Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением в магниевых сплавах

Магний и его сплавы в последнее время становятся все более популярными и перспективными материалами конструкционного и медицинского назначения. По информации базы данных Scopus за последние 20 лет тематике магниевых сплавов посвящено более 184 тысяч публикаций. Такая популярность обусловлена их уникальным комплексом физических и механических свойств. Как известно, магниевые сплавы обладают высокой удельной прочностью, в связи с чем они весьма привлекательны для применения в транспортных отраслях промышленности, например, автомобиле- и авиастроении, в космической отрасли, где масса конструкции является одной из важнейших характеристик. Тем не менее, массовое применение деформируемых сплавов на основе магния в промышленности ограничено, в частности, их низкой стойкостью к общей коррозии и, что принципиально важно, к еще более опасному явлению: коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН). Коррозионное растрескивание под напряжением – это преждевременное разрушение материала при одновременном воздействии напряжений (внутренних или внешних) и агрессивной среды. Опасность КРН заключается в том, что происходит оно внезапно и зачастую без видимой пластической деформации, что исключает возможность прогнозирования таких разрушений поэтому коррозионное растрескивание элементов ответственных конструкций может привести к необратимым и даже трагическим последствиям. В связи с этим, исследования, направленные на повышение стойкости магниевых сплавов к коррозионному растрескиванию на данный момент являются весьма актуальными. Для разработки научно-обоснованных принципов дизайна магниевых сплавов, обладающих повышенным сроком эксплуатации в агрессивных средах необходимо глубокое понимание механизмов зарождения и распространения трещин в таких материалах в условиях КРН. Согласно одной из наиболее популярных теорий КРН, фактически, является частным случаем водородной хрупкости (ВХ), т.е. зарождение и рост трещин происходит под действием водорода, который проникает в магний из коррозионной среды. Однако в отношении магния понимание природы этого явления в настоящее время находится на крайне низком уровне. В частности, на данный момент нет четкого понимания механизма воздействия водорода на коррозионное растрескивание магниевых сплавов. Кроме того, неизвестна минимальная опасная концентрация водорода в магнии, необходимая для начала проявления КРН. Вместе с тем, вопрос возможности диффузии водорода в магнии при комнатной температуре до сих пор является открытым, что вовсе ставит под сомнение возможность реализации механизмов водородной хрупкости, включающих диффузию водорода в металле, в процессе коррозионного растрескивания магниевых сплавов.

Несмотря на то, что классическими механическими испытаниями на КРН считаются испытания непосредственно в коррозионной среде, в последнее время зачастую для исключения влияния коррозионного воздействия в процессе нагружения, применяют методику механических испытаний на воздухе образцов, предварительно выдержанных в коррозионной среде. Предполагается, что в процессе предварительной выдержки в среде материал насыщается водородом, а в результате последующих механических испытаний будет наблюдаться, так называемая, предэкспозиционная хрупкость (ПХ) («pre-exposure embrittlement» англ.), которая предположительно вызвана воздействием водорода. Однако степень влияния состава коррозионной среды, а также длительности предварительной выдержки образцов на свойства магниевых сплавов до сих пор не изучены. Кроме того, не исследовано влияние продуктов коррозии на поверхности предварительно выдержанных в агрессивной среде образцов на характеристики магниевых сплавов, испытанных на воздухе. Комплексное исследование, включающее механические испытания магния и его сплавов разных марок в условиях КРН и на воздухе после предварительной выдержки в коррозионной среде, в том числе после удаления продуктов коррозии, при различных скоростях деформации и с использованием различных агрессивных растворов, а также газовый и фрактографический анализ, позволило бы существенно повысить уровень понимания природы коррозионного растрескивания под напряжением магния и его сплавов, что в свою очередь должно способствовать созданию перспективных деформируемых магниевых сплавов стойких к КРН с повышенным ресурсом эксплуатации в агрессивных средах.

В качестве объектов исследования выбраны: технически чистый магний в литом состоянии, промышленные магниевые сплавы МА14 (ZK60) в состоянии после экструзии и МА2-1 (AZ31) после горячей прокатки.

1. На основе анализа литературных источников разработаны подходы к решению поставленной цели.
2. Оценено влияние величины зерна, состава коррозионной среды и предварительной пластической деформации на КРН магния и его сплавов.
3. Определено влияние времени предварительной выдержки в коррозионной среде, состава среды и скорости деформации на предэкспозиционную хрупкость магния и его сплавов.
4. Установлено влияние продуктов коррозии, образовавшихся в процессе предварительной выдержки в коррозионной среде разного состава, и характера их распределения на предэкспозиционную хрупкость магния и его сплавов.
5. Проведено фрактографическое исследование для выявления особенностей формирования поверхности разрушения магния и его сплавов при испытаниях на воздухе и в коррозионной среде, а также на воздухе после предварительной выдержки в агрессивном растворе.
6. Оценено влияние величины зерна, предварительной пластической деформации и продуктов коррозии на концентрацию диффузионно-подвижного водорода в магнии его сплавах.

• Результаты исследования частичного или полного восстановления пластичности по итогам механических испытаний на воздухе образцов исследуемых материалов, предварительно выдержанных в коррозионной среде и очищенных от продуктов коррозии, позволили установить, что ключевую роль в механизме ПХ играет наличие продуктов коррозии, а именно, их состав, морфология и толщина слоя на поверхности магниевых сплавов.
• Впервые был установлен факт наличия продуктов коррозии на поверхности разрушения образцов, испытанных на воздухе после предварительной выдержки в коррозионной среде.
• На основе анализа экстракционных кривых выхода водорода в образцах исследуемых материалов в различных состояниях экспериментально доказано, что диффузионно-подвижный водород не проникает в матрицу магния и его сплавов, а концентрируется в продуктах коррозии на поверхности металла.
• В результате проведения комплексного исследования установлено что диффузионно-подвижный водород либо вообще не участвует в механизме коррозионного растрескивания магния и его сплавов, либо его роль незначительна.

1. Полученные в работе новые данные о природе коррозионного растрескивания магния и его сплавов могут быть использованы при создании деформируемых магниевых сплавов с повышенным ресурсом эксплуатации в агрессивных средах.
2. Установленная в работе зависимость механических характеристик от наличия и свойств продуктов коррозии на поверхности исследуемых материалов может быть использована для повышения стойкости деформированных магниевых сплавов к КРН и ПХ.
3. Разработанные в ходе выполнения работы методические приемы по оценке содержания водорода в основном металле магниевых сплавов после выдержки или испытания в коррозионной среде могут послужить основой для создания соответствующей методики.
4. Результаты исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет» и используются для подготовки бакалавров по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов».

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: LXI и LXII Международные конференции «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2019, 2021), Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» (Брест, Беларусь, 2019), Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» (Минск, Беларусь, 2021), The 4th Russia-Japan international seminar on advanced materials (RJISAM-IV) (Кумамото, Япония, 2018), 3rd international conference on structural integrity (Функал, Мадейра, Португалия, 2019), International conference «Advanced Materials Week» (Санкт-Петербург, 2019).

Работа выполнена в Тольяттинском государственном университете на научно-исследовательской базе НИИ «Прогрессивных технологий» при поддержке гранта РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» соглашение № 18-19-00592 «Научные основы проектирования высокопрочных деформируемых магниевых сплавов с повышенной стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением и водородной хрупкости».