Коррозионностойкие и жаростойкие материалы : методы коррозионных исследований и испытаний

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2344 

Кафедра защиты металлов и технологии поверхности

Ю.А. Пустов 
А.Г. Ракоч 
 

Коррозионностойкие
и жаростойкие материалы 

Методы коррозионных исследований и испытаний 

Курс лекций 

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области материаловедения, 
техгнологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров и магистров 
150100 «Материаловедение и технологии материалов», 
а также инженеров, обучающихся по специальности 
150701 «Физико-химия процессов и материалов» 

Москва 2013 

УДК 620.193 
 
П89 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. Н.И. Полушин 

Пустов, Ю.А. 
П89  
Коррозионностойкие и жаростойкие материалы : методы 
коррозионных исследований и испытаний : курс лекций / 
Ю.А. Пустов, А.Г. Ракоч. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 128 с. 
ISBN 978-5-87623-744-6 

Излагаются цели, основные принципы подготовки и проведения коррозионных исследований и испытаний металлов и сплавов, дается описание экспериментальных методов изучения коррозии, получивших распространение как 
в отечественной, так и в зарубежной практике. Особое внимание уделено методам исследований и ускоренных испытаний на устойчивость локальным видам 
коррозионных разрушений, как наиболее опасных с точки зрения их влияния 
на технологические характеристики металлоконструкций и сооружений. 
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности 150701 «Физико-химия процессов и материалов», студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Физико-химия процессов и материалов»). Может быть рекомендован аспирантам, использующим различные 
методы исследований и испытаний для оценки коррозионного состояния разрабатываемых коррозионностойких сплавов и защитных покрытий. 
 
УДК 620.193 

ISBN 978-5-87623-744-6 
© Ю.А. Пустов, 
А.Г. Ракоч, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................5 
1. Общие сведения о методах исследований и испытаний 
металлов и сплавов на коррозионную стойкость.......................................6 
1.1. Теоретические и практические цели исследований 
и испытаний ..........................................................................................6 
1.2. Требования, предъявляемые к методам исследований 
и испытаний ..........................................................................................7 
1.3. Классификация коррозионных испытаний .................................8 
1.4. Основные принципы подготовки и проведения 
коррозионных испытаний..................................................................12 
2. Методы исследований коррозионных процессов............................22 
2.1. Гравиметрические методы..........................................................22 
2.2. Объемные методы........................................................................29 
2.3. Резистометрические методы.......................................................35 
2.4. Методы, основанные на измерении механических свойств....41 
2.5. Методы, основанные на исследовании состава и свойств 
коррозионной среды...........................................................................42 
2.6. Оптические методы .....................................................................44 
2.7. Электрохимические методы .......................................................48 
2.7.1. Измерение электродных потенциалов................................49 
2.7.2. Снятие поляризационных кривых.......................................55 
2.7.3. Кулометрические измерения ...............................................65 
2.7.4. Импульсные методы.............................................................69 
2.7.5. Измерение импеданса...........................................................71 
2.7.6. Некоторые методы подготовки поверхности образцов к 
электрохимическим измерениям...................................................75 
3. Коррозионные испытания..................................................................77 
3.1. Лабораторные коррозионные испытания..................................77 
3.1.1. Испытания при полном погружении ..................................77 
3.1.2. Испытания при переменном погружении ..........................82 
3.1.3. Испытания, имитирующие коррозию по ватерлинии.............84 
3.1.4. Испытания, имитирующие атмосферные условия ............84 
3.2. Полевые (внелабораторные) испытания....................................90 
3.2.1. Атмосферные испытания.....................................................90 
3.2.2. Испытания в естественных водных средах........................90 
3.2.3. Испытания в почве ...............................................................91 
3.2.4. Испытания в заводских условиях........................................93 

3.3. Эксплуатационные испытания...................................................94 
4. Испытания металлов на устойчивость к местным видам коррозии.....96 
4.1. Испытания на устойчивость к щелевой и питтинговой 
коррозии ..............................................................................................96 
4.1.1. Химические методы испытаний..........................................97 
4.1.2. Электрохимические методы испытаний.............................98 
4.2. Испытания на контактную коррозию ......................................102 
4.3. Испытания на коррозионное растрескивание.........................103 
4.4. Испытания на межкристаллитную коррозию .........................109 
4.4.1. Химические методы испытаний на устойчивость к 
межкристаллитной коррозии.......................................................110 
4.4.2. Электрохимические методы испытаний на устойчивость к 
межкристаллитной коррозии.......................................................118 
4.5. Испытания на устойчивость к расслаивающей коррозии............121 
Библиографический список.................................................................123 
Приложения ..........................................................................................124 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Интенсивное развитие металлоемких отраслей промышленности и 
ужесточение условий эксплуатации металлоизделий и конструкций, 
вызывающих их ускоренное коррозионное разрушение, сокращение 
металлофонда по причине его бесследного исчезновения от коррозии 
делает защиту металлов одной из актуальных проблем развития современного индустриального общества. 
Процессы коррозии необратимы и часто приводят к отказам различных машин и аппаратов, металлоконструкций, поэтому их необходимо 
обнаруживать на ранних стадиях, давать оценку коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития в случае непринятия мер по 
усилению коррозионной защиты. Установление причин коррозионного 
разрушения позволяет правильно выбрать метод защиты. 
Вместе с тем разработка защитных мероприятий, создание новых 
коррозионностойких материалов возможны лишь на основе глубокого понимания механизма и особенностей протекания коррозионных 
процессов и их взаимосвязи с различными внешними и внутренними 
факторами. Подобная информация может быть получена в процессе 
проведения специальных исследований и испытаний, базирующихся 
на передовых научных представлениях о коррозии и современных 
методах ее изучения. Результаты этих исследований и испытаний 
позволяют в сжатые сроки провести количественный анализ опасности усиления коррозии под воздействием (с учетом граничных и экстремальных условий) отдельных внешних и внутренних факторов, 
определяющих коррозионное поведение уже функционирующих, 
модифицируемых или вновь создаваемых защитных систем. 
Формы коррозионного разрушения многообразны, поэтому 
для исследования процессов коррозии применяется достаточно широкий круг физических, физико-химических и других методов. Выбор метода исследования зависит от цели исследования и возможностей соответствующей методики. Но главным критерием выбора метода является возможность объективной оценки способности конкретного материала сопротивляться коррозионному воздействию 
среды в данных условиях.  
Методы и строго регламентированное проведение ускоренных 
коррозионных исследований и испытаний при научно обоснованном 
их планировании является составной частью действенных и высокоэффективных средств быстрого поиска и отбора наиболее коррозионностойких материалов и покрытий.  

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
И ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 
НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ 

Основная задача специалистов в области коррозии и защиты металлов заключается в исследовании коррозионных процессов и разработке на их основе более эффективных мер защиты металлов 
и сплавов. Это можно сделать, используя последние достижения теоретической и экспериментальной физики, физической химии, материаловедения, применяя современную аналитическую аппаратуру 
для научных экспериментов, позволяющую создать более точные 
и простые методы изучения устойчивости металлов и конструкционных материалов их заменяющих к различным видам коррозии. Поэтому коррозионисту-исследователю необходимо хорошо ориентироваться среди большого числа разнообразных методов, уметь сформулировать конкретную задачу исследования, наметить основные 
этапы, пути и средства ее решения, грамотно провести экспериментальные измерения, сделать на основе анализа результатов обоснованные выводы и предложить соответствующие рекомендации 
по снижению воздействия коррозии на металл. 

1.1. Теоретические и практические цели 
исследований и испытаний 

При проведении исследований и испытаний металлов и сплавов 
на коррозионную стойкость в зависимости от поставленной задачи 
обычно преследуются следующие цели: 
1) определение механизма коррозионного процесса (химический, 
электрохимический, смешанный химико-электрохимический); 
2) установление агрессивного компонента рабочей среды, ответственного за химическое или электрохимическое разрушение 
металла (окислительная составляющая газовых атмосфер – О2, 
СО2, 
2
H − , водяной пар и др.; деполяризатор в растворах электро
лита – Н+·Н2О, О2, HSO 3

−  и др.); 
3) определение типа контроля коррозионного процесса (кинетический, 
диффузионный или смешанный – при химической коррозии; анодный, 
катодный или смешанный – при лимитирующем характере перенапряжения электродной реакции – при электрохимической коррозии); 

4) выявление основных внутренних (состав и структура сплава, состояние поверхности, наличие напряжений и др.) и внешних (состав 
коррозионной среды, скорости ее движения, температуры и др.) факторов, влияющих на коррозионную стойкость металла или сплава; 
5) выбор материала изделия для определенных условий эксплуатации 
с учетом как коррозионной стойкости, так и прочности, технологических 
свойств, стоимости и других характеристик данного материала; 
6) сравнение коррозионной активности различных сред по отношению к одному и тому же или нескольким материалам; 
7) проверка эффективности методов защиты металла от коррозии 
(коррозионностойкого и жаростойкого легирования, ингибирования, 
электрохимической защиты, надежности защитных покрытий и т.д.); 
8) корректировка состава и технологических режимов обработки 
новых корозионностойких сплавов; 
9) контрольные испытания при разработке коррозионностойких 
сплавов; 
10) проверка стойкости металлических изделий против определенных 
видов коррозии (например, нержавеющих сталей против межкристаллитной коррозии, алюминиевых сплавов к расслаивающей коррозии и т.п.); 
11) проверка эффективности методов защиты металла от коррозии 
(коррозионностойкого и жаростойкого легирования, ингибирования, 
электрохимической защиты, защитных покрытий т.п.). 
Цели, сформулированные в первых четырех пунктах, носят преимущественно теоретический характер. Остальные имеют практическую направленность, хотя такое разделение часто оказывается условным. 

1.2. Требования, предъявляемые к методам 
исследований и испытаний 

В связи с разнообразием видов коррозионных разрушений металлов и задач, решаемых при проведении коррозионных исследований 
и испытаний, создание универсальных методов считается нецелесообразным в связи с их сложностью и высокой стоимостью. Наиболее 
рациональным является создание системы методов, каждый из которых должен удовлетворять следующим требованиям: 
1) поставленная задача должна быть решена наиболее простым 
и надежным способом; если решение задачи требует использования 
сложных методик, то ее разбивают на ряд частных задач, для решения которых используют более простые методы; 
2) используемый метод должен находиться в соответствии с современными представлениями о механизме коррозии; в связи со сложно

стью коррозионных явлений формальное использование метода 
без учета особенностей протекающего процесса может привести к неправильной интерпретации полученных результатов; 
3) метод должен обеспечивать надежный контроль за всеми действующими факторами, что в конечном итоге определяет воспроизводимость результатов; 
4) метод должен воспроизводить коррозионное разрушение, характерное для данного материала в условиях эксплуатации; например, коррозия нержавеющих сталей в атмосферных условиях или слабокислых 
растворах носит точечный или межкристаллитный характер. Если метод 
исследования или испытания этого материала разработан таким образом, что сталь будет подвергаться равномерному коррозионному разрушению, то результаты опытов не могут быть использованы на практике, за исключением тех случаев, когда коррозия в условиях эксплуатации также носит равномерный характер; 
5) метод должен обеспечивать относительно простую и быструю 
расшифровку результатов, основанную как на прямых измерениях 
потерь металла, так и косвенных факторах, отражающих изменение 
состояния образцов после воздействия коррозионной среды. Во втором случае объективность и адекватность используемой методики 
исследования определяется ее научной базой, глубокой теоретической обоснованностью. 

1.3. Классификация коррозионных испытаний 

Коррозионные испытания классифицируют по следующим признакам: по общему характеру, продолжительности и виду получаемой информации и др.  
По общему характеру исследования и испытания могут быть разделены на три основные группы: 
1) лабораторные – исследования и испытания, проводимые на образцах испытуемых материалов в точно контролируемых, искусственно созданных условиях, однако они часто отличаются от условий, 
существующих на практике; обычно это ускоренные испытания; 
2) полевые – внелабораторные исследования и испытания образцов, проводимые в естественных, эксплуатационных условиях, в том 
числе природных (грунт, морская вода, атмосфера и т.п.); 
3) эксплуатационные – испытания готовых изделий, агрегатов, 
машин, сооружений и средств защиты в неконтролируемых условиях 
их реальной эксплуатации. 

Таким образом, для лабораторных и полевых методов исследований общим является объект исследования, а условия различны, в то 
время как для полевых и эксплуатационных испытаний условия одинаковы, а объектом изучения являются образцы и готовые изделия. 
Наиболее надежно факторы, влияющие на коррозионную стойкость, контролируются в условиях лаборатории. Однако полевые 
и эксплуатационные испытания в наибольшей степени соответствуют реальным условиям, в которых работают изделия: состав и свойства коррозионной среды, температура, периодическое смачивание 
и конденсация влаги на поверхности металла. Такие условия могут 
быть смоделированы и в лабораторных условиях, но это требует усложнения испытательной аппаратуры. 
Имея свои недостатки и достоинства, лабораторные, полевые 
и эксплуатационные исследования и испытания дополняют друг друга и в сочетании позволяют объективно оценить коррозионное поведение материала в тех или иных условиях. На первом этапе целесообразно проводить лабораторные испытания, затем полевые, а на завершающей стадии – эксплуатационные испытания.  
По продолжительности исследования и испытания делятся 
на длительные и ускоренные. 
Длительные испытания во времени соответствуют реальным условиям эксплуатации и могут проводиться в течение нескольких лет. 
Ускоренные испытания проводятся в искусственно созданных условиях, интенсифицирующих ход коррозионных процессов, протекающих при 
эксплуатации изделия. Увеличение скорости коррозии в этих испытаниях 
обычно достигают облегчением протекания контролирующей стадии коррозионного процесса, но обязательно без изменения характера контроля. 
Для получения достоверной информации необходимо применение 
обеих группа методов в совокупности. Совместный анализ результатов ускоренных и длительных исследований и испытаний позволяет 
в ряде случаев определить соответствующие пересчетные коэффициенты и избавить исследователя от необходимости проведения большого числа длительных испытаний. Сопоставление результатов ускоренных испытаний с данными по эксплуатации изделий из аналогичных материалов дает возможность прогнозирования коррозионной стойкости материалов в условиях эксплуатации. 
По виду получаемых результатов методы коррозионных исследований и испытаний могут быть разделены на качественные 
и количественные. 
К качественным методам относятся наблюдение за внешним видом образца, обнаружение анодных и катодных участков корроди

рующей поверхности. В эту же группу могут быть включены методы, основанные на определении времени до появления первого коррозионного очага и оценке доли площади поверхности образца, поврежденного коррозией, поскольку они, строго говоря, не дают сведений о скорости коррозионного процесса, а в основном характеризуют вероятность ее возникновения. 
Методы наблюдения за внешним видом образца используются для 
установления характера коррозионных поражений (равномерный, 
избирательный, локальный и др.) и подразделяются на визуальные, 
макро- и микроскопические. 
При проведении визуальных наблюдений фиксируют состояние 
образца, затем периодически регистрируют изменения внешнего вида его поверхности (появление на ней продуктов коррозии, их характер, распределение, цвет и вид), изменение цвета коррозионной среды (появление в ней продуктов коррозии, их окраска и количество). 
В конце исследования проводят осмотр образца как до, так и после 
удаления продуктов коррозии, причем на всех этапах испытания определяют долю пораженной поверхности, степень неравномерности 
глубины разрушения различных участков. Результаты наблюдений 
заносят в протокол, а наиболее характерные изменения поверхности 
металла фотографируют. 
Макроскопические исследования проводятся с помощью оптических 
приборов небольшого увеличения (×12–20), луп и бинокулярных микроскопов. В отличие от визуального наблюдения эти методы позволяют 
уточнить строение отдельного коррозионного очага, характер продуктов коррозии или, после их удаления, более точно установить локализацию коррозионных нарушений (около неметаллических включений, 
выделений вторых фаз, по царапинам и т.д.). Кроме того, макроисследование позволяет достаточно точно установить появление первых очагов коррозии и коррозионных трещин, начало выкрашивания и появления других разрушений. В некоторых случаях возможно получение 
пространственной картины развития коррозии, измерение толщины 
слоя продуктов коррозии и глубины питтинга.  
Микроскопические исследования обеспечивают подробное изучение избирательного и локального характера коррозии, межкристаллитного и внутрикристаллитного растрескивания, коррозионной усталости. При проведении таких исследований изготавливается металлографический шлиф, который при наличии соответствующей 
приставки к микроскопу помещается в агрессивную среду, и проводится фокусировка оптической системы. Для микроскопических ис

следований можно использовать вертикальные и горизонтальные металлографические микроскопы, дающие увеличение до 600–1300 раз. 
Современные металлографические микроскопы снабжены цифровыми фотокамерами, позволяющими получать снимки высокого качества, выводить изображение на экран монитора компьютера, обрабатывать и оценивать с помощью программы анализ изображений. Еще 
большие увеличения могут быть достигнуты применением растровых электронных микроскопов, обладающих высокой разрешающей 
способностью. Для качественных исследований кинетики коррозионного разрушения успешно применяется цифровая видеосъемка, 
с помощью которой изучается развитие сложных процессов диффузии, пассивации и других явлений во времени. 
Метод обнаружения анодных и катодных участков на поверхности корродирующего металла основан на образовании окрашенных 
соединений при взаимодействии специальных реактивов с продуктами коррозии. Он может быть использован при явно гетерогенном 
характере коррозии, т.е. при четком разделении анодных и катодных 
структурных составляющих, обусловленных, например, неравномерной деформацией, контактом с другим металлом, сложным фазовым 
составом сплава и т.п. В частности, для исследования коррозии железа применяется ферроксил-индикатор, представляющий собой водный раствор ферроцианида калия K3Fe(CN)6, (красная кровяная 
соль), фенолфтолеина (С20Н14О4) с добавками хлористого натрия 
и агар-агара (смесь полисахаридов агарозы и агаропектина – продукт, получаемый путем экстрагирования из красных и бурых 
водорослей, произрастающих в Черном и Белом морях, в Тихом 
океане). При воздействии индикаторов на чистую поверхность железа анодные участки окрашиваются в голубой цвет вследствие образования 
берлинской 
лазури 
(смесь 
гексацианоферратов 
(II) 
от KFe[Fe(CN)6] до Fe4[Fe(CN)6]3), а катодные участки − в розовый 
цвет из-за реакции фенолфталеина на локальное увеличение концентрации гидроксильных ионов. Существуют индикаторы для исследования коррозии сплавов на основе алюминия и других металлов. 
Следует отметить, что качественные методы могут давать и грубые количественные характеристики коррозионного разрушения, 
если, например, регистрируется скорость распространения продуктов 
коррозии по поверхности металла, глубина ее проникновения в металл, оцениваемые соответствующими величинами. Наиболее широко используемые количественные методы исследования коррозионных процессов будут рассмотрены в гл. 2. 

1.4. Основные принципы подготовки 
и проведения коррозионных испытаний 

Перед проведением коррозионных испытаний необходимо с учетом поставленной задачи и уже имеющихся данных выбрать метод 
оценки величины и скорости коррозионного разрушения, рабочие 
среды, длительность и условия испытаний, форму, размеры образцов, способы их подготовки и маркировки, а также решить ряд других методических вопросов, связанных с получением исходной информации об исследуемом материале (химическом составе, структурном состоянии, состоянии поверхности, технологических характеристиках), аппаратурном оформлении выбранной методики и способами обработки получаемых результатов. Некоторые из используемых для этого принципов в общем виде были сформулированы 
в предыдущих разделах. 
Факторы, влияющие на коррозионную стойкость образца, легче всего поддаются контролю в лабораторных условиях, тогда как в полевых 
и эксплуатационных испытаниях такой детальный контроль осуществить значительно сложнее. Однако они наиболее полно отражают условия реальной эксплуатации изделий: состав и свойства коррозионной 
среды, температурный режим, возможность периодического смачивания и конденсации влаги на поверхности материала и другие особенности его работы, которые в принципе могут быть смоделированы и в лабораторных экспериментах, однако требуют существенного усложнения испытательной аппаратуры и в силу своей многофакторности затрудняют теоретическое истолкование получаемых результатов. Например, испытания изделий, работающих в промышленной атмосфере, 
должны имитировать коррозию в присутствии сернистого ангидрида, 
который, растворяясь в тонкой пленке влаги, оказывает влияние на характер и кинетику катодного процесса. При моделировании морской 
атмосферной коррозии в лабораторных условиях необходимо предусмотреть введение в воздушную среду повышенной влажности частиц 
хлорида натрия, воздействующих на скорость анодного растворения. 
Изучение поведения металлов и сплавов, подвергающихся циклическим 
изменениям температуры во влажной атмосфере, должно проводиться 
в условиях, обеспечивающих периодическую конденсацию влаги 
на испытываемых образцах. 
Выбор показателя коррозионной стойкости. Выбор показателя 
для оценки коррозионной стойкости изучаемого материала является 
одним из наиболее важных этапов при проведении коррозионных