Растрескивание под напряжением аустенитной коррозионностойкой стали

Элементы	45%-ный кипящий раствор MgCl2 (154оС)	Вода высоких параметров(300оС) с концентрацией 500 млн –1 ионов Cl – и 8 млн –1 кислорода
С	А	Д
Si	А	Б
Cu	Г	Б
Mo	Д	Б
Ni	А	Б
Cr	Г	Б
P	Д	Г
N	Г	Г
V	В	Б
Примечание. А – особо полезный; Б – полезный; В – не влияет; Г – вредный; Д – особо вредный

Точечная коррозия

Коррозия, имеющая форму поверхностных язвин, отличается тем, что при некоторых условиях она может успешно развиваться на микроско-пических участках даже при пассивном состоянии большей части поверх-ности (рис. 2.27).

1 – пассивная оксидная пленка; 2 – металл

Рисунок 2.27 – Модель точечной коррозии

Точечная коррозия возникает в растворах, содержащих катионы га-лоидов (хлора, брома, иода), растворенный кислород и анионы двухвалент-ного железа, двухвалентной меди и других элементов. При возникновении зародыша точечной коррозии концентрация катионов хлора в образовав-шейся язвине становится выше, чем в окружающей агрессивной среде, что вызывает дальнейший рост язвины из-за снижения плотности водородных ионов (величины рН). Хром и молибден вызывает торможение точечной коррозии.

Щелевая коррозия

Коррозия, обладающая большим сходством с точечной коррозией, зарождается в щелях, где создаются условия для повышения концентрации агрессивных компонентов состава среды. Точечная же коррозия, зарожда-ясь на микроучастках, выростает в язвины, которые могут играть роль ще-лей и стимулировать щелевую коррозию. Поэтому при разработке констру-кции и выборе материалов для каждого из ее элементов следует особое внимание уделять мерам, направленным на исключение условий зарожде-ния и развития щелевой коррозии. Металловедческие меры предотвраще-ния этой коррозии совпадают с мерами, рекомендуемыми для защиты от точечной коррозии.

Испытание на стойкость к щелевой коррозии не включено в стандарт и каждый исследователь выбирает способ, испытаний по-своему усмотре-нию. На рис. 2.28 показано устройство для испытания на стойкость к ще- левой коррозии, представляющее собой электрически замкнутую систему из двух шаров [2].

1 – амперметр; 2 – водный раствор поваренной соли;

3 – шар большого диаметра; 4 – тефлоновая трубка;

5 – шар малого диаметра; 6 – щель; 7 – стеклянная емкость

Рисунок 2.28 – Схема устройства для испытания на стойкость

к щелевой коррозии

Шар малого диаметра в этом устройстве – образец из испытуемого материала, шар большого диаметра изготовлен из стали, отличающейся от стали образца. Агрессивная среда – раствор поваренной соли с различны-ми ингибиторами окисления, добавляемыми с целью изучения их эффек-тивности. О стойкости к щелевой коррозии судят по показателям ампер-метра.

Коррозионная усталость

Снижение прочности металла, возникающее в результате совмест-ного воздействия агрессивной среды и знакопеременной нагрузки, называ-ют коррозионной усталостью. Разрушение в результате коррозионной ус-талости проявляется в большей степени, чем разрушение от раздельного воздействия двух названных факторов. Разрушение под действием корро-зионной усталости отличается от разрушения в результате коррозионного растрескивания под напряжением по ряду следующих аспектов: 1) разру-шение может происходить только под воздействием знакопеременной или периодической нагрузки; 2) разрушению в результате коррозионной уста-лости подвержены и чистые металлы; 3) коррозионная усталость возникает в любых агрессивных средах.

Высокотемпературная коррозия

Во время работы при высоких температурах в условиях интенсивно-го течения химических, диффузионных и испарительных процессов на по-верхности изделия зачастую образуется толстый слой продуктов коррозии. Высокотемпературная коррозия включает высокотемпературное окисле-ние, жидкостную коррозию при высокой температуре, анодную коррозию на высокотемпературных участках при наличии большого температурного градиента и т. д. Ниже рассмотрено высокотемпературное окисление.

Для повышения стойкости металла к высокотемпературному окисле-нию необходимо: 1) образование плотной и равномерной оксидной пленки на поверхности, низкий уровень коэффициентов диффузии ионов металла и окиси внутри пленки; 2) стойкость образующейся оксидной пленки к растрескиванию и отслоению; 3) быстрое восстановление защитной пленки после ее растрескивания или отслоения.

Всеми этими способностями обладает хром, являющийся одним из элементов, повышающих стойкость стали к высокотемпературному окислению.

Структура оксидной пленки на поверхности стали и сплава опреде-ляется парциальным давлением кислорода и упругостью диссоциации (табл. 2.7).

Парциальное давление кислорода внутри пленки в направлении к поверхности сплава постепенно снижается, однако хром способен к образованию оксида Сг₂О₃ в самом нижнем ее слое при самом незначительном парциальном давлении кислорода.

Таблица 2.7 – Упругость диссоциации оксидов при 1000°С

Стали и сплавы с высоким содержанием хрома имеют высокую стой-кость к высокотемпературному окислению в связи с тем, что оно обеспечи-вает быстрое образование плотной защитной пленки, состоящей из оксида Сг₂О₃.

Структура оксидной пленки хромистой стали по её толщине пока-зана на рис. 2.29.

1 – сплав; 2 – оксиды; 3 – кислород воздуха

Рисунок. 2.29 – Структура поверхностной оксидной пленки

сплава системы Fe – Сr

Парциальное давление кислорода внутри пленки в направлении к по-верхности сплава постепенно снижается, однако хром способен к образо-ванию оксида Сг₂О₃ в самом нижнем ее слое при самом незначительном парциальном давлении кислорода.

Стали и сплавы с высоким содержанием хрома имеют высокую стой-кость к высокотемпературному окислению в связи с тем, что он обеспечи-вает быстрое образование плотной защитной пленки, состоящей из оксида Сг₂О₃.

Коррозионно-механический износ при высокой температуре

Анализ эксплуатации при высоких температурах (900…1000°С) в сложных условиях абразивно-коррозионного разрушения серийных литых деталей, изготовляемых из высоколегированных аустенитных и аустенит-но-ферритных сталей марок 35Х18Н24С2Л, 40Х24Н12СЛ, 35Х23Н7СЛ по-казал, что их разрушение происходит по местам расположения легкоплав-ких соединений нестехиометрического состава, формирующихся на грани-цах и приграничных областях зерен металлической матрицы. В процессе длительной высокотемпературной эксплуатации (более 10000 часов) они способствуют формированию пустот и трещин в структуре металла, кото-рые в условиях интенсивного абразивного изнашивания (усилие действия абразива не более 20 кПа) приводят к разрушению деталей.

Коррозионно-механическое изнашивание не является процессом про­стого суммирования коррозионного и механического факторов. Оно пред­ставляет собой сложное явление, в котором коррозионное химическое воз­действие служит основой усталостного разрушения. Изнашивание же в свою очередь активизирует протекание химической коррозии.

Имеются данные [18, 19] о применении ферритных сплавов в условиях длительной работы (3000…9000 часов) при высоких температурах. Оксидная пленка по данным [20] не влияет на износостойкость. При температурах менее 400°С ее образованием можно пренебречь. Однако, если рассматривать работу сплавов при высоких температурах до 1000°С, то защитная пленка выполняет функцию барьера, позволяющего сохранить характеристики металла, который определяет параметры сплавов при изнашивании.

В настоящее время для более глубокого изучения этого вопроса раз­рабатывается специальное оборудование, обеспечивающее понимание ме-ханизма высокотемпературного изнашивания.