Вы здесь

Виды и особенности коррозионных разрушений сварных соединений

Виды и особенности коррозионных разрушений сварных соединений

Виды и особенности коррозионных разрушений металлических, в том числе сварных, конструкций определяются свойствами материала, напряженным состоянием в конструкции, свойствами коррозионной среды и условиями взаимодействия металла со средой (температурой, временем, условиями контактирования, давлением и др.). Механизм коррозионных разрушений сварных соединений не отличается от механизма разрушений основного металла. Особенности, которые определяют (в отличие от основного металла) причины, характер, кинетику и механизм разрушений сварных соединений, зависят от физико-химического воздействия сварки, вызывающего неблагоприятное изменение и неоднородность свойств металла и напряженного состояния, следствием чего является усиление отрицательного воздействия среды.

Для сварного соединения характерны:

  • а) структурно-химическая макро- и микронеоднородность (основной металл, литой металл шва, переходные структурные зоны влияния; зерна, границы зерен, фазы включения и т. д. в пределах каждой зоны);
  • б) неоднородность напряженного состояния собственного (остаточные напряжения и пластическая деформация) и от внешней нагрузки;
  • в) геометрическая неоднородность (технологические и конструктивные концентраторы).

Эти основные виды неоднородности определяют механическую, физическую и электрохимическую макро- и микронеоднородность сварных соединений (рис. 1) и особенности коррозионных разрушений сварных соединений (рис. 2).

Неоднородность сварных соединений в поперечном сечении

Рис. 1. Неоднородность сварных соединений в поперечном сечении: а – максимальные температуры; б – схемы сварного соединения; в – твердости HV, HB, величина μ зерна и плотность η окисной пленки; г – механические свойства при изгибе; Р – несущая нагрузка, кгс; α – угол изгиба; д – электродный φ и термоэлектрический Е потенциалы, мВ; е – остаточные пластические продольные εxy и поперечные εyy деформации; ρ – ориентировочная плотность дислокаций; ж – остаточные продольные σxy и поперечные σyy напряжения, кгс/мм2:

1 – СтЗсп; 2 – 12Х18Н10Т; 3 – ВТ1-1; 4 – АМг6, δ = 3 мм, аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом

 

Виды разрушений сварных соединений

Рис. 2. Виды разрушений сварных соединений: а – г – соответственно общая коррозия: равномерная, сосредоточенная на шве, сосредоточенная в зоне термического влияния, преимущественно основного металла; д – з – соответственно местная коррозия: межкристаллитная в зоне термического влияния, ножевая в зоне сплавления, в сварном шве и точечная; и – л – коррозионное растрескивание и усталость меж- н транскристаллитные

 

По механизму различают коррозию химическую и электрохимическую. Химическая коррозия представляет собой процесс взаимодействия металла с агрессивным компонентом среды (сухими газами, неэлектролитами) по реакции Ме+x→Ме x. Электрохимическая коррозия – процесс самопроизвольного разрушения металла в результате электрохимических реакций, скорость которых определяет скорость коррозии:

  • а) анодной реакции – перехода ионов металла Ме+ в раствор с оставлением эквивалентного количества n электронов е в металле; Ме0nеМеn+, определяющей материальные потери при коррозии;
  • б) катодной реакции – процесса восстановления окислительных компонентов среды D+, О2, Сl2, Br2, NО-3 и др.) за счет присоединения появившихся в металле избыточных электронов (процесс деполяризации D+ ne(Dne);
  • в) процесса перетекания электронов по металлу и соответствующего перемещения катионов (+) и анионов ( – ) в растворе, т. е. коррозионного тока.

В подавляющем большинстве сред процесс коррозии является электрохимическим.

По виду коррозионных разрушений различают

  • общую (сплошную) коррозию (равномерную, неравномерную, избирательную);
  • местную (локализованную в виде язв, точек, под поверхностью, межкристаллитную);
  • растрескивание под действием статических и циклических нагрузок.

Особенности общей электрохимической коррозии сварных соединений связаны с электрохимической неоднородностью двух видов:

  • а) макронеоднородностью, обусловленной различием химического состава и структуры в разных зонах соединения;
  • б) микронеоднородностью, обусловленной структурной и химической неоднородностью в пределах каждой зоны (рис. 3).

Схемы коррозии сварного соединения

Рис. 3. Схемы коррозии сварного соединения: I – характерное распределение начальных макропотенциалов в сварном соединении; φш – электродный потенциал шва; φзтв – электродный потенциал зоны термического влияния; φм – электродный потенциал основного металла; φуст – установившийся стационарный потенциал заполяризованной системы шов – зона термического влияния (з.т.в.) – основной металл; II – макроэлектрохимическая коррозия, макропара основной металл– зона термического влияния, макропара зона термического влияния – шов, макро- пара основной металл – шов с зоной термического влияния; III – коррозия саморастворения каждой зоны: 1 – гетерогенный механизм электрохимической коррозии; 2 – гомогенный механизм электрохимической коррозии; 3 – химическая коррозия

 

Поэтому в коррозионном отношении сварное соединение представляет собой сложную многоэлектродную короткозамкнутую электрохимическую систему, характерными макроэлектродами которой являются шов, зона термического влияния с серией переходных структур, основной металл (табл. 1).

 

Таблица 1. Электродные потенциалы различных зон сварных соединений в З%-ном NaCl

Материал

Способ сварки

Электродный потенциал, мВ

Основной металл

Сварной шов

Зона термического влияния

Стали низкоуглеродистые низколегированные

09Г2С

17Г2С1

17Г2СФ

Ручная дуговая, электрод типа Э55

-460

-500

-455

-540

-540

-540

-480

-550

-485

Коррозионностойкие стали

12Х18Н10Т

10Х14АГ15

Аргонодуговая

Ручная без присадки,

электролы ОЗЛ8

+137

-170

+108

-165

+75

-250

Алюминиевые сплавы

АМг6

АМг62

Аргонодуговая без при- садки

-492

-680

-514

-700

-567

-880

Технический титан

ВТ1-1

 

Цирконий

Тантал

Ниобий

Аргонодуговая без присадки

 

 

Электронно-лучевая

-125

 

-455

-180

-241

-180

 

-393

-240

-255

-140

 

-446

-212

-280

 

Макронеоднородность оценивается по величине средних электродных потенциалов φ каждой зоны, микронеоднородность – по величине локальных электродных потенциалов φi в пределах каждой зоны. Показателем макроэлектрохимической неоднородности сварного соединения является разность начальных потенциалов Δφ между зонами. Показателем микронеоднородности каждой зоны служит разброс начальных локальных потенциалов Δφi = φi maxφi min в пределах каждой зоны.

Восприимчивость сварного соединения в целом или какой-либо его зоны к воздействию коррозионных сред и скорости коррозии зависит от общих и локальных электродных потенциалов и поляризуемости. Чем отрицательнее потенциалы и больше их разность, тем, как правило, больше скорость коррозии.

В зависимости от значений Δφ и Δφi возможны следующие характерные случаи общей коррозии сварных соединений:

  • а) Δφ>0, Δφi0, – коррозия по преимущественно макрогетерогенноэлектрохимическому механизму. Определение Δφ и Δφi позволяет в первом приближении судить о неустойчивости различных зон и всего соединения в целом;
  • б) Δφ0, Δφi>0 – коррозия по преимущественно микроэлектрохимическому механизму;
  • в) Δφ>0, Δφi>0 – смешанный механизм коррозии.

Общая (сплошная) электрохимическая коррозия характерна для сварных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей в большинстве природных сред (атмосфере, водных средах, почве).

Местные избирательные виды коррозии характерны для сварных соединений высоколегированных сталей и цветных металлов в средах, в которых металл находится в пассивной и пассивно-активной области. Межкристаллитная коррозия, связанная со структурными изменениями в сталях, характерна при воздействии на них нагрева до критических температур 450 – 900°С для аустенитных и выше 900°С для высокохромистых ферритных сталей. Примером является межкристаллитная коррозия сварных соединений аустенитных хромоникелевых сталей. Разрушение развивается в трех зонах:

  • в основном металле, нагреваемом при сварке до 500 – 900°С,
  • в сварном шве
  • и в основном металле вблизи линии сплавления в узкой зоне, нагреваемой до температур свыше 1200 – 1250°С (ножевая коррозия).

Преимущественное разрушение границ зерен обусловлено электрохимической неоднородностью металла, возникающей при определенных для каждого сплава температурно-временных условиях в связи с выделением избыточных фаз. Если избыточные фазы образуют протяженные цепочки по границам зерен, то коррозионное разрушение приобретает чрезвычайно опасный межкристаллитный характер. Наиболее характерными избыточными фазами коррозионно-стойких сталей, практически постоянно в них присутствующими, являются карбиды. В зависимости от химического состава стали и условий термического воздействия на них образуются карбидные фазы следующих типов: МС (М≡ Тi, Nb, W, Zr, Ta); М2С (М≡ W, Мо); М3С (на основе железа); М7С3 и М23С6 (на основе хрома), М'nМ"mС (М'≡ Fe, Ni, Со, Si, M"≡ W, Мо, Та, V, Cr, Nb); часто n+m = 6; М12С. Наряду с карбидными возможно образование других фаз, представляющих собой соединения компонентов стали с неметаллами (нитриды, карбонитриды, сульфиды, бориды и др.), а также интерметаллидных фаз (σ, χ), ряд фаз типа Лавеса (Fe2Мо, Fe2W, Fe2Nb), упрочняющих фаз (M3Ti, М3Al) и др.

Принципиальная схема влияния температурно-временных условий на выделение карбидов и межкристаллитную коррозию показана на рис. 4. Температуры ≤850°С благоприятны для преимущественного выделения M23C6 (кривая 1). Ножевая коррозия связана с выделением цепочки карбидов стабилизирующих элементов (МС) под действием высоких температур (> 1200 – 1250°С) по границам зерен (околошовной зоны). Так как скорость коррозии (кипящая 56% HNO3) карбида титана примерно в 1000 раз, а карбида ниобия в 3 – 4 раза больше, чем скорость коррозии стали, то происходит избирательное растворение частиц карбидов, расположенных по границам зерен при катализирующем действии этого процесса на растворение прилегающих участков стали. Дополнительное тепловое воздействие в области критических температур (наложение второго шва) приводит к выделению карбидов хрома (M23C6), что усложняет механизм ножевой коррозии и повышает ее скорость. В окислительных средах кислотостойкие хромоникелевые стали, стабилизированные титаном, менее стойки, чем стабилизированные ниобием, которые, в свою очередь, менее стойки, чем с низким содержанием углерода.

Границы выделения карбидов типа

Рис. 4. Границы выделения карбидов типа M23C6(1) и МС (2) у сталей типа 12Х18Н10Т, нагретых до 1250°С, в зависимости от температурно-временных условий

 

Межкристаллитная коррозия алюминиевых сплавов также связана с выпадением избыточных (интерметаллидных) фаз типа CuAl2, Mg2Al3, MgZn2 и др.

Точечная коррозия типична для пассивирующихся металлов (хром, алюминий, хромо-никелевые стали и др.) и возникает в результате повреждения в отдельных участках пассивной пленки. В сварных соединениях точечной коррозии подвержена преимущественно зона термического влияния.

Коррозионное разрушение сварных соединений в напряженном состоянии.

Напряженное состояние влияет на коррозионное поведение металла вследствие:

  • а) сообщения металлу добавочной энергии, в связи с чем иону Me+ легче покинуть решетку деформированного металла по сравнению с недеформированным;
  • б) нарушения под действием деформации сплошности и защитных свойств поверхностных пленок;
  • в) повышения степени неоднородности, связанной с появлением под действием деформаций дефектов кристаллической решетки и новых анодных фаз.

Скорость коррозии q относительно мало изменяется под влиянием упругих напряжений в нейтральных и щелочных средах, но может заметно (в 2 – 3 раза) увеличиваться в кислых средах пропорционально напряжениям: q=q0σ, где q0 – скорость без растягивающих напряжений; α – коэффициент пропорциональности. Незначительно влияя на общую коррозию, напряжения интенсифицируют местные виды коррозии, наиболее опасными из которых является растрескивание, вызываемое статическими нагрузками, и коррозионная усталость при циклическом нагружении.

Коррозионное разрушение в напряженном состоянии определяется коррозионными, механическими и сорбционными процессами, а также сопутствующими процессами (кавитация, радиация). Коррозионное растрескивание состоит из двух основных периодов:

  • а) зарождения трещины или инкубационного периода (tэ), в течение которого на металлической поверхности под влиянием локализации коррозионного процесса и растягивающих напряжений происходит зарождение первичных коррозионно-механических трещин;
  • б) периода развития трещины (tр), который, в свою очередь, определяется временем докритического (субкритического) роста трещины до ее критических размеров, после чего происходит лавинообразное разрушение.

Скорость субкритического роста коррозионных трещин в зависимости от материала, напряжений и среды изменяется в пределах .10 – 1О-5мм/ч.

Постоянное разрушение пленки и интенсивное перемещение раствора при циклическом нагружении может резко повысить скорость разрушения при коррозионной усталости по сравнению с коррозионным растрескиванием.

Разрушения вызываются растягивающими напряжениями. Для большинства сочетаний металл – среда имеются пороговые значения напряжений σпор, ниже которых растрескивание не имеет места вообще или на определенной базе испытаний (рис. 5). Пороговые напряжения варьируются в пределах (0,2 – 1) σт (табл. 2). Сварные соединения растрескиваются интенсивнее по сравнению с основным металлом в связи с воздействием сварочного процесса. Остаточные сварочные напряжения без внешней нагрузки могут вызывать интенсивное растрескивание (рис. 5, б). В средах, вызывающих растрескивание, действие остаточных напряжений и напряжений от внешней нагрузки суммируется (рис. 5, в).

Влияние напряжений и вида напряженного состояния на коррозионное растрескивание в различных средах

Рис. 5. Влияние напряжений и вида напряженного состояния на коррозионное растрескивание в различных средах (сплошные линии – сварное соединение, штриховые – основной металл):

а – σвн > 0, σост= 0; 1, 4 – одноосный изгиб; 2 – двухосный изгиб, 3, 5 , 6 – одноосное растяжение; 1, 2, 3 – 12Х18Н10Т; 4 – ОТ4; 5 – СтЗсп; 6 – АМг6;

б – σвн= 0, σост > 0; 1 – 12Х18Н10Т; 2 – ВТ1-1; 3 – СтЗсп; 4 – ОТ4; в – σвн> 0, σост> 0 – 12Х18Н10Т; 2 – ОТ4; среды – см. табл. 3

Влияние предварительной пластической деформации растяжением на время до коррозионного растрескивания стали

Рис. 6. Влияние предварительной пластической деформации растяжением на время до коррозионного растрескивания стали СтЗсп (1), 12Х18Н10Т (2), сплава АМг6 (3) и деформации сжатием сплава АМг6 (4). Коррозионные испытания при постоянной нагрузке σ= 0,9σт

 

Влияние пластической деформации на коррозионное разрушение не однозначно (рис. 6), так как в результате пластической деформации могут возникать как благоприятные, так и неблагоприятные изменения свойств металла и напряженного состояния. К неблагоприятным относятся:

  • а) повышение внутренней энергии металла;
  • б) возникновение при деформации анодных фаз, дефектов решетки, микро- и макронарушений поверхности и структуры, сопровождающихся увеличением и концентрацией напряженности II рода;
  • в) возникновение при неравномерной пластической деформации собственных растягивающих напряжений I рода.

Процессами, способствующими повышению стойкости, являются:

  • а) уменьшение, перераспределение и снятие в процессе деформации собственных напряжений I рода, а также возникновение сжимающих напряжений на поверхности;
  • б) более равномерное распределение анодных участков, что уменьшает локализацию коррозионного разрушения.

В зависимости от металла и среды, деформационно-силовой схемы, степени деформации и термодеформационных условий превалируют те или иные процессы и имеет место увеличение или уменьшение стойкости металла. Отрицательное влияние концентраторов особенно резко- проявляется в средах, в которых металл находится в пассивном или активно-пассивном состоянии. С увеличением агрессивности сред влияние концентратора ослабевает. Чем выше уровень напряженности, тем сильнее проявляется влияние концентраторов при относительно меньшем влиянии среды,

 

Таблица 2. Ориентировочные значения отношения пороговых напряжений к пределу текучести некоторых материалов в характерных средах, вызывающих их растрескивание

Материал

Среда

Температура, °С

Основной металл

Сварные соединения

Углеродистые и низколегированные стали

Щелочные растворы

Растворы нитратов

Среды с сероводородом

Т>60°С

Кипение

Нормальная

0,9-1

0,5

0,5-1

0,9-1

0,5

0,3-0,5

Коррозионно-стойкие хромоникелевые стали типа 12Х18Н10Т:

отожженные

деформированные

Хлориды

Кипение

 

0,5-0,6

0,2-0,5

 

0,4-0,5

0,2-0,4

Алюминиевые сплавы

Растворы на основе З%-ного NaCl

Нормальная

0,6

0,5

Титановые а-сплавы

Бромисто-метаноловые

Нормальная

0,5

0,2-0,4


 

Таблица 3. Составы сред, рекомендуемых для ускоренных испытаний сварных соединений на склонность к коррозионному растрескиванию


Не удалось подключиться: Unknown database 'maro3'