Коррозия металла

Наиболее вероятными процессами, при которых происходит коррозионное растрескивание, являются следующие:

1.  Локализованная  электрохимическая коррозия вызывает  образование небольших узких трещин в виде отдельных углублений, развивающиеся края которых имеют радиусы кривизны порядка атомных размеров. Трещины могут проходить по границам зерен, как, например, в алюминиевых сплавах или   латуни,   или   через-зерна, как, например, в аустенитных нержавеющих сталях или в магниевых сплавах. Количество образующихся трещин может быть  различным,   но  обычно   одна трещина   развивается в большей степени, чем другие.

2.  По мере развития  трещины у ее вершины создается  концентрация напряжений. Для пластичных сплавов эта концентрация напряжений не превышает максимальной величины, которая приблизительно в 3 раза больше предела текучести. При достаточно высоких   напряжениях у вершины   трещины   происходит   местная пластическая деформация, которая предшествует хрупкому разрушению. В настоящее время установлено, что в пластичных металлах хрупкое разрушение не может иметь места без предшествующей пластической деформации. Действительно, именно деформация металла у развивающегося края трещины вызывает хрупкое разрушение за счет  действующих   у   вершины   трещины   напряжений.

3.  В зависимости  от формы образца, способа приложения  нагрузки, условий испытания и определенного энергетического состояния металла, свойственного процессу развития хрупкого разрушения, трещина может распространиться через весь образец, вызвав-мгновенное разрушение его, или, распространившись на определенное расстояние, развитие ее может прекратиться.   Развитие   трещины может быть приостановлено при неблагоприятной для процесса растрескивания ориентации границ зерен, при неоднородности кристаллической решетки  или   при  наличии  неметаллических включений; развитие ее может остановиться в результате релаксации напряжений при развитии трещины или при определенном энергетическом состоянии, когда производимая работа деформации будет больше, чем увеличение поверхностной энергии, как отмечено у Ирвина  и Орована.

4.  Развитие трещины  за счет механического разрушения  обнажает свежую поверхность металла, и коррозионная среда быстро засасывается в трещину под действием капиллярных  сил,  в результате чего наступает период интенсивной коррозии. Вполне возможно, что эта стадия интенсивной коррозии способствует развитию; трещины, причем коррозия развивается таким образом, что вызывает разветвление трещины. Однако следует считать, что главным фактором в развитии трещины является механическое воздействие а не электрохимические процессы.

5. Ускоренный процесс  коррозии, вызванный действием коррозионной среды на не защищенную пленкой поверхность металла, быстро замедляется вследствие поляризации и повторного образования защитной пленки,   что связано   с изменением   концентрации: электролита внутри трещины.

6.  После этого опять  преобладают условия, медленно  развивающаяся локализованная коррозия продолжается до тех пор, пока не возникнет достаточно высокая концентрация, напряжений,  которая вызовет деформацию и развитие трещины. Полный цикл процессов повторяется до тех пор, пока не наступит разрушение вследствие развития трещины или уменьшения поперечного сечения напряженного образца.

Вопрос о том, разрушается  ли образец сразу после того как  образовалась первая трещина или в результате развития нескольких трещин в течение какого-то периода времени, не является существенным в механизме растрескивания и зависит от формы, размеров и толщины образца, а также от величины напряжений и условий испытания.

Таким образом, представленный выше механизм включает две основные стадии процесса коррозионного растрескивания: период; локализованной электрохимической коррозии и последующий период развития трещин. Если разрушение не происходит очень быcтро, процесс растрескивания включает непродолжительный период интенсивной коррозии. Ниже подробно рассматривается каждая из стадий процесса растрескивания, а также факторы, определяющие эти стадии, и экспериментальные данные, подтверждающие изложенные ранее гипотезы.

8 Начальная  стадия локализованной коррозии

Состояние поверхности  металла, обеспечивающее развитие интенсивной локализованной коррозии, вероятно, подобно тому состоянию, при котором происходит питтинговая коррозия. Локальное коррозионное разрушение происходит обычно при наличии катодных и анодных микроэлементов, которые способствуют концентрации и ускорению электрохимического процесса. Источниками местных анодных участков могут быть: 1) состав и микроструктурные неоднородности сплава, как, например, многофазные сплавы или включения по границам зерен; 2) значительное искажение границ зерен или других субструктурных границ, по которым могут выделяться растворенные атомы; 3) участки границ зерен, возникшие благодаря местной концентрации напряжений; 4) локальное разрушение поверхностной пленки под действием напряжений; 5) участки, возникшие за счет пластической деформации.

9 Системы сплавов, подверженных межкристаллитному растрескиванию

Алюминиево-медные сплавы. Браун и соавторы показали, что, в результате выделения по границам зерен CuAl2 примыкающие к границам зерен зоны обедняются медью, в результате чего в растворе хлористого натрия между границами зерен и зернами существует разность потенциалов в 200 мв. Эти обедненные медью зоны, анодны по отношению к выделившейся фазе CuAl2 и по отношению к самим зернам.

Сплавы А1 — 7% Мg. Джильберт и Хадден показали, что соединение Мg₂А1₃, которое выделяется по границам зерен, в нейтральных и кислых растворах хлористого натрия является анодом по отношению к зернам и к обедненным зонам границ зерен. В этих растворах b-фаза подвержена избирательной коррозии. В водном растворе едкого натра b-фаза катодна по отношению к телу зерен, и в этом случае не происходит ни избирательной коррозии, ни коррозионного растрескивания, а имеет место только общая коррозия. Эделеану предположил, что подверженность интенсивной избирательной коррозии не обусловлена выделяющейся по границам зерен равновесной фазой, а связана с одним из переходных   состояний в процессе   старения — выделением или адсорбцией растворенных атомов по границам зерен.

Таким образом, в структуре  сплавов, упрочняющихся с выделением второй фазы и подверженных межкристаллитному растрескиванию, имеется три участка с различными электрохимическими характеристиками.

1.  Зерна твердого  раствора.

2.  Выделившаяся   по   границам   зерен   фаза   (или    переходное  состояние   этой   фазы   или   адсорбированных   растворенных   атомов) .

3.  Обедненные каким-либо  компонентом участки твердого  раствора, примыкающие к границам зерен.

Мягкие стали. Паркинс показал, что выделяющиеся по границам зерен карбиды вызывают искажение этих границ. В растворах нитратов искаженные границы зерен феррита анодны по отношению к зернам, в результате чего границы служат местом интенсивной межкристаллитной коррозии. Действие напряжений может еще больше исказить эти границы и сделать эту область более анодной.

Медные сплавы в аммиачных средах. Чистая медь в аммиачных средах не подвержена растрескиванию, но добавление небольших количеств фосфора, мышьяка, сурьмы, цинка, алюминия, кремния или никеля в качестве легирующих элементов, входящих в однородный твердый раствор, вызывает межкристаллитное растрескивание меди. Оказывается, что наблюдаемая разность потенциалов между границами зерен и зернами и местная межкристаллитная коррозия  могут быть обусловлены искажением границ зерен в результате различной ориентации  смежных зерен . Робертсон,  показал, что концентрация легирующего компонента в меди, вызывающая беспорядочную рекристаллизованную структуру, соответствует концентрации, которая делает сплав подверженным кор-озионному растрескиванию. В однородных системах причиной развития местной межкристаллитной коррозии может быть химическая активность границ зерен, которая зависит от искажения границ и действия напряжений и деформации. Выделение или адсорбция по раницам зерен растворенных атомов будет значительно влиять на искажение и активность границ зерен.

В работе Томпсона и Трэси  выведено соотношение между концентрацией  легирующего компонента, необходимой  для получения подверженного коррозионному растрескиванию сплава, и количеством компонента, которое вызывает межкристаллитную коррозию сплава при отсутствии напряжений. Ни в одном случае не наблюдалось коррозионного растрескивания при легировании компонентами, которые не вызывают первоначальной межкристаллитной коррозии. Интересно отметить, что при значительном увеличении концентрации легирующих компонентов алюминия и кремния (но не выходя из области твердых растворов) сопротивление растрескиванию увеличивается и наблюдается смешанный характер растрескивания — и межкристаллитный и внутрикристаллитный, что несомненно связано с изменением активности границ зерен.

10 Системы сплавов, подверженных внутрикристаллитному растрескиванию

Магниевые сплавы. На основании изучения зависимости между содержанием железа в магниевых сплавах и их устойчивостью против внутрикристаллитного коррозионного растрескивания было высказано предположение, что железо-алюминиевая составляющая, преимущественно выделяющаяся параллельно определенным кристаллографическим плоскостям, в частности плоскости базиса, может быть катодной фазой. Было показано, что разность потенциалов между соединением Fe—А1 и твердым раствором Мg—А1 в солянохроматных растворах составляет 1в. Наблюдаемое межкристаллитное растрескивание некоторых магниевых, сплавов в дистиллированной воде, в растворах хроматов и фторидов, возможно, обусловлено присутствием незначительных примесей по границам зерен. Как известно, сопротивление магния общей коррозии зависит от наличия некоторых примесей — таких, как железо, медь, никель и кобальт, которые в этом отношении особенно активны.

Аустенитные нержавеющие  стали типа 18-8. Стабильность аустенитной фазы в нержавеющих сталях зависит в основном от содержания в сплаве никеля и азота. Однако, в сталях типа 18-8 в результате холодной обработки или деформации какая-то часть аустенита может превратиться в мартенсит. Было высказано предположение, что пластинки мартенсита являются анодной фазой в процессе местной коррозии. Это предположение подверглось критике на основании того, что некоторые аустенитные нержавеющие стали, которые даже под влиянием значительной холодной обработки не претерпевают мартенситного превращения, подвержены коррозионному растрескиванию. Кроме того, нержавеющая сталь типа 18-8 подвержена коррозионному растрескиванию в атмосфере пара, содержащего хлориды, при температурах, слишком высоких для мартенситных превращений.

Существенным доказательством  электрохимического характера локального коррозионного разрушения, т. е. первой стадии процесса коррозионного растрескивания, является возможность предотвращения растрескивания при катодной поляризации и при деаэрации коррозионной среды для некоторых алюминиево-магниевых сплавов. Удаление кислорода из раствора понижает скорость катодного процесса и тем самым препятствует электрохимическому разрушению.

11 Развитие  трещин

Существенным подтверждением гипотез механизма коррозионного растрескивания является более подробное изучение характера развития трещин, в частности, микрокиноскопическое исследование процесса развития трещин. Фильм, заснятый Престом, Беком и Фонтана, показывает, что развитию внутрикристаллитной трещины в магниево-алюминиевых сплавах предшествует волна пластической деформации. Как ранее установлено, для возникновения пластической деформации необходимо наличие небольшой трещины, как источника развития хрупкого разрушения. Кроме того, в результате деформации металла у вершины первоначально образовавшейся трещины должно происходить дальнейшее ее углубление и расширение, что наблюдается в действительности. Степень развития трещины в результате деформации определяется, несомненно, пластическими характеристиками материала, и следует ожидать, что при наличии непрерывной хрупкой фазы для развития трещины потребуется небольшая деформация и расширения трещины совсем не произойдет или будет весьма незначительным.

В результате пластической деформации обычно происходит разрушение защитных поверхностных пленок в трещине, что вызывает ускорение коррозионного процесса. Но разрушение пленки может играть и более существенную роль в процессе деформации. Было показано, что защитные пленки на монокристаллах и в некоторых поликристаллических материалах препятствуют протеканию процессов ползучести и деформации. Было высказано предположение, что такие пленки действуют как барьер при передвижении дислокаций и, следовательно, препятствуют деформации. Концентрация дислокаций под поверхностной пленкой вызывает высокую концентрацию напряжений. Когда пленка разрушается или устраняется химическим путем, дислокации стремятся к передвижению по своему первоначальному направлению, вызывая тем самым самопроизвольную деформацию. Если это передвижение происходит в плоскости развития трещины, должно происходить ее углубление и расширение. Деформация, которая происходит у вершины трещины, очень локализована и трудно обнаруживается обычными методами металлографического анализа. Кроме того, cледует учесть, что деформированные участки и поверхности образующихся трещин подвержены интенсивной коррозии, которая может легко уничтожить все признаки существования деформации.

Имеются данные о том, что напряженные и деформированные металлы более активны, чем ненапряженные. Таким образом, участкам с коррозионными трещинами свойственна большая электрохимическая активность, что приводит к ускорению процесса трещинообразования. Не может быть сомнения, что ускоренный коррозионный процесс вызван разрушением поверхностной пленки и наличием напряженных анодных участков, но мало вероятно, что эти факторы способствуют общему процессу развития трещин. Если они оказывают влияние, то только в основном на возникновение небольших местных трещин, необходимых для создания концентрации напряжений и последующего трещинообразования.