Кинетика коррозионного растрескивания сплавов

Цель работы

Определить длительность коррозионного растрескивания и отдельных его периодов при различных уровнях начальных механических напряжений.

Теоретическое введение

Коррозионное растрескивание (КР) – образование трещины (трещин) в металле при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих механических напряжений – очень распространенный и опасный вид коррозионно-механического разрушения. КР отличается по своему характеру как от чисто механического, так и от чисто коррозионного разрушения. Трещины возникают на поверхности и развиваются в глубь металла обычно в направлении, нормальном к приложенным напряжениям по границам зерен или по телу зерна.

При коррозионном растрескивании вершина трещины является обычно анодом, а стенки ее и открытая поверхность металла – катодом гальванического коррозионного элемента. Такое остро локализованное коррозионно-механическое разрушение обычно наблюдается в области перехода сплава из коррозионно-неустойчивого в устойчивое состояние. При интенсивной общей коррозии, а также, если сплав находится в пассивном (коррозионно-устойчивом) состоянии, трещины, как правило, не образуются. Образование узких трещин вызывает охрупчивание материалов и приводит к их разрушению при малом относительном удлинении.

По мере развития КР можно выделить три периода:

Первый период – зарождение микротрещин на гладкой поверхности в местах локальной неоднородности металла – микронадрезов, нарушений поверхностной пленки, границ зерна и т.д. Процесс на этом этапе развивается сначала медленно ввиду отсутствия готовых концентраторов напряжений, затем интенсивно ускоряется вследствие малых ограничений доставки коррозионной среды к вершине трещины.

Второй период – развитие преимущественно одной или нескольких образовавшихся трещин по поверхности и в глубь сплава, их возможное слияние. На этом этапе процесс несколько замедляется, так как возрастают диффузионные ограничения доставки среды к вершине трещины, происходит некоторая релаксация напряжений за счет деформации образца. По мере развития трещин к концу второго периода возрастает концентрация напряжений в вершине трещины, начинает в большей степени сказываться механический фактор.

Третий период – резкое ускорение роста одной из трещин, получившей наибольшее развитие, и механический долом образца. В зависимости от агрессивности среды и уровня механических напряжений общее время до разрушения и длительность каждого периода существенно изменяются.

При постоянной растягивающей нагрузке на образец, не превышающей σ_0,2, развитие трещин вызывает его удлинение, которое может быть зафиксировано. Установлено, что зависимость удлинения от времени в каждый период КР носит экспоненциальный характер, отличаясь постоянными коэффициентами a_i и b_i в уравнении:

Δ l = exp(a_i τ + b_i). (87)

Логарифмируя, получаем кусочно-линейную зависимость (рис. 14а):

lnΔ l = a_i τ + b_i.

Тогда интенсивность развития КР можно определить по скорости удлинения образца:

δ(Δ l)/δτ = a_i exp(a_i τ + b_i) (88)

или логарифмируя:

ln[δ(Δ l)/δτ] = a_i τ + b_i + ln a_i (89)

также получаем кусочно-линейную зависимость (рис. 14б).

Пластическая деформация и развитие КР изменяют кинетику анодных (вершина трещины) и катодных (стенки трещины, открытая поверхность металла) реакций на различных этапах КР, что обуславливает соответствующее изменение стационарного потенциала. Изменение потенциала образца во времени дает дополнительную информацию о процессе (рис. 14в).

Изучая влияние температуры, агрессивности электролита, механических напряжений, защитных покрытия на металлах, структуры сплавов и др. на каждый период КР в отдельности, можно определить контролирующий фактор и стадию, в соответствии с которыми рекомендуется разрабатывать мероприятия по защите от коррозионного растрескивания.

Рис. 14. Зависимость параметров удлинения и потенциала от времени испытания на коррозионное растрескивание