Роль корозійного чинника в процесах корозійно-ерозійного руйнування конструкційних сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.17.14 - Хімічний опір матеріалів та захист від корозії

Роль корозійного чинника в процесах корозійно-ерозійного руйнування конструкційних сталей

Бассараб Андрій Ігорович

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, профессор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів, м. Львів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Дмитрах Ігор Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу фізичних основ руйнування та міцності матеріалів, м. Львів

кандидат технічних наук, доцент Василик Аристид Володимирович, Івано-Франківський технічний університет нафти і газу, кафедра зносостійкості та відновлення деталей машин, м. Львів

Провідна установа:

Український державний хіміко-технологічний університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти України, кафедра хімічного опору матеріалів та захисту від корозії

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Никифорчин Г.М.

Анотація

Бассараб А.Г. Роль корозійного чинника в процесах корозійно-ерозійного руйнування конструкційних сталей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.14 - хімічний опір матеріалів та захист від корозії.- Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2000.

Дисертацію присвячено встановленю основних закономірностей прояву корозійного чинника в умовах кавітації конструкційних сталей різного структурного стану в залежності від природи та складу рідких середовищ, а також розробленню на цій основі методів оцінки агресивності корозійних середовищ та підвищення опору корозійно-ерозійному руйнуванню (КЕР). На основі електрохімічних досліджень поверхні, деформованої в процесі кавітації, а також порівняльної оцінки опору сталей КЕР в корозійно інертних та агресивних середовищах, встановлено важливу роль корозійного чинника в процесах руйнування. Розроблено експериментальну методику порівняльної оцінки ефективності інгібування КЕР та показано перспективи інгібіторного захисту сталей від КЕР з домінуючим впливом корозійного чинника.

Ключові слова: корозійно-ерозійне руйнування, захисні плівки, електродний потенціал, поляризаційний опір, електрохімічна релаксація ювенільної поверхні, структура сталі.

Аннотация

Бассараб А.Г. Роль коррозионого фактора в процесах коррозионно-эрозионного разрушения конструкционных сталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.14 - химическое сопротивление материалов и защита от коррозии.- Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, г. Львов, 2000.

Диссертация посвящена установлению основных закономерностей проявления коррозионного фактора в условиях кавитации конструкционных сталей различного структурного состояния в зависимости от природы и состава жидких сред и разработке на этой основе методов оценки агрессивности коррозионных сред и повышения сопротивления коррозионно-эрозионному разрушению (КЭР).

Исследования КЭР проведены с использованием усовершенствованной магнитострикционной методики испытаний с регулируемой амплитудой колебаний, приспособленной для электрохимических измерений и установки с вращающимся диском.

Закономерности проявления коррозионного фактора в процессах КЭР установлены на основе: а) электрохимических исследований поверхности, деформируемой в процесе кавитации, и оценок изменения электродного потенциала, поляризационных кривых, поляризационного сопротивления и констант Тафеля; б) исследований дискового вращающегося электрода; в) изучения влияния на КЭР рН водных сред в диапазоне 2,2-13,7, их ингибирования, а также сравнительной оценки КЭР в водных и коррозионно-инертных неводных средах. Показано, что сопротивление КЭР меняется в соответствии с изменениями электрохимических характеристик сталей в процессе кавитации. Результаты электрохимических измерений дискового электрода сопоставимы с полученными при низком уровне кавитационного нагружения, что свидетельствует о решающей роли снятия диффузионных и концентрационных ограничений в этой области КЭР. В области высоких интенсивностей кавитационного нагружения роль коррозионного фактора дополнительно проявляется в ускорении роста на поверхности коротких усталостных трещин и их ветвления.

Показано широкие возможности повышения сопротивления КЭР углеродистых и низколегированных сталей путем управления коррозионным фактором. Так, изменением электрохимических условий на кавитируемой поверхности таких сталей можно более эффективно уменьшить сопротивление КЭР, чем изменением структуры сталей от перлита до мартенсита. Выявлено инверсию влияния предварительного наводороживания на скорость КЭР от уровня прочности сталей: положительное для низкой прочности и отрицательное для высокой прочности.

Установлено важную роль кинетики релаксации ювенильных поверхностей в процессах КЭР. На основании корреляционных зависимостей между параметрами КЭР и величиной заряда релаксации деформированной поверхности предложен метод оценки коррозионно-эрозионной агрессивности водных сред и прогнозирования защитного эффекта ингибиторов.

Показаны перспективы ингибиторной защиты сталей от КЭР с доминирующим влиянием коррозионного фактора. Выявлено преимущество класса ингибиторов, образующих адсорбционные экранирующие пленки (амины, фосфаты), над окислителями-пассиваторами, образующими фазовые пленки.

Ключевые слова: коррозионно-эрозионное разрушение, защитные пленки, электродный потенциал, поляризационное сопротивление, электрохимическая релаксация ювенильной поверхности, структура стали.

Annotation

Bassarab A.I. Role of corrosion factor in the prosesses of corrosion-erosion fracture of structural steels. - Manuskript.

Thesis of a candidate's degree of speciality 05.17.14 - Chemical resistance of materials and corrosion protection. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2000.

The dissertation is aimed on the investigation of general peculiarities of corrosion factor impact on cavitation of the engineering steels of different structural state depending on nature and content of liquid environments. It also deals with the development of the methods for evaluation of corrosion environment agressivity and improvement of corrosion-erosion fracture (CEF) resistance. The important role of corrosion factor in the fracture processes is shown on the base of electrochemical studies of surfase, deformed during cavitation process and comparative evoluation of steel resistance to CEF in corrosion - inert and aggresive environments. Experimental method of the comparative evaluation of effectivness of CEF inhibition is developed and perspectives of inhibitor protection of steels against CEF with dominant efect of corrosion factor are shown.

Key words: corrosion-erosion fracture, protective films, electrode potential, polarisation resistance, electrochemical relaxation of juvenile surface, steel structure.

1. Загальна характеристика роботи

кавітація конструкційний сталь інгібіторний

Актуальність теми. Причиною втрати цілісності конструкцій часто виступає корозійно-ерозійне руйнування (КЕР) матеріалу внаслідок кавітаційної дії середовища. Переважна більшість досліджень КЕР виконана з використанням прискорених методів випробувань, які дозволяють скоротити тривалість експериментів за рахунок інтенсифікації механічного впливу рідини. Отримані за таких умов параметри КЕР відбивають, як правило, незначну долю корозійного впливу і задовільно корелюють з механічними характеристиками матеріалу. Звідси і пошук методів підвищення опору КЕР саме на основі матеріалознавчих засад підбору матеріалу. Поряд з цим аналіз руйнування лопаток гідротурбін, гребних гвинтів, водоводів і ін. вказує, що при КЕР роль корозійного чинника співмірна з механічним впливом.

З позицій хімічного опору матеріалів процес КЕР розглядається в роботах А.І. Некоза, В.І. Похмурського, В.Г. Мариніна, Н.А. Сологуба, Ю.Н. Цвєткова, Г.В. Халдєєва, В.І. Кічігіна, М.І. Пашечка, В.М. Голубця, М.С. Стечишина. Разом з тим недостатня в загальному увага до ролі корозійного чинника обмежує розробку способів підвищення опору руйнуванню, які б базувалися на гальмуванні корозійного впливу робочого середовища. В переважній більшості робіт саме вплив кавітації на швидкість корозії сталей ідентифікують як прояв корозійного чинника. Однак логічно розглядати, що корозійний чинник відповідальний і за втрати маси в результаті ерозійного зношування - викришування локальних об'ємів металу за втомним механізмом, який приписують суто механічному впливу рідини. Звідси КЕР повинен розглядатися також з огляду впливу корозійного середовища на процес зародження та поширення тріщин в умовах циклічного навантаження. Тому перспективним видається знаходження кореляційних залежностей між параметрами КЕР та корозійно-втомними характеристиками матеріалів. Такі залежності могли б бути корисними для розробки методів протидії обом видам корозійно-механічного руйнування, що часто відповідає реальним умовам експлуатації конструкційних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з наступними науково-дослідними темами, які виконувалися в Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно тематичних планів Національної академії наук України:

- тема “Дослідження впливу структури матеріалу, адсорбційно-електрохімічних та дифузійних процесів в системі “деформований метал-середовище” на процеси зародження та поширення коротких корозійних тріщин”, № держреєстрації 01.94.У.039374;

- тема “Розробка поліфункціональних інгібіторів та вивчення впливу робочих та поверхнево-зміцнюючих середовищ на опір конструкційних сплавів корозії, корозійно-втомному та ерозійному руйнуванню”, № держреєстрації 01.98.У.003532.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - встановити основні закономірності прояву корозійного чинника в умовах кавітації конструкційних сталей різного структурного стану в залежності від природи та складу рідких середовищ і розробити на цій основі методи оцінки агресивності корозійних середовищ та підвищення опору КЕР.

Поставленої мети досягали вирішенням наступних завдань:

1. Оцінити кінетику КЕР сталей різного структурного стану.

2. Дослідити вплив природи та складу рідких середовищ на опір сталей КЕР.

3. Виділити та вивчити прояв корозійного чинника в процесах КЕР.

4. Розробити метод прогнозування ефективності інгібіторного захисту від КЕР у водних середовищах.

5. Розробити деякі способи підвищення корозійно-ерозійної тривкості конструкційних сталей.

Наукова новизна роботи. Для вуглецевих та низьколегованих сталей встановлено дві області кавітаційного навантаження за характером впливу корозійного чинника на процес КЕР у воді: за низької інтенсивності кавітація лише прискорює корозійне руйнування сталей, а за високої - додатково інтенсифікує механічне руйнування сталей шляхом викришування металевих частинок. Гідродинамічні умови переходу з однієї області в іншу визначаються для даних систем “метал - середовище” початком пластичного деформування кавітованої поверхні. Виявлено інверсію впливу на опір КЕР попереднього наводнювання низьколегованих сталей в залежності від їх рівня міцності. Показано перевагу в інгібіторному захисті від КЕР класу інгібіторів, які утворюють адсорбційні екрануючі плівки, над окислювачами-пасиваторами, які утворюють фазові плівки.

Практична цінність роботи. Розвинуто методику дослідження КЕР матеріалів із застосуванням магнітострикційного способу кавітацї, яка дозволяє в широких межах змінювати інтенсивність кавітаційного навантаження і визначати роль корозійного чинника в процесах КЕР. Розроблено експериментальну методику порівняльної оцінки ефективності інгібування КЕР та показано перспективи інгібіторного захисту сталей від КЕР з домінуючим впливом корозійного чинника. Результати роботи використані на фірмі “Світоч” (м. Львів) при застосуванні інгібітора КОРСОЛ-1М для захисту водогінних систем від корозії, солевідкладень та КЕР.

Особистий внесок автора в отриманні наукових результатів полягає в тому, що основні положення, які становлять суть дисертації, були вирішені ним самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [1] - експериментальне визначення заряду репасивації; в [3] - визначення опору КЕР та аналіз його зв'язку з мікротвердістю поверхні; в [4] - аналіз ролі корозійного чинника в процесах КЕР; в [5] - визначення опору КЕР сталей різного структурного стану; в [6] - розробка способів підвищення опору КЕР; в [7] - вивчення впливу інгібіторів на процеси репасивації; в [8] - експериментальне дослідження КЕР паропровідної сталі; в [9] - вивчення кінентики росту поверхневих тріщин в процесі кавітації.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на VI міжн. конгресі "Втома-96" (Берлін, 1996), на ІІІ (Львів, 1996) та IV (Львів, 1998) міжн. конф.-виставках "Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів", 11-й Європейській конференції з руйнування (Пуат'є, 1996) та 2-й міжн. конф. з механіки руйнування (Львів, 1999).

Публікації. Основний зміст роботи викладено в 9 публікаціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку літературних джерел (116 найменувань) і додатку. Загальний обсяг становить 127 сторінок друкованого тексту, в тому числі 70 рисунків, 4 таблиці.

2. Основний зміст роботи

У вступі стисло висвітлено стан проблеми КЕР конструкційних матеріалів, обгрунтовано актуальність вибраної теми, визначено мету досліджень та основні напрямки її досягнення, показано наукову новизну, практичну цінність та апробацію матеріалів роботи.

У першому розділі розглянуто методи визначення опору конструкційних матеріалів КЕР, а також специфіку пошкоджень. Проаналізовано основні механізми КЕР та зв'язок між механічними властивостями конструкційних сталей і їх опором КЕР. Показано особливості структурно-фазових перетворень і роль електрохімічного чинника в процесах КЕР. Проаналізовано методи підвищення опору КЕР. Сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі наведено дані про матеріали, описано обладнання, зразки та методики досліджень. Випробовували сталі 30, 12Х1МФ, 30ХГСНА, 20Х13. Робочими середовищами слугували: водогінна вода (рН 6,3...6,8, твердість 3,8...4,1 мг-екв/л); 1%-ний водний розчин K₂Cr₂O₇; 5%-ний водний розчин K₄[Fe(CN)₆]; водні розчини з різним рН на основі КОН та НСl; гас; ацетон.

Електрохімічні аспекти релаксації деформованої поверхні вивчали після кручення циліндричних зразків. Активність функціонування ювенільної поверхні характеризували величиною заряду g₀, яка потрачена на окислення поверхні за час її репасивації. Величину g₀ визначали шляхом інтегрування кривих релаксації струму корозії, отриманих в часовому діапазоні від 10^-2 до 10² с.

Вплив перемішування розчину на електрохімічні характеристики вивчали методом дискового обертового електроду.

Мікроструктурні особливості КЕР досліджували на металографічному мікроскопі МИМ-8. Мікротвердість вимірювали приладом ПМТ-3.

Дослідження КЕР проводили з допомогою двох відомих методик: магнітострикційної та з обертовим диском. В першому випадку користувалися вібраторами серійного виробництва УЗДН-1 та УЗДН-2Т з регульованою амплітудою коливань А. Використовували два види дослідів: а) кріплення зразка в торець магнітостриктора (верхнє розміщення); б) нижнє розміщення зразка на певній віддалі від торця магнітостриктора. Випробування з обертовим диском проводили на установці констукціїї ФМІ НАНУ в діапазоні лінійних швидкостей руху рідини v від 3 до 13 м/c. Магнітострикційні методики були пристосовані для проведення електрохімічних досліджень за допомогою потенціостатів П-5848 та П-5827М. Після кавітаційних випробувань розчин фільтрували, а продукти КЕР аналізували в магнітному полі на наявність металевих частинок.

Незалежно від методу випробувань на часових залежностях швидкості КЕР W реєстрували чотири ділянки: інкубаційний період _і, ділянка стрімкого наростання W, спад W та стабілізація на певному рівні W_st.

У третьому розділі описано електрохімічні аспекти КЕР у водних середовищах в залежності від їх складу та умов випробувань.

Кавітаційна дія води спричиняє приріст вагових втрат сталі 30ХГСНА різного структурного стану , тим більших, що вища амплітуда коливань магнітостриктора чи швидкість обертання диску. Можна зауважити, що при низьких амплітудах коливань А чи швидкостях обертання V різниці у закономірностях зміни W_st незначні для різних станів металу, що вказує на низьку структурну чутливість швидкості КЕР сталі в цих умовах кавітаційного навантаження.

В процесі кавітації електрохімічні характеристики сталі міняються відповідно до кінетики її КЕР. За умов перемішування розчину внаслідок ультразвукових коливань зразка знімаються дифузійні обмеження процесу кисневої деполяризації і катодні струми впродовж інкубаційного періоду вже за малих значень А зростають майже на порядок і практично не залежать від амплітуди. На стадії стабільного КЕР швидкість катодних реакцій також практично не залежить від А. Суттєво впливає кавітація і на анодний процес іонізації металу. При цьому амплітудна залежність кінетики анодних реакцій виражена більш чітко як під час інкубаційного періоду, так і на стадії стабільного КЕР. Більш інтенсивна деполяризація катодних реакцій спричиняє зміщення потенціалу корозії протягом інкубаційного періоду в позитивному напрямку, а сумісне зростання швидкостей катодних та анодних реакцій зумовлює різке падіння R_p від 6,2 кОм/см² (за стаціонарних умов) до 1…2 кОм/см² (за умов кавітації).

Кавітаційний вплив не лише пришвидшує катодні та анодні процеси, а й змінює їх механізм та стадійність, що витікає з розрахованих значень констант Тафеля анодної b_a та катодної b_с реакцій. В стаціонарних умовах значення b_с = 176 мВ, яке близьке до теоретично визначеної характеристики реакції кисневої деполяризації. Проте в умовах кавітаційної дії b_с зростає до 235-285 мВ. Подібні результати були отримані К.І. Афанасєвим та В.А. Марічевим при дослідженні кінетики електрохімічних реакцій на ювенільній поверхні. Звідси можна зробити висновок про важливу роль ювенільної поверхні та її релаксаційних електрохімічних характеристик в процесах корозії та ерозії сталі при кавітації.

Аналіз розчину після тривалої дії кавітації показав, що тільки по досягненні певного рівня амплітуди коливань зразка А (більше 4 мкм для відпаленої сталі 30ХГСНА та 10 і 15 мкм для відпущеної при 350 та 150 С відповідно) в розчині появляються продукти власне ерозійного зношування - металеві частинки. Аналогічні закономірності поведінки сталі 30ХГСНА в різному структурному стані отримано також за випробувань з нижнім розміщенням зразка та з використанням обертового диску. Зроблено висновок про наявність певного рівня А_th чи v_th, нижче якого руйнування матеріалу зумовлено лише корозійними процесами, залежними проте від інтенсивності руху рідини. За A А_th (v v_th) швидкість КЕР визначається вже двома складовими: ерозійним зношуванням (викришуванням металевих частинок), та корозійними втратами, які інтенсифікуються механічною активацією кавітованої поверхні, про що свідчить подальше зниження R_p (рис. 3). Таким чином на кривих W_st - А чи W_st - V (див. рис. 1) можна виділити дві області кавітаційного навантаження, розділені параметром А_th чи v_th відповідно. На відміну від області з нижчим рівнем кавітаційного навантаження для області з A А_th (v v_th) властива чітка структурна чутливість опору КЕР, що пояснюється структурною чутливістю сталі до руйнування шляхом викришування металевих частинок.

Порівняльний аналіз різних методів досліджень КЕР показав, що використання як вібраційних методик з регульованою амплітудою коливань, так і методики з обертовим диском з регульованою швидкістю обертання, дозволяє досліджувати КЕР з врахуванням корозійного чинника, а загальні закономірності впливу структури матеріалу, гідродинамічних умов, складу рідини на опір КЕР можна отримувати незалежно від методу випробувань.

З метою оцінки вкладу суто перемішування рідини в загальний ефект зростання швидкості електродних реакцій та корозії при кавітації досліджено кінетику катодних реакцій та розраховано поляризаційний опір дискового електроду зі сталі 30 у водогінній воді за різних швидкостей його обертанння. З ростом швидкості обертання електроду його стаціонарний потенціал зміщується в позитивний бік як і при кавітації, а поляризаційний опір падає від 4,2 до 2,0 кОм/см². Ефект зниження R_p співмірний з отриманим при кавітації, що свідчить про вирішальний вклад зміни дифузійних та концентраційних обмежень в інтенсифікацію КЕР при А нижчих від А_th.

Роль корозійного чинника в процесах КЕР проілюстровано впливом складу водних середовищ на опір руйнуванню. Відповідно до діаграми Пурбе для системи залізо-вода зниження рН води від 7 до 2,2 різко інтенсифікує швидкість КЕР сталі. З підвищенням рН до 12,8 опір КЕР зростає. В розчині з рН 13,7 опір КЕР вже знижується і практично досягає рівня, властивого розчину з рН 7. Отримані результати вказують на те, що термодинамічні умови, які визначають можливість перебігу певних електрохімічних реакцій та утворення тих чи інших поверхневих плівок на деформованій поверхні сталі, суттєво впливають на її опір КЕР.

Введення в водні розчини інгібіторів корозії, які впливають і на перебіг електродних реакцій, і на властивості плівок, спричиняють загалом позитивний ефект на КЕР сталі 30ХГСНА. Окислювач-пасиватор K₂Cr₂O₇ впливає тільки за низьких значень А. Його висока пасиваційна здатність зумовлює утворення фазових плівок з високими захисними властивостями, що й забезпечує високий опір КЕр за низьких рівнів амплітуди коливань магнітостриктора. Однак зі збільшенням А швидкість КЕР стрімко наростає і досягає W_st в неінгібованій воді, очевидно, через руйнування фазових плівок, з якими в об'єм розчину інтенсивно виноситься окислений метал. Вищий інгібуючий ефект отримано при використанні піперидину. В розчині піперидину руйнування поверхневої плівки полягає в руйнуванні адсорбційних зв'язків, тому не супроводжується виносом металу в розчин. Репасивація поверхонь відбувається шляхом ефективного їх екранування адсорбованими молекулами і, очевидно, з достатньо великою швидкістю, оскільки і за високих значень А швидкість КЕР залишається низькою.

У четвертому розділі викладено закономірності КЕР сталей залежно від їх рівня міцності та природи рідини.

Дослідження сталей 12Х1МФА та 30ХГСНА в воді, ацетоні та в гасі показали, що опір КЕР в неводних середовищах кардинально вищий, ніж у воді. Проте різні фізичні властивості різних середовищ зумовлюють і різне кавітаційне навантаження за однакової амплітуди А. В роботі деформівний вплив середовищ на кавітовану поверхню оцінювали по зміні мікротвердості Н протягом інкубаційного періоду. Кавітація зумовлює інтенсивне знеміцнення поверхні сталей. Незалежно від системи метал-середовище виявлено певне значення А, нижче якого зміни мікротвердості вже не спостерігалися. Воно залежить від рівня міцності сталі та природи рідини і може бути рівним (вода) або нижчим (гас, ацетон) порогового А_th, вище якого в розчині появляються металеві частинки. Звідси КЕР сталі шляхом виносу металевих частинок в розчин можливе тільки за таких гідродинамічних умов, які спричиняють пластичне деформування її поверхневого шару.

Дослідженнями сталі в корозійно-інертних гасі та ацетоні, які характеризуються різними фізичними властивостями, оцінено вплив суто механічного чинника на КЕР. Характеристики опору КЕР сталі в цих рідинах дещо різняться між собою в зв'язку з їх різним деформівним впливом, що підтверджено вимірюванням Н. З іншого боку порівняння КЕР у водних та неводних середовищах показало, що навіть за однакового ефекту зниження Н (однакового механічного впливу середовища) швидкості КЕР у неводних середовищах на два порядки нижчі, ніж у воді, що відображає вклад саме корозійного чинника в останньому випадку.

Вимірюваннями мікротвердості окремих структурних складових сталі 12Х1МФА встановлено, що Н перлітних зерен суттєво падає, а феритних спершу зростає, потім зменшується, проте стабілізується на рівні, вищому за вихідний. Це вказує на неоднорідність деформації поверхні під впливом кавітації і, відповідно, на важливість врахування локальних механічних характеристик, зокрема, мікротвердості.

В умовах кавітації поверхневі шари сталі можуть зазнавати мікроструктурних змін. Так, стосовно сталі 12Х1МФА її вихідна структура ферито-цементитної суміші перлітних зерен трансформується протягом інкубаційного періоду і ідентифікується як феритна з включеннями карбідів. Кількість перлітних зерен зменшується в 2-3 рази, а мікротвердість “колишніх” перлітних зерен навіть нижча, ніж феритних. Разом з тим слід зазначити, що якщо деформаційний вплив може поширюватися на глибину поверх 1мм, то структурні зміни локалізовані тільки в поверхневих зернах.

Попереднє електролітичне наводнювання збільшує інкубаційний період, проте неоднозначно впливає на швидкість КЕР сталі 30ХГСНА в залежності від її структурного стану: зменшує W_st за випробувань відпалених зразків і підвищує у випадку низьковідпущеної сталі. Збільшення інкубаційного періоду пояснюється, очевидно, зміцнюючою дією водню. Особливо чітко вона проявляється на пластичних сталях, що зумовлює позитивний ефект наводнювання також стосовно швидкості КЕР відпалених зразків. У випадку високоміцної сталі з низьким рівнем пластичності домінуючу роль вже відіграє окрихчуюча дія водню.

Під дією температурно-силового чинника кавітації на ювенільних ділянках поверхні сталі можуть розкладатися компоненти рідкого середовища. Продукти їх деструкції можуть модифікувати захисні плівки, змінюючи їх властивоті. В користь подібного висновку служать випробування сталі 12Х1МФА у 5%-ному розчині K₄[Fe(CN)₆], відомому як інгібітор корозії. Виявлено різке покращення характеристик КЕР: інкубаційний період зростає від 20 до 700 хв, а швидкість W_st знижується від 210^-7 до 710^-9 г/хв мм². Поляризаційний опір підвищується від 7 до 190 кОм/см², мікротвердість збільшується протягом 45 хв кавітації амплітудою коливань 10 мкм від 1,95 до 2,85 ГПа. Для з'ясування природи такого впливу зразок попередньо піддавали кавітації в розчині K₄[Fe(CN)₆] впродовж 210 хв, а потім експеримент продовжували в воді. Встановлено суттєве зростання _і (90 хв проти 20 хв за випробувань у воді без попередньої обробки в розчині K₄[Fe(CN)₆]). В той же час витримка зразка впродовж 4 год в даному розчині без кавітації не змінює параметрів R_p та Н чи опору КЕР за наступних випробувань у воді. Звідси отримані ефекти пов'язані не з адсорбцією, а з утворенням фазової плівки з високими механічними та захисними властивостями.

Зниження температури відпуску сталі в загальному підвищує опір КЕР як в інгібованій, так і у неінгібованій воді. При цьому інгібування набагато ефективніше підвишує опір КЕР‚ ніж зміна структури сталі від перліту до мартенситу‚ яка супроводжується збільшенням границі міцності в декілька разів.

Фрактографічні дослідження кавітованих в інгібованій воді поверхонь високоміцної сталі 30ХГСНА (відпуск 350 ⁰С) виявив, що при А A_th на поверхні можна побачити поодинокі тріщини, незважаючи на відсутність вагових втрат. Швидкості росту тріщин є спочатку вищими, а потім спадають (рис. 8). Підвищення амплітуди до значень, які зумовлюють КЕР, спричиняє галуження тріщин. В подальшому в місцях галуження відбувається вирив частинок металу. Початок такого руйнування поверхні співпадає із закінченням інкубаційного періоду.

Можна припустити‚ що в інгібуваному розчині переважає дія механічного чинника. В зв'язку з цим структурна чутливість опору КЕР корелює, як показав аналіз, зі структурною чутливістю опору малоцикловій утомі сталі. І навпаки‚ у неінгібованому середовищі опір КЕР різко зменшуються‚ тобто має місце перехід від мало- до багатоциклової області навантаження‚ а це вже передбачає кореляцію КЕР з умовною границею витривалості _-1с. Проте така кореляція відсутня‚ оскільки для КЕР необхідне пластичне деформування поверхні матеріалу. Остання умова є достатньою тільки для неінгібованої води з сильним проявом корозійного чинника. Тоді середовище полегшує викришування металу за рахунок інтенсифікації корозійно-механічного руйнування. Оскільки роль поверхневих тріщин при кавітації зводиться до вириву частинок матеріалу з поверхні, цьому сприяє їх галуження. Звідси другою необхідною умовою КЕР є досягнення тріщиною критичної глибини і галуження. Якщо середовище є корозійно-неактивним‚ виконання такої умови можливе тільки при значно вищих амплітудах А. Різке зниження опору КЕР при переході від інгібованого до неінгібованого середовища вказує на суттєвий вплив корозійного чинника саме шляхом інтенсифікації росту коротких втомних тріщин.

П'ятий розділ присвячено розробці методів захисту конструкційних сталей від КЕР у водних середовищах.

Досліджували ефективність ряду інгібіторів-амінів: морфолін, діетиламін, піперидин, а також Корсол-1М. Розчин з добавкою морфоліну, який відомий як інгібітор КЕР, використовували як базовий для порівняння. Діетиламін і піперидин відомі як ефективні інгібітори корозії. Композицію Корсол-1М, розроблену в ФМІ НАНУ, використовують в замкнутих водооборотних системах як ефективний інгібітор корозії, солевідкладення та корозійної втоми.

Інгібування води впливає позитивно на всі параметри КЕР сталі 30ХГСНА (відпал). Ефект залежить від концентрації, а за однакової концентрації зростає зі зменшенням амплітуди коливань. Вплив морфоліну і диетиламіну приблизно однаковий. Суттєво вищий інгібувальний ефект спостерігається для піперидину та Корсол-1М. Співставлення характеристик КЕР сталі в воді, інгібованій Корсол-1М та піперидином концентрації 0,15 М/л, показало, що останній ефективніший лише при низьких рівнях А, проте при високому А = 30 мкм швидкість КЕР в обох інгібованих розчинах практично однакова. Таким чином, композиція Корсол-1М виступає як ефективний інгібітор ще й кавітаційної ерозії.

Отримані результати електрохімічних досліджень підтвердили високі інгібувальні властивості Корсол-1М, проте в процесах КЕР він виступає як інгібітор анодного типу. Незначний вплив Корсол-1М на катодний процес при кавітації зумовив низьку його ефективность при КЕР сталей мартенситної структури, оскільки остання чутлива до водневого окрихчення в водних середовищах.

Запропоновано нову методику прогнозування впливу інгібіторів на КЕР, яка базується на встановленні кореляції між величиною заряду g₀ репасивації деформованих поверхонь і харатеристиками КЕР.

Найбільш тісно показник g₀ корелює з інкубаційним періодом. Це вказує на те, що час до появи перших кавітаційних пошкоджень визначається кінетикою анодного розчинення. Параметри g₀ і _і корелюють між собою не тільки при переході в ряду амінів від морфоліну до піперидину та при зміні їх концентрації, але і при переході до інгібітора іншого класу - Корсол-1М. Дещо гірша кореляція між g₀ та W_st (рис. 10). Це пояснюється, можливо, вкладом стадії росту тріщин в загальну кінетику КЕР.

Про можливості керування впливом корозійного та механічного чинників у процесах КЕР можна судити по діаграмі W - A. Крива 1 приблизно характеризує опір КЕР вуглецевих і низьколегованих сталей у відпаленому стані, які широко використовують у водогінних системах. Підвищуючи їх механічні властивості шляхом термообробки, можна ослабити вклад механічного чинника. Крива ілюструє можливості збільшення опору КЕР використанням корозійностійких сталей. Підвищення корозійних характеристик сталі забезпечує порівнянно з механічними набагато вищий захисний ефект. Проте аналогічного результату можна досягнути і стосовно низьколегованих сталей в низькоміцному стані, подавляючи корозійний чинник інгібуванням середовища. Однак максимальний опір КЕР спостерігається у випадку термічно зміцненої сталі в інгібованій воді, коли ослабляється вплив як механічного, так і корозійного чинників.

Висновки

кавітація конструкційний сталь інгібіторний

Для вуглецевих та низьколегованих сталей встановлено дві області кавітаційного навантаження за характером впливу корозійного чинника на процес КЕР у воді. За низької інтенсивності кавітація стимулює корозійне руйнування сталей внаслідок послаблення дифузійних та концентраційних обмежень, а також руйнування захисних плівок. За високої інтенсивності кавітація додатково інтенсифікує механічне руйнування сталей шляхом викришування металевих частинок.

Кавітаційні умови початку ерозії у воді низьколегованих сталей шляхом викришування металевих частинок співпадають з умовами, які зумовлюють пластичне деформування кавітованої поверхні (зміну мікротвердості).

Показано широкі можливості підвищення опору КЕР вуглецевих та низьколегованих сталей шляхом управління корозійним чинником процесу КЕР. Так, зміною рН води від 2,2 до 12,8 можна зменшити швидкість КЕР сталі 30ХГСНА на порядок, тоді як зміною її структури від перліту до мартенситу - тільки в 2 рази.

Кавітаційна ерозія пов'язана з наявністю на кавітованій поверхні сталей мікротріщин, закономірності росту яких подібні до росту коротких тріщин при втомі. Необхідною умовою ерозійного руйнування - вириву локального об'єму металу, є галуження мікротріщин.

Виявлено інверсію впливу попереднього наводнювання на швидкість КЕР від рівня міцності сталі - позитивний за низької міцності, та негативний - за високої. Однак в обох випадках наводнювання збільшує інкубаційний період.

Встановлено важливу роль процесів електрохімічної релаксації ювенільних поверхонь в процесах КЕР сталей у водних середовищах. На основі кореляційних залежностей між параметрами КЕР та величиною заряду релаксації деформованої поверхні запропоновано метод оцінки корозійно-ерозійної агресивності водних середовищ та прогнозування захисного ефекту інгібіторів.

Показано перспективи інгібіторного захисту конструкційних сталей від КЕР у воді із домінуючим впливом корозійного чинника. Виявлено перевагу класу інгібіторів, які утворюють адсорбційні екрануючі плівки (аміни, фосфати), над окислювачами-пасиваторами, які утворюють фазові плівки.

Список опублікованих праць

1. Цирульник О.Т., Никифорчин Г.М., Жовнірчук В.М., Бассараб А.І. Метод оцінки ефективності інгібіторного захисту при корозійно-втомному руйнуванні // Зб. "Проблеми корозії і протикорозійного захисту конструкційних матеріалів". - Львів: Фізико-механічний інститут НАН України, 1996. - С. 229-232.

2. Бассараб А.І. Вплив природи та складу рідких середовищ на опір сталі кавітаційному руйнуванню // Зб. "Проблеми корозії і протикорозійного захисту конструкційних матеріалів". - Львів: Фізико-механічний інститут НАН України, 1998. - С. 174-175.

3. Цирульник О.Т., Бассараб А.І. Деформаційні процеси під час кавітаційного руйнування ферито-перлітної сталі // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1998. - №6. - С. 73-76.

4. Особливості корозійного та механічного впливу рідких середовищ на корозійно-ерозійне руйнування сталей / Г.М. Никифорчин, О.Т. Цирульник, А.І. Бассараб, Я.М. Гладкий // Проблеми трибології - 1999. - № 1. - С. 3-11.

5. Цирульник О.Т., Бассараб А.І. Структурна чутливість сталей до корозійно-механічного руйнування під час втоми та кавітації // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1999. - № 4. - С. 120-124.

6. Цирульник О.Т., Бассараб А.І. Деякі способи підвищення корозійно-ерозійної тривкості сталей в умовах кавітації // Машинознавство. - 1999. - № 4. - С. 30-35.

7. A new method for prediction of inhibitor protection against corrosion fatigue crack initiation in steels / H.M. Nykyforchyn, M. Schaper, O.T. Tsyrylnyk, V.M. Zhovnirchuk, A.I. Bassarab // Proc. of the Sixth Intern. Fatigue Congress "Fatigue-96". - Berlin: Pergamon Press, 1996. - v.I. - P. 679-684.

8. Nykyforchyn H.M., Tsyrulnyk O.T., Basssarab A.I. Peculiarities of corrosion-erosion fracture of pipeline steel // Proc. of the 11^th Europ. Conf. of Fracture. - Warley, EMAS. - V. 2.- 1996. - P. 1499-1504.

9. Цирульник О.Т., Бассараб А.І. Дослідження процесу тріщиноутворення в умовах корозійно-ерозійного руйнування конструкційних сталей // Зб. "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (випуск 2): в 3-х томах. Під заг. ред. Панасюка В.В. - Львів: Каменяр, 1999. - Т. 1. - С. 338 - 342.

Размещено на Allbest.ru