Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние химического состава углеродистых и низколегированных сталей на их коррозионную стойкость

03.04.2019


Химический состав углеродистых и низколегированных сталей определяет их механические свойства и в ряде случаев влияет на коррозионную стойкость. Именно поэтому для изготовления оборудования нефте- и газоперерабатывающих заводов допускается использовать стали только группы В по ГОСТ 380—71, для которой требования не только по механическим свойствам, но и по химическому составу являются обязательными.

Основным легирующим элементом, оказывающим наибольшее влияние на свойства конструкционных сталей, является углерод. Влияние остальных элементов менее значительно. Значение углерода можно рассматривать с двух точек зрения: с позиции его влияния, во-первых, на степень равновесности феррита, представляющего основу (матрицу) стали, и, во-вторых — на степень гетерогенности, в том числе и электрохимической, самого металла.

Растворимость (равновесное содержание) углерода в нелегированном феррите при температурю +20...+100°C составляет примерно 0,004%. С повышением температуры растворимость углерода в феррите увеличивается. При температуре 723°С она составляет 0,02%. При более высокой температуре весь углерод, содержащийся в стали, может перейти в растворенное состояние. При ускоренном охлаждении стали с высокой температуры, когда скорость охлаждения оказывается выше скорости диффузии углерода из пересыщенного раствора, часть углерода остается (фиксируется) в решетке а-Fe, деформируя ее и снижая ее равновесность и термодинамическую устойчивость. Таким образом, уровень неравновесности стали зависит не от общего содержания углерода в металле, а от степени пересыщения твердого раствора, увеличиваясь с ее повышением. Увеличение степени пересыщения твердого раствора приводит к сильному искажению кристаллической решетки, повышает уровень микронапряжений и плотность дислокаций. Это в свою очередь несколько повышает способность металла растворяться (склонность к общей коррозии) и сильно увеличивает склонность к развитию коррозионного растрескивания.

Изменение степени гетерогенности стали с увеличением содержания в ней углерода связано с тем, что при медленном охлаждении металла избыточный по сравнению с равновесным содержанием углерод практически полностью выделяется из твердого раствора в виде карбида железа или цементита Fe3C. Электродный потенциал цементита существенно положительнее потенциала матрицы. Это создает предпосылки для возникновения электрохимической неоднородности поверхности металла, а следовательно, и для его коррозии.

Скорость коррозии стали при отсутствии возможности пассивации поверхности, например в неокисляющих кислотах, монотонно возрастает по мере повышения содержания углерода, за счет повышения гетерогенности поверхности (рис. 5.9, а). Если металл работает в среде, которая может пассивировать поверхность, например в окисляющей кислоте, зависимость скорости коррозии от содержания углерода в стали носит экстремальный характер. Увеличение содержания углерода настолько активизирует коррозионный процесс, что появляется некоторое пороговое значение содержания углерода, превышение которого уже приводит к пассивному состоянию металла (рис. 5.9, б).
Влияние химического состава углеродистых и низколегированных сталей на их коррозионную стойкость

Увеличение содержания углерода отрицательно сказывается и на стойкость стали к растрескиванию. Цементитные включения препятствуют пластической деформации стали, создавая предпосылки для хрупкого разрушения. Кроме того, кристаллическая решетка феррита на границах включений искажена, уровень микронапряжений и плотность дислокаций повышен. Границы карбидов являются ловушками водорода. С увеличением содержания углерода в стали с 0,03 до 1,0% коэффициент диффузии водорода падает на 63%. На рис. 5.10 приведены зависимости, иллюстрирующие снижение сопротивления стали CKP при повышении содержания в ней углерода.

Размер, форма и распределение цементита в стали могут быть разными. Так, при одном и том же содержании углерода в стали диаметр частиц цементита может составлять от 1—10 мкм до 1 мм, а форма может быть как округлой (глобулярной), так и пластинчатой. Возможно как равномерное распределение карбидов, так и образование скоплений. Наиболее благоприятным с точки зрения коррозионной стойкости является структура с мелкодисперсными глобулярными карбидами, равномерно распределенными по телу зерна. Сталь с такой структурой подвергается при прочих равных условиях общей равномерной коррозии. Скопления крупных цементитных частиц создают существенную гетерогенность как всего металла, так и его поверхности, что может способствовать развитию локальных видов коррозии. Весьма значительно размеры, форма и распределение карбидов сказываются на сопротивлении стали коррозионному растрескиванию: сталь с относительно мелкозернистыми равномерно распределенными сферическими карбидами, менее подвержена коррозионному растрескиванию, в частности СКР, чем сталь со структурой, содержащей грубые глобулярные карбиды или пластинки (ламели) карбида.

Следует иметь в виду, что наиболее существенно содержание углерода в углеродистой и низколегированной стали сказывается на развитии коррозионного растрескивания. На остальные виды коррозии оно обычно влияет не очень сильно. То же можно сказать и о влиянии других элементов. Некоторое исключение составляет медь. Повышение ее содержания в стали до 0,3—0,5% увеличивает коррозионную стойкость стали (рис. 5.11). Это объясняют тем, что медь, накапливаясь на поверхности, образует катодные включения и таким образом смещает потенциал в сторону положительных значений. Кроме того, существенная электрохимическая гетерогенность поверхности способствует пассивации стали в окислительных средах.

Влияние элементов на стойкость сталей к коррозионному растрескиванию не всегда удается проследить в связи с тем, что химический состав — не единственный фактор, влияющий на стойкость к растрескиванию. Весьма существенны также термическая обработка и способ выплавки стали.

Влияние кремния на сопротивление KP связано, с одной стороны, с упрочнением феррита (кремний образует твердый раствор в феррите) и снижением таким образом сопротивления хрупкому разрушению, в том числе СКР. С другой стороны, кремний, являясь активным раскислителем, образует оксиды, которые иногда в виде пленок располагаются по границам зерен, ослабляя эти границы. В результате снижается сопротивление металла как вязкому, так и хрупкому разрушению. Увеличение содержания кремния практически не сказывается на диффузии и растворимости водорода в стали. Сопротивление стали KP, особенно СКР, по мере увеличения содержания кремния падает.

Влияние серы на сопротивление CKP связано с ее способностью образовывать вытянутые сульфиды, негативная роль которых в процессе разрушения рассмотрена в разделе 5.13. Кроме того, сульфиды активизируют процесс наводороживания стали и тем самым способствуют развитию KP.

Фосфор также способствует развитию KP. Он ослабляет границы зерен, образуя легкоплавкие комплексные соединения, выделяющиеся по этим участкам. Повышенное содержание фосфора в стали вызывает неравномерное распределение в ней карбидов, способствует развитию ликвации (неоднородности металла пo химическому составу). Наконец, фосфиды, так же, как и сульфиды, способствуют наводороживанию стали. В связи с этим склонность металла к KP, особенно к СКР, возрастает по мере повышения содержания в нем фосфора.

Роль марганца отрицательна и связана в основном с его способностью образовывать вытянутые сульфидные включения.

Алюминий используется главным образом как раскислитель. Продукты раскисления, как правило, имеют очень небольшие размеры, их много. При первичной кристаллизации стали они становятся центрами кристаллизации, благодаря чему сталь приобретает мелкозернистое строение. Алюминий снижает растворимость углерода в феррите и позволяет получить структуру стали с равномерно распределенными карбидами. Все это способствует повышению пластичности стали, сопротивлению хрупкому разрушению и повышению стойкости к KP. Поэтому в стали, предназначенные для работы во влажных H2S-содержащих средах, алюминий вводят в качестве легирующего элемента.

Влияние никеля неоднозначно. Небольшие количества никеля (до 1%) повышают стойкость стали к KP, особенно к СКР. He исключено, что, растворяясь в феррите, никель несколько увеличивает параметры решетки, что способствует некоторому повышению растворимости водорода в металле. Это должно благоприятно сказываться на сопротивлении металла KP. С другой стороны, никель снижает критическую скорость закалки стали, что способствует образованию неравновесных структур (бейнита, мартенсита), отрицательно сказывающихся на сопротивлении стали KP. Это негативное влияние никеля на сопротивление стали KP становится ощутимым при его содержании в металле выше 1%. В высоколегированных сталях роль никеля меняется.

Небольшие добавки карбидообразующих элементов (Mo, Ti, V, Nb, Cr) положительно сказываются на сопротивлении стали KP, вероятно за счет повышения степени равновесности феррита, а также измельчения и повышения равномерности распределения карбидной фазы.

Введение в сталь кальция и редкоземельных элементов (Ce) способствует глобулизации сульфидных включений и положительно сказывается на стойкости сталей к СКР.

На рис. 5.12 показано влияние отдельных элементов на стойкость низколегированной стали 20ХМ к водородному охрупчиванию, которое, в свою очередь, определяющим образом сказывается на стойкости к CKP (95).

Таким образом, влияние отдельных элементов на стойкость стали к коррозии является в большинстве случаев не непосредственным, а определяется влиянием этих элементов на состояние структурных и фазовых составляющих стали.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: