Межкристаллитная коррозия сталей

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Е. А. Меркушкин
В. В. Березовская

С. В. Сомина

МЕЖКРИСТАЛЛИТНАЯ  

КОРРОЗИЯ СТАЛЕЙ

Уч е бн о - ме т од и ч еско е по со бие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся  

по направлениям подготовки 

22.03.01 и 22.04.01 — Материаловедение  

и технологии материалов 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2020 

УДК 669.14.018.8(075.8) 
ББК 34.651я73 
          М52 

Ре ц е н з е н ты : 
отдел физических проблем машиностроения института машиноведения УрО РАН (завлабораторией конструкционного материаловедения 
канд. техн. наук Р. А. Саврай);
профессор кафедры «Технология металлов» Уральского государственного лесотехнического университета, проф., д-р техн. наук Б. А. Потехин 

На у ч н ы й  р е д а к т о р  — д-р техн. наук, проф. В. Р. Бараз 

М52

Меркушкин, Е. А.
Межкристаллитная коррозия сталей : учебно-методическое пособие / Е. А. Меркушкин, В. В. Березовская, С. В. Сомина ; Минво науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2020. — 72 с.

ISBN 978-5-7996-3123-9

Пособие знакомит студентов с основами теории коррозии сталей.
В работе описан один из наиболее опасных видов разрушения коррозион
но-стойких сталей — межкристаллитная коррозия (МКК), приведены различные методики проведения испытаний на выявление склонности сталей 
к межкристаллитной коррозии с использованием электрохимического и металлографического методов оценки степени повреждения при МКК.

Учебно-методическое пособие предназначено для бакалавров и магистран
тов, изучающих дисциплины «Коррозия, коррозионно-стойкие материалы 
и покрытия» и «Теория коррозии, коррозионно-стойкие материалы и покрытия». Представленный материал будет полезен при выполнении студенческих и аспирантских научно-исследовательских работ.

Библиогр.: 12 назв. Рис. 38. Табл. 1.

ISBN 978-5-7996-3123-9
© Уральский федеральный  
      университет, 2020



ВВедение

М

ежкристаллитная коррозия (МКК) — это вид локальной коррозии сталей и сплавов [1, с. 50], когда при контакте с коррози
онной средой — электролитом возникает разность потенциалов между границами и телом зерен. Этот тип коррозии обычно имеет место, 
когда в сплаве происходит выделение фазы из твердого раствора. Поскольку обычно выделение происходит быстрее на границах зерен, 
материал вблизи границы зерен обедняется легирующим элементом, 
создавая разность потенциалов для предпочтительного растворения 
приграничных зон сплава (рис. I, а).

МКК наблюдается в Cr- и Cr-Ni-сталях, сплавах на основе нике
ля, меди, алюминия и др. и приводит к резкому снижению прочности и пластичности сплава, что может вызвать преждевременное разрушение конструкции.

К МКК приводят медленное охлаждение сплава с прохождением 

опасной области температур, а также длительные сварочные работы; 
при быстром охлаждении этого не происходит. Точечная сварка, при 
которой металл быстро нагревается в результате кратковременного протекания электрического тока и затем быстро охлаждается, не вызывает МКК. Однако электродуговая сварка может представлять опасность, 
причем степень разрушений увеличивается с возрастанием времени нагрева и, особенно, при сварке массивных изделий. Опасные температуры достигаются в нескольких миллиметрах от места сварки, в котором 
металл нагревается до температуры плавления или выше. При контакте с агрессивной средой разрушение сварного шва аустенитной коррозионностойкой стали (КСС), называемое ножевой коррозией, протекает 
не в сварном шве, а рядом — в зоне термического влияния (рис. I, б, в).

Физические свойства нержавеющих сталей после нагрева в опас
ную область температур (сенсибилизации) существенно не меняются. 

Введение

 

 

 

30 мкм

а

б

в

Рис. I. Межкристаллитная коррозия (а); 
ножевая коррозия сварной трубы (б, в) [2] 

Из-за выделения карбидов стали становятся более прочными и менее пластичными. Разрушаются эти стали только при выдержке в агрессивной среде, причем коррозия протекает по границам зерен. Скорость 
коррозии зависит от коррозионной активности среды и степени сенсибилизации. В морской воде разрушение листа из КСС может произойти через несколько недель или месяцев, а в кипящем растворе медного купороса (13 г/л) и серной кислоты (47 мл концентрированной 
H2SО4 на литр), которые применяют для ускоренных испытаний, разрушение происходит через несколько часов [3].

1.1.Общиесведения

1. 

Определение  

межкристаллитнОй кОррОзии

1.1. Общие сведения

М

ежкристаллитной коррозии в большей или меньшей степени 
могут быть подвержены КСC всех структурных классов — фер
ритные, мартенситные, аустенитно-ферритные и аустенитные. Условия, приводящие к возникновению в них МКК, различны, однако 
проявление МКК для всех этих классов практически одинаково и заключается в том, что при достаточно высокой общей коррозионной 
стойкости происходит избирательное растворение границ зерен металла. При этом заметных изменений внешнего вида металла не происходит, но при значительном развитии МКК металл становится хрупким, 
изделие из такого металла может легко разрушаться при небольших 
статических и особенно динамических нагрузках.

Причина возникновения МКК чаще всего — неправильно про
веденная термическая обработка либо проведение технологических 
операций (сварка, штамповка, гибка и др.) в опасном температурном 
интервале. Кроме того, МКК может возникать при длительной эксплуатации оборудования при повышенных температурах, а также при 
неправильном выборе структурного класса стали или системы легирования для определенной коррозионной среды.

МКК в коррозионно-стойких сталях обычно наблюдается после 

термической обработки, приводящей к образованию на границах зерен каких-либо новых фаз, отличающихся по химическому составу 
от среднего состава стали. Чаще всего этими фазами являются карбиды, основная причина образования которых — значительная зависи

1. Определение межкристаллитной коррозии 

мость растворимости углерода от температуры. Поскольку растворимость углерода в аустените и феррите различна, то и температурные 
условия образования карбидов, а следовательно, и склонности к МКК 
различны. Это относится и к мартенситным сталям. В хромистых ферритных сталях растворимость углерода очень мала, поэтому в них интенсивное карбидообразование по границам зерен происходит непосредственно в процессе охлаждения от высоких температур. Такие 
условия создаются при сварке в зоне, прилегающей непосредственно 
к наплавленному металлу. Отжиг ферритных сталей при 600–800 °C 
приводит к исчезновению склонности к МКК.

В сталях аустенитного класса вследствие относительно большей рас
творимости углерода при быстром охлаждении от высоких температур 
образование карбидов практически не происходит. Выделение карбидов наблюдается только при отпуске или замедленном охлаждении аустенитных и аустенитно-ферритных сталей. Интенсивность выделения карбидов и МКК зависит от температуры и продолжительности 
отпуска. Эти зависимости представляют в виде С-образных кривых, 
схематическое изображение которых приведено на рис. 1.1. 

γ + К 

МКК 

Т 
 
Тр 

 
 

Тmax 
 
Ткр 

 

 

τкр
τнагр

γ + К 

Рис. 1.1. Температурно-временная зависимость областей  

карбидовыделения (штриховая линия) и МКК (сплошная линия) [1, с. 52] 

1.2.МеханизмМКК

Основные параметры этих кривых: Тр — максимальная температу
ра образования карбидов; Тmax — максимальная температура, при которой появляется склонность к МКК; Ткр — температура проявления 
склонности к МКК, которой соответствует самое малое значение продолжительности нагрева τкр. Считается, что τкр определяет возможность 
использования стали в сварных соединениях.

Для аустенитно-ферритных сталей практически сохраняются те же 

закономерности возникновения МКК, которые показаны для сталей 
аустенитного класса.

Стали мартенситного класса вследствие относительно низкого со
держания хрома реже применяют в агрессивных средах, вызывающих 
МКК. Но все же МКК в этих сталях наблюдается [1, с. 50–52].

1.2. Механизм МКК

Возникновение у стали восприимчивости к преимущественному 

коррозионному разрушению границ при воздействии коррозионноактивной среды связывают с возникновением на границах зерен новых фаз или сегрегаций, отличающихся по составу от среднего химического состава стали.

Существует несколько теорий, объясняющих, почему упомянутые 

изменения на границах зерен приводят к МКК.

Теорияобеднения

Предложенная Э. Бейном теория обеднения наиболее распростра
нена, так как имеет наибольшее экспериментальное подтверждение 
и хорошо объясняет многие явления, связанные с МКК в слабоокислительных средах. Согласно этой теории, основная причина появления склонности к МКК — обеднение границ зерен аустенита хромом 
в результате выделения при отпуске по границам зерен богатых хромом фаз (рис. 1.2). Обеднение границ зерен хромом обусловлено разницей между скоростями диффузии углерода и хрома. При образовании карбида диффузия углерода к границам зерен протекает гораздо 
быстрее, чем диффузия хрома. Поэтому углерод, необходимый для образования карбида, легко поставляется не только с границы и пригра

1. Определение межкристаллитной коррозии 

ничных областей, но и из тела зерна. Хром в начале процесса карбидообразования поступает с границ зерен или приграничных участков, 
поэтому диффузия не успевает восполнить израсходованное количество хрома. Чем выше температура, тем больше ускоряется диффузия 
углерода и хрома.

 

 

 

 

 

 

 

Выделение карбидов хрома
Обедненная по хрому область (анод)

Зерно
(катод)   

Рис. 1.2. Схематическое изображение выделения карбидов 
на границах зерен в аустените [11] 

Теорияхимическинестойкойфазы

Теория химически нестойкой фазы основывается в основном 
на фактах межкристаллитного характера разрушения коррозионностойких сталей в средах окислительного и сильно окислительного характера, например в HNO3, HNO3+Cr 6+. Как правило, такой характер 
разрушения наблюдается при образовании фаз, содержащих молибден (карбидов, σ-фазы, χ-фазы и др.). Теория не имеет универсального характера и может быть применена при объяснении МКК для ограниченного числа сред и сталей.

Теориямикроэлементов

Согласно этой теории, при контакте коррозионной среды и КСС, 
имеющей на границах зерен карбиды, образуется микроэлемент. Этот 
микроэлемент локализуется около карбида, который, как правило, является катодом, а прилегающие к нему пограничные участки — анодами, подвергающимися сильной коррозии. Развитие МКК по этому 
механизму связано с образованием сплошных или слаборазобщенных