Почему алюминиевые сварные соединения подвергаются коррозии?

Коррозия сварных соединений

Коррозия — это повреждение или разрушение, вызванное химическим или электрохимическим взаимодействием металла с окружающей средой. Её разделяют на химическую и электрохимическую коррозию, причём наиболее распространённым видом коррозии является электрохимическая.

Сварные соединения могут подвергаться общей коррозии, локализованной коррозии или коррозии под действием напряжений. Общая коррозия затрагивает всю поверхность или её большую часть; когда скорость коррозии везде примерно одинакова, её называют равномерной коррозией. Локальная коррозия развивается преимущественно в определенных местах и гораздо быстрее, чем в других, как, например, при межкристаллитной коррозии или точечной коррозии. Напряжение усиливает коррозионное воздействие и может приводить к коррозии под действием напряжений и коррозионному растрескиванию под действием напряжений.

Общая коррозия предсказуема и относительно менее опасна. Локальная коррозия предсказать сложно, и она может привести к внезапному выходу из строя без явных предупреждающих признаков.

Характеристики коррозии сварных швов из алюминия

Алюминий, как правило, обладает хорошей коррозионной стойкостью, однако его поведение зависит от типа сплава, состава и условий эксплуатации. Нетермообрабатываемые алюминиевые сплавы, а также сплавы Al-Mn и Al-Mg обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем термообрабатываемые сплавы Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg. Сплавы Al-Cu-Mg и их сварные швы подвержены межкристаллитной коррозии, тогда как сплавы Al-Zn-Mg и их сварные швы — коррозии под напряжением и коррозионному растрескиванию под напряжением. Алюминиевые сплавы, как правило, устойчивы к атмосферной коррозии, но их характеристики ухудшаются в морской воде и в морском климате.

Межкристаллитная коррозия развивается вдоль границ зерен или в прилегающих к ним областях и часто предшествует коррозии под напряжением.

На поверхности может наблюдаться лишь незначительное повреждение, в то время как внутренняя сеть межзеренных трещин существенно снижает прочность. Основной причиной является осаждение второй фазы на границах зерен, что приводит к истощению запасов более благородного компонента в прилегающей области. Например, в дуралюмине Al-Cu-Mg осаждение CuAl₂ приводит к образованию зоны, обедненной медью. В общей среде металл с более отрицательным потенциалом становится гальваническим анодом и подвергается коррозии быстрее, тогда как металл с более положительным потенциалом, как правило, выступает в роли катода. Таким образом, микроструктурные изменения являются движущей силой электрохимической межкристаллитной коррозии. Коррозия под напряжением является наиболее важным фактором коррозии, который необходимо учитывать при контроле разрушений сварных алюминиевых конструкций.

Коррозионное разрушение алюминиевых сварных соединений под воздействием напряжений

Коррозионное растрескивание под напряжением

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) — это разрушение соединения под действием статического напряжения в коррозионной среде. Оно возникает в результате совместного воздействия напряжения (обычно растягивающего) и определённой среды. Соединение или конструкция могут самопроизвольно растрескиваться при напряжениях, значительно ниже предела текучести, и даже в слабокоррозионной среде. Поэтому это особенно опасная форма хрупкого разрушения при низких напряжениях.

Действующее напряжение представляет собой сумму остаточных напряжений, возникших в процессе изготовления и сварки, и эксплуатационных напряжений. Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) не возникает, если приложенное напряжение, коэффициент интенсивности напряжений K или J-интеграл находятся ниже соответствующего порогового значения — критического напряжения σ_SCC, пороговый коэффициент интенсивности напряжений K_ISCC, или пороговый интеграл J_ISCC. Существующая трещина, образовавшаяся в результате коррозионного растрескивания под действием напряжений, не будет распространяться ниже порогового значения. Когда коэффициент интенсивности напряжений на вершине трещины превышает K_ISCC, трещина возникает или растёт; разрушение наступает, когда рост трещины достигает критического состояния материала.

Процесс разрушения состоит из трёх этапов: зарождение трещины, стабильный субкритический рост и нестабильный рост. Точечная коррозия и межкристаллитное разрушение часто становятся источниками зарождения трещин и сокращают время их зарождения. Возникшая трещина разветвляется, как корни дерева; одна ветвь может превратиться в быстро растущую главную трещину, в то время как другие останавливаются или растут медленно. После образования трещина растёт с практически постоянной скоростью до момента возникновения механической нестабильности.

Зависимость скорости роста трещины da/dt от коэффициента напряженной интенсивности на вершине трещины K обычно имеет три области. В области I da/dt резко снижается по мере уменьшения K, и при значениях K ниже определенного предела рост трещины не происходит_ISCC. Регион II характеризуется стабильным ростом со скоростью da/dt_II. Когда K достигает значения вязкости разрушения K_IC, начинается Регион III, и нестабильный рост продолжает приводить к расколам.

С инженерной точки зрения, K_ISCC и da/dt_II являются полезными показателями сопротивления для материалов и сварных соединений.

На макроскопическом уровне трещина обычно расположена перпендикулярно главному напряжению и разветвляется. Накопление продуктов коррозии лишает металлического блеска место зарождения трещины и зону субкритического роста. В месте зарождения трещины могут наблюдаться точечная коррозия, межкристаллитная коррозия или дефект сварки. В конечной нестабильной зоне могут прослеживаться радиальные или шевронные узоры. На микроскопическом уровне трещины могут быть межзеренными, трансзеренными или смешанными в зависимости от условий окружающей среды и напряжений. На поверхностях разрушения часто сохраняются следы пластической деформации в виде узоров, напоминающих леденец, ракушку или перья.

Факторы, влияющие на SCC

1. Тип и состав материала

Высокопрочные сплавы, поддающиеся термической обработке, особенно сверхпрочные сплавы Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, крайне подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в сварных швах. Даже коррозионно-стойкие сплавы Al-Mg, не поддающиеся термической обработке, становятся уязвимыми при высоком содержании магния.

2. Подбор присадочного материала и основного металла

При выборе наполнителя часто уделяется особое внимание свариваемости, составу, прочности, пластичности и ударной вязкости. Это может привести к значительным различиям в составе и микроструктуре сварного шва и основного металла, а также к соответствующим электрохимическим различиям, которые могут повысить склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC).

3. Изменения в микроструктуре

Сварка может приводить к укрупнению зерен, плавлению на границах зерен и хрупкости на границах зерен в сварном шве, зоне плавления и зоне термического влияния. Такие неоднородные или неравновесные структуры могут повышать восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC). Термодинамически уравновешенная решетчатая структура, как правило, обладает наибольшей стойкостью, тогда как структура, удалённая от равновесия, является более уязвимой.

4. Остаточные напряжения после сварки

Остаточное напряжение оказывает значительное влияние. Даже в отсутствие внешней нагрузки остаточное растягивающее напряжение может оказаться достаточным для возникновения коррозионно-трещинного разрушения (SCC).

5. Дефекты сварки

Плоские дефекты, в частности трещины, возникшие при затвердевании или ликвидации, приводят к сильной концентрации напряжений. Их взаимодействие с остаточным растягивающим напряжением способствует быстрому развитию коррозионно-трещинного разрушения (КТР).

Поскольку состав, микроструктура и механические свойства сварного шва варьируются по всей его длине, его стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) зачастую оказывается ниже, чем у основного металла, даже при правильном подборе материала и контроле технологического процесса. Например, в жидкой среде, содержащей 3% и NaCl, σ_SCC/R_eL составляет 0,6 для алюминиевого основного металла и 0,5 для сварного соединения.

Предотвращение SCC в сварных соединениях

1. Проведите всесторонний подбор конструкционных материалов. Учитывайте эксплуатационные характеристики, физико-химические и технологические свойства, свариваемость и коррозионную стойкость. Проведите испытания основного металла K_IC и K_ISCC при необходимости.
2. Тщательно подбирайте сварочные материалы. Помимо мер по предотвращению дефектов и механических требований, необходимо оценить экологическую совместимость, коррозионную стойкость и склонность сварного шва и соединения к коррозионно-трещинообразному разрушению (SCC). Испытание K_IC и K_ISCC в каждой зоне соединения, если это необходимо.
3. Снизить остаточное напряжение. Любые технологические меры, позволяющие снизить или устранить остаточные напряжения, возникающие в результате сварки, способствуют предотвращению коррозионного растрескивания под напряжением (SCC).
4. Провести обработку после сварки. Сварные швы в таких сплавах, как Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, могут потребовать термообработки для улучшения микроструктуры и снижения подверженности коррозии. В некоторых условиях эксплуатации также требуется защита поверхности конструкции и сварного шва.