Основные показатели коррозии и методы оценки коррозионной стойкости

Коррозия приводит к изменению массы; механических, электрических, оптических, электрохимических свойств; состава и структуры, состояния поверхности металла. Эти изменения характеризует коррозионная стойкость (химическое сопротивление материалов). Коррозионная стойкость - способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Коррозионная стойкость определяется качественно и количественно - на основе показателей коррозии (скорость коррозии в данных условиях, время до достижения заданной степени коррозионных поражений), полуколичественно - группой или баллом стойкости по принятой в СНГ 10-бальной шкале. На основе этих показателей определяется срок службы, долговечность и надежность металлоконструкций.

Коррозионным эффектам или интегральным показателям коррозии соответствуют скоростные или дифференциальные показатели. Дифференциальные показатели находят как отношение изменения коррозионного эффекта или первую производную от времени графическими или аналитическими методами.

К качественным показателям коррозии относятся:

- визуальная оценка коррозионной стойкости - наблюдение внешнего вида образцов с фотографированием, зарисовкой или кратким описанием и наблюдение за изменениями в коррозионно-активной среде;

- микроисследования с целью установления характера коррозионного разрушения, наличие или отсутствие локальных коррозионных поражений (межкристаллитной, питтинговой коррозии, коррозионного растрескивания и т.д.);

- применение специальных реактивов, вызывающих окрашивание анодных и катодных участков корродирующей поверхности металла.

Среди количественных показателей прямым и наиболее надежным способом определения коррозионной стойкости является гравиметрический (весовой) метод, основанный на изменении массы образцов при испытаниях. Гравиметрическим методом определяется скорость коррозии -коррозионные потери единицы поверхности металла в единицу времени.

(Скорость коррозии, или скорость реакции ионизации металла, определяется числом грамм–частиц, реагирующих на поверхности металла в единицу времени. Поскольку поверхность металла имеет определенный микрорельеф, площадь “видимой” поверхности S, рассчитанной по геометрическим размерам, меньше истинной поверхности S₀, на которой протекает взаимодействие металла с коррозионной средой. Эти площади связаны соотношением: , где q – коэффициент шероховатости. Для идеально гладкой поверхности (например, жидкого металла) коэффициент равен единице и S=S₀. Для твердых металлов q>1. Значения S₀ и q трудно установить экспериментально, поэтому обычно в расчетах используют площадь “видимой” поверхности S, а число прореагировавших атомов заменяют массой окисленного металла.)

В зависимости от состояния продуктов коррозии используют различные варианты гравиметрического метода. Удельную потерю массы на единицу площадиопределяют по формуле:

, (1.2) где m₀ – масса образца до испытаний [кг, г], m_τ – масса образца после испытаний и удаления продуктов коррозии [м²]. Обычно удельную потерю массы выражают в . Для вычисления потери массы по увеличению массы образца необходимо знать состав продуктов коррозии.

При образовании легкоудалемых продуктов коррозии (механическими, химическими или электрохимическими методами), используют отрицательный показатель изменения массы, или скорость коррозии в данных условиях :

, (1.3) где m₀ и m_τ– масса образца до и после коррозионных испытаний и удаления продуктов коррозии соответственно, [г]; S – площадь окисленной поверхности металла, [м²]; τ – время испытаний, [ч]. (Данным методом возможно определение скорости сплошной, равномерной и неравномерной, местной и подповерхностной коррозии).

Если на поверхности металла образуются хорошо сцепленные с поверхностью трудноудаляемые продукты коррозии, то по приросту массы образца можно определить положительный показатель скорости коррозии:

, (1.4) где m₀ и m_τ – масса образца до и после коррозионных испытаний вместе с продуктами коррозии соответственно, г; S – площадь окисленной поверхности металла, м²; τ – время испытаний, ч.

Определив состав продуктов коррозии металла, можно пересчитать положительный показатель изменения массы в отрицательный и наоборот:

, (1.5) где A_Ме , A_ок – масса грамм–атома металла и окислителя соответственно; n_Ме и n_ок – валентность металла и окислителя соответственно.

Другим прямым и широко используемым на практике методом определения коррозионной стойкости является скорость проникновения коррозииили глубинный показатель коррозии К_H:

, (1.6)

где H - глубина коррозионного разрушения (проникновение коррозии) [мм], определяемая непосредственным измерением (штангенциркулем, микрометром, микроскопом, УЗК и т.п.), в единицу времени - τ [ч]. (При сплошной коррозии с постоянной скоростью показатель называется линейной скоростью коррозии, . Глубинные показатели носят более универсальный характер и ими определяют скорости локальной коррозии).

Зная отрицательный и глубинный показатель можно определить время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину ( ), и время проникновения коррозии на допустимую глубину ( ).

При равномерной коррозии отрицательный показатель (в г/м^2.ч) и глубинный показатель связаны соотношением:

, (1.7) где d_Me – плотность металла, [г/см³].

Для качественной и количественной оценки коррозионной стойкости металла в конкретных условиях рекомендуется использовать шкалу коррозионной стойкости металлов (приложение, табл. 1), в которой единицей коррозионной стойкости является балл. Шкала имеет 10 баллов и носит сравнительный характер.

Волюметрический (объемный) метод основан на измерении объема выделившего газа в результате коррозии и позволяет определить водородный показатель коррозии (объем выделившегося в результате коррозионной реакции водорода), и кислородный показатель (объем поглощенного в результате коррозии кислорода). Объемные показатели представляют собой отношение объема ΔV выделившегося или поглощенного газа с единицы поверхности в единицу времени, приведенного к нормальным условиям (Т=273 К, Р=1,013·10⁵ Па):

, (1.8)

Объемный показатель коррозии связан с положительным соотношением:

, (1.9) где М_Ги V_М– молекулярная масса и объем моля газа (22400 см³) при нормальных условиях; 10⁴ – коэффициент пересчета см³ в м³.

К интегральным показателям коррозии относятся механические показатели коррозии, К_М, отношение изменения механических свойств до и после коррозии в % (например, прочностной):

, (1.10)

где Δσ_В = σ – σ_В , σ и σ_В – предел прочности металла до и после коррозионных испытаний соответственно.

Механические показатели применяются для оценки межкристаллитной коррозии, коррозионного растрескивания, коррозионной хрупкости, и т.п.

Изменение электрического сопротивления металла при коррозии в течение определенного времени применяют в качестве показателя коррозии:

, (1.11)

где ΔR=R_τ – R₀, R₀ и R_τ – электрическое сопротивление образца до и после коррозионных испытаний в течение времени τ.

Данный показатель можно использовать как для общей коррозии, так и локальной (межкристаллитной, питтинговой). При использовании этого показателя важно учитывать, что электрическое сопротивление зависит структурного состояния металла (сплава), поэтому оно не должно изменяться в процессе коррозионных испытаний (например, распад твердого раствора какого–либо компонента сплава при высокотемпературных испытаниях).

Другими показателями могут быть ухудшение отражательной способности, время до появления первого коррозионного поражения и т.д.

При локальных видах коррозии (питтинговой, коррозии пятнами, расслаивающей коррозии), а также при коррозии изделий с покрытиями, в качестве показателей коррозионной стойкости используют степень поражения поверхности за определенное время или в единицу времени, или очаговый показатель коррозии:

К_S = , (1.12)

где S_i и n_i – площадь и количество коррозионных поражений.

Для оценки коррозионной стойкости покрытий и питтинговой коррозии площадь коррозионных поражений определяют для каждого типоразмера коррозионного очага с последующим ранжированием результатов и оценкой по специальным 10-бальным шкалам коррозионной стойкости, в которых баллы присваиваются в зависимости от степени и количества коррозионных поражений.

Скорость электрохимической коррозии может быть выражена в виде токового показателя коррозии i – плотности анодного тока, соответствующего скорости данного коррозионного процесса, – применяют для исследования электрохимической коррозии. Связь между связь между величиной i (А/см²) и отрицательным показателем изменения массы (г/м²_·ч) устанавливается на основе закона Фарадея:

, (1.13)

где n – валентность металла, переходящего в раствор; F = 26,8 А_·ч/г–экв – постоянная Фарадея, A_Me – атомная масса металла, г; 10⁴ – коэффициент пересчета.

Данный показатель определяется на основе поляризационных кривых или непосредственно – приборами коррозиметрами (например, типа “КМ-МИСиС” и др.) с автоматическим пересчетом на глубинный или весовой показатели.