытания на стойкость против МКК высоколегированных ста­лей типа 03Х21Н21М4ГБ и 03ХН28МДТ проводят методами В или ВУ, заключающимися в кипячении образцов в течение соответствен­но 144 и 48 ч. Составы испытательных растворов для указанных ме­тодов следующие: 110 г CuSO₄ + 55 мл H₂SO₄ + 1000 мл Н₂О + 5 г цинковой пыли, потенциал +0,35 В; 50% CuSO₄ + 40 г Fe₂(SО₄)₃, потенциал 0,8-0,9 В.

Электрохимические методы исследований и испытаний

Преимуществом электрохимических методов, в первую очередь, является то, что они позволяют определять стойкость металличе­ских материалов в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, указанные методы обладают высокой экспрессностью. Их главным недостатком является сложность аппаратурного оформления, и вы­сокие требования к квалификации персонала, однако популярность электрохимических методов с течением времени все увеличивается.

Электрохимическими критериями питтингостойкости металлов являются граничные потенциалы ПК — питтингообразования Е_по, репассивации Е_рп, критический потенциал питтинговой коррозии Е_пк и их расположение относительно потенциала свободной коррозии Е_кор.

Существует два основных типа электрохимических исследова­ний — потенциодинамический и гальваностатический. Оба метода основаны на определении граничных потенциалов ПК.

Наиболее важным из указанных потенциалов является Е_пк, объективно отражающий физико-химическое состояние металла и не зависящий от исходного состояния поверхности.

Электрохимические методы испытаний впервые в мире были стандартизованы в нашей стране и рекомендованы для определения питтингостойкости нержавеющих сталей, легко пассивирующихся в нейтральных водных средах. Согласно стандарту оба типа испы­таний проводят либо в условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации металла, либо при следующих условиях: естественная аэрация, один из двух составов: №1 — 0,5 моль/л NaCl, (упрощенная модель морской воды); №2 — 0,3 г/л Na2SO4 + 0.4 г/л NaCl (упро­щенная модель, загрязненной хлоридом оборотной воды). Удельная электропроводность растворов ε приведена для 20ºС.

Перед приведением обоих типов испытаний погруженный в рас­твор образец не менее 1 ч выдерживают в испытательном растворе до достижения стационарного значения Е_кор, принимая за таковое изменяющееся за последние 30 мин не более, чем на 30мВ. После этого начинают поляризацию образца.

Гальваностатическую поляризацию проводят током i_min = 0,3А х м^-2_, регистрируя потенциал в течение не менее 30 мин. За величи­ну Е_пк принимают среднее значение Е за последние 25-30 мин при условии, что амплитуда его колебаний не превышает 30 мВ.

Потенциодинамическую поляризацию начинают от установившегося значения Е_кор сначала в анодном направлении, а затем из­меняя направление развертки Е на противоположное. Из поляризационной кривой определяют Е_по — как потенциал начала резкого роста тока. Потенциал Е_рп определяют как потенциал пересечения кривых прямого и обратного хода.

Одним из электрохимических методов испытания материалов на склонность к МКК является метод потенциостатического травления.

Метод заключается в травлении металлографических шлифов испы­туемой стали в растворе 1 M HCl + 0,4 M NaCl (T=25±5 °C). Од­новременно в электрохимической ячейке испытывается несколько образцов. Перед проведением испытаний образцы катодно восста­навливают в течение 5 мин при потенциале —0,15В (относительно насыщенного хлоросеребряного электрода х.с.э.), а затем поляризуют в течение 15 мин. при потенциале +0,1В. После завершения поля­ризации образцы извлекают из ячейки, промывают, высушивают и изгибают на угол 90º. Сталь считается стойкой, если на поверхности изогнутых образцов не появились трещины. Метод является элек­трохимическим аналогом методов AM и АМУ и предназначен для испытания сталей типа X18Н10Т.