Исследование влияния биокоррозионных поражений на механические характеристики образцов из алюминиевых сплавов АМГ6 и 1570С применительно к условиям эксплуатации Российского сегмента МКС

Конструкционные поверхности в гермозамкнутых объектах неизбежно подвергаются загрязнению. На поверхности различных материалов, как описано в работе [1], при наличии пылевых частиц и влаги могут развиваться самые разнообразные микроорганизмы, вызывающие биокоррозионные повреждения.

Различные виды микроорганизмов оказывают разное воздействие на поверхность алюминиевых сплавов. Задача проведенных работ состояла в том, чтобы смоделировать воздействие наиболее активных деструкторов, выделяемых с конструкционных поверхностей Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС), и последующее влияние полученных био-коррозионных поражений на механические характеристики алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С. Необходимо отметить, что важным является исследование воздействия штаммов, выделенных с поверхности конструкционных материалов в последних экспериментах [2] (длительное время ведется постоянный мониторинг состояния микрофлоры РС МКС), так как в условиях гермозамкнутых объектов может происходить отбор более приспособленных к существованию в условиях орбитальной станции микроорганизмов. В настоящем эксперименте использовались грибы, выделенные из образцов, собранных в ходе очередной экспедиции на РС МКС [3].

Процессы биокоррозии из-за их специфики, а именно — повышенной неоднородности действия микроорганизмов на поверхность материала, большой зависимости от вида микроорганизма, их физиологобиохимических особенностей, изучены недостаточно. Остается актуальной задача разработки современных методов не только быстрой и достоверной оценки характера и глубины возникших повреждений, но и дальнейшего их влияния на механические характеристики сплавов и оценки его опасности для дальнейшей эксплуатации.

Методика эксперимента

Для моделирования воздействия грибов на образцы алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С использовали методы, описанные в ГОСТ 9.048-89 [4] и ГОСТ 9.049-91 [5]. Для проведения экспериментов образцы алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С обрабатывали спорами грибов, ранее выделенных с конструкционных поверхностей на РС МКС, которые способствовали наибольшему обрастанию металлических поверхностей и их биокор-розионному повреждению. Для приготовления споровой суспензии использовали культуры грибов, которые в проводившихся ранее экспериментах [6–8] оказывали наибольшее повреждающее действие на образцы алюминий-магниевого сплава АМг6, а именно: Ulocladium botrytis, Paecilomyces variotti, Penicillium chryzogenum, Aspergillus niger . Частота появления этих грибов в образцах, отобранных в рамках проводимого мониторинга микрофлоры конструкционных поверхностей на РС МКС, — от 30 до 100%. Следовательно, их присутствие — потенциальный риск биокоррозионного повреждения поверхностей при наличии соответствующих условий.

На поверхность образцов сплавов с двух сторон с помощью разбрызгивателя наносилась споровая суспензия грибов, приготовленная из смеси равных объемов суспензии каждого гриба. Суспензии грибов получали смывом спор с поверхности мицелия каждого гриба, выращенного в чашке Петри на агаризованной среде Чапека–Докса.

Плотность наносимой суспензии устанавливали ~1·106…2·106 спор/мл. Образцы алюминиевых сплавов с нанесенной суспензией смеси грибов высушивали на воздухе в боксе и размещали на поверхности агаризованной среды Чапека–Докса с сахарозой в специальные стерильные пластиковые контейнеры размером 120×120 мм. Контейнеры затем помещали в эксикаторы, на дно которых для создания влажности 90% наливали воду. Эксикаторы закрывали крышками и выдерживали в термостате при 27-28 °С в течение трех месяцев. Каждую неделю крышки контейнеров приоткрывали на 10 минут для доступа воздуха. По окончании эксперимента контейнеры извлекали, образцы сплавов АМг6 и 1570С промывали под проточной водой, выдерживали в 70%-ном этаноле в течение шести часов и вновь промывали проточной водой. Высушенные образцы затем были использованы в испытаниях. Форма и размер заражаемых образцов из алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С обусловливались требованиями к последующим механическими испытаниям. Следует подчеркнуть, что такая методика испытаний является ускоренной (повышенные температура и влажность, наличие солевых компонентов среды и углевода — сахарозы), моделирующей биокоррози-онное повреждение, и позволяет оценить возможные риски, возникающие или могущие возникнуть при внештатных ситуациях.

Образцы алюминиевых сплавов АМг6 (24 шт) и 1570С (27 шт) после воздействия грибов-деструкторов в течение трех месяцев подвергались следующим видам исследований и испытаний:

• •    оценка степени биокоррозионного поражения образцов методами:

• –    визуальным, в т. ч. с использованием оптического микроскопа;

• –    сканирующей лазерной микроскопии;

• –    металлографических исследований;

• –    сканирующей электронной микроскопии;

• –    томографирования с помощью рентгеновского томографа;

• •    механические испытания на растяжение при температуре 20 °С в исходном состоянии и после биокоррозионного поражения;

• •    проведение усталостных испытаний при температуре 20 ° С в исходном состоянии и после биокоррозионного поражения.

Результаты исследований

Оценка степени биокоррозионного поражения образцов алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С визуальным методом (рис. 1) проводилась с использованием универсального исследовательского стереомикроскопа OLYMPUS SZ X10 [9]. На рис. 1, б представлен типичный внешний вид образца, покрытый твердым слоем гарнисажа, состоящим, возможно, из остатков солей питательной среды и образованных грибом продуктов жизнедеятельности.

В таком виде оценка степени биокор-розионного поражения не представлялась возможной, поэтому с целью последующего детального осмотра поверхности образцы подвергали очистке поверхности путем травления в NaOH (50…150 г/дм³) по ГОСТ 9.305-84 [10] (состав 1, карта 16) и последующего осветления в HNO₃ (300…400 г/дм³) (состав 5, карта 18) — рис. 1, в .

а)

б)

в)

Рис. 1. Внешний вид образцов алюминиевого сплава 1570С: а — без обработки спорами грибов (исходный образец); б — после биокоррозионного воздействия; в — после биокоррозионного воздействия и последующей очистки поверхности

Утонение стенок образцов с биокорро-зионными поражениями в результате травления и осветления составило 0,02…0,05 мм для сплава 1570С и 0,01…0,03 мм для сплава АМг6.

При визуальной оценке характера повреждения поверхности сплавов видно, что биокоррозионные поражения сплава 1570С относительно равномерно распределены по всей поверхности, носят общий характер и имеют форму «узора» (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид поверхности образцов сплава 1570С, подвергавшихся заражению грибами-деструкторами в течение трех месяцев и последующей очистке поверхности (увеличение ×13)

Биокоррозионные повреждения сплава АМг6 отличаются от повреждений сплава 1570С и носят как общий, так и локальный характер, имеют повреждения и в виде «узора», и вздутые извилистые (рис. 3).

а)

б)

Рис. 3. Внешний вид поверхности образцов сплава АМг6, подвергавшихся заражению грибами-деструкторами в течение трех месяцев и последующей очистке поверхности: а — увеличение ×3; б — увеличение ×13

Такой характер повреждения связан, как правило, с развитием как межкристаллитной, так и подповерхностной коррозии. Био-коррозионные повреждения характеризуются значительной неравномерностью, кроме того, этот особый вид коррозии может включать различные виды коррозионного повреждения, которое зависит от количества и состава образуемых грибом продуктов метаболизма. При повреждении наблюдаются как местная (локальная) коррозия, охватывающая отдельные участки поверхности металла (пятна, не сильно углубленные в толщу металла язвы), так и межкристаллитная коррозия, которая характеризуется разрушением металла по границам зерен, а также подповерхностная коррозия, начинающаяся на поверхности, но распространяющаяся вглубь металла. При этом продукты коррозии попадают в образующиеся полости в металле, что способствует углублению процесса.

Оценку степени биокоррозионного поражения образцов алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С методом сканирующей лазерной микроскопии проводили для каждого дефекта, образовавшегося в результате заражения грибами-деструкторами, с использованием лазерного сканирующего конфокального микроскопа OLYMPUS LEXT OLS 4000 [11].

Образцы сплава 1570С имеют неглубокие поражения (~2 мкм) в виде «канавок», «ямочек», относительно равномерно распределенных по всей поверхности (рис. 4). Параметр шероховатости поверхности R_a составляет 1,6…3,2 в зависимости от образца, по действующей нормативной документации шероховатость поверхности деталей из алюминиевых сплавов должна быть не хуже R_a = 2,5.

Рис. 4. Измерение биокоррозионных поражений сплава 1570С, мкм

Образцы сплава АМг6 имеют локальные «извилистые» «вздутые» поражения в количестве 3–8 шт на один образец, имеющие длину до 5 мм и глубину до 300 мкм (рис. 5), параметр шероховатости поверхности Ra составил 0,6…2,5 в зависимости от образца, что соответствует действующей нормативной документации.

Рис. 5. Измерение глубины биокоррозионных поражений сплава АМг6, мкм: 1 — замер глубины биокоррозионного поражения по линии; 2 — биокоррозионное поражение

Оценка степени биокоррозионного поражения образцов алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С металлографическим методом проводилась на оптическом микроскопе ZEISS AXIO [12] и электронном микроскопе ZEISS EVO MA 10 [13].

Исследование микроструктуры образцов сплава АМг6 показало наличие участков био-коррозионного поражения под поверхностью сплава протяженностью 200…500 мкм (рис. 6). По границам этих участков наблюдалось развитие межкристаллитной коррозии, что было вызвано наличием большого количества β-фазы (Al3Mg2) по границам зерен в виде сплошной сетки. Количество β-фазы определяет прочностные свойства, а характер ее распределения — коррозионную стойкость сплава. На образцах сплава 1570С межкристаллитной коррозии не обнаружено.

Рис. 6. Биокоррозионное поражение с последующим развитием межкристаллитной коррозии образца сплава АМг6 (×200) под поверхностью сплава

Исследование микроструктуры сплава АМг6 в электронном микроскопе более детально показывает развитие межкристаллитной коррозии по границам зерен (рис. 7).

Биокоррозионные поражения, аналогичные обнаруженным, были показаны ранее

[3, 6–7] для различных грибов при исследовании поверхности небольших образцов алюминий-магниевого сплава АМг6 методами сканирующей и растровой электронной микроскопий. Исследование продуктов, образуемых грибами, в частности Aspergillus niger , показало, что в возникновении таких повреждений поверхности, по-видимому, участвуют слабые органические кислоты (глюконовая, кетоглюконовая, маноновая), идентифицированные методами газо-жидкостной хроматографии в культуральной жидкости гриба. Модельные эксперименты по воздействию на поверхность глюконовой кислоты показали аналогичные повреждения при исследовании поверхности алюминий-магниевого сплава АМг6 методом растровой электронной микроскопии.

Рис. 7. Межкристаллитная коррозия образца сплава

АМг6 по р -фазе, увеличение *3 000

Оценка степени биокоррозионного поражения образцов сплавов АМг6 и 1570С в долевом и поперечном направлениях проводилась с помощью промышленного томографа XTH 320 LC [14]. Результатом исследования является видеозапись расположения биокоррозионного повреждения в «теле» образца. На рис. 8 представлен объемный срез фрагмента образца АМг6 с биокорро-зионным поражением.

На рис. 9 представлены фрагменты среза образца сплава АМг6 непосредственно в зоне биокоррозионного поражения в продольном и поперечном направлениях, соответственно. Из полученных изображений видно, что повреждение образца сплава АМг6 имеет сложную форму и глубину ~500 мкм, а также подповерхностные разрушения сплава.

Рис. 8. Образец сплава АМг6, внешний вид типичного биокоррозионного повреждения на срезе

В сплаве 1570С биокоррозионные повреждения носят неглубокий (~2 мкм) поверхностный характер, незначительно нарушая шероховатость поверхностного слоя. Повреждений внутри сплава образца не обнаружено.

Механические испытания на растяжение при температуре 20 °С в исходном состоянии и после биокоррозионного поражения с последующей очисткой поверхности проводились на серво-гидравлической испытательной машине LFV -100 [15]. По результатам статических механических испытаний

а)

б)

Рис. 9. Образец сплава АМг6, внешний вид типичного био-коррозионного повреждения на срезе: а — в продольном направлении; б — в поперечном направлении можно сделать вывод о том, что наличие биокоррозионных поражений на поверхности образцов не приводит к изменению прочностных характеристик материала (таблица).

Результаты статических испытаний образцов алюминиевых сплавов АМг6

и 1570 в исходном состоянии и подвергнутых биокоррозионному воздействию

Марка сплава	Состояние поверхности	с в*	С о,**	С в ср	с 0,2 ср
АМг6	Исходный	359	206	360	207
		363	207
		360	208
	Биокоррозионные поражения	356	202	357	200
		358	205
		364	206
1570С	Исходный	431	334	432	336
		431	337
		436	337
	Биокоррозионные поражения	427	337	430	339
		426	335
		429	340
		436	346

Примечание. * с в — предел прочности, МПа; ** с ₀₂ — предел текучести, МПа.

Усталостные испытания проводились при температуре 20 °С в исходном состоянии и после биокоррозионного поражения с последующей очисткой поверхности. Как правило, усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация при усталости протекает в приповерхностных слоях глубиной порядка размера зерна. Поведение и состояние этого слоя определяет время до зарождения усталостных трещин и во взаимосвязи с деформационными характеристиками всего объема металла обусловливает уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для старта усталостной трещины.

Наличие концентраторов напряжений (например, от грубой механической обработки) и других дефектов (надрезов, канавок, отверстий) на поверхности, агрессивной среды и ряда других факторов приводит к снижению предела выносливости. Необходимо отметить, что усталостная трещина сама по себе является надрезом, вызывающим высокую концентрацию напряжений. В области концентратора повышается локальное напряжение в материале с последующим разрушением [16].

При изучении влияния характера коррозии на циклическую прочность металлов было показано, что наиболее сильно снижается предел усталости материала при неравномерном избирательном характере коррозионного повреждения (межкристаллитная коррозия, питтинг), в то время как равномерная коррозия в меньшей степени снижает предел усталости материала [17].

Разрушение образцов сплава АМг6 происходило непосредственно по биокоррози-онным повреждениям, вызывающим высокую концентрацию напряжений (рис. 10).

Рис. 10. Внешний вид образца сплава АМг6, подвергшегося заражению грибами-деструкторами, после испытаний на циклическую усталость. Разрушение — по биокоррози-онному повреждению

Биокоррозионные повреждения сплава 1570С равномерно распределены по его поверхности, усиливая имеющуюся поперечную полосчатость образца в направлении прокатки. Внешний вид разрушений образцов сплава 1570С представлен на рис. 11.

Рис. 11. Внешний вид образца сплава 1570С, подвергшегося заражению грибами-деструкторами, после испытаний на циклическую усталость

Образцы сплава 1570С с биокоррози-онными поражениями после испытаний на циклическую усталость имеют характерный усталостный излом с трещинами усталости, зарождающимися на поверхности от небольшой биокоррозионной каверны, а также — развитие трещин в зоне структурной полосчатости образца. Фрактограммы изломов образцов сплавов 1570С и АМг6 после циклических испытаний представлены на рис. 12, 13.

Рис. 12. Внешний вид излома образца сплава АМг6 с био-коррозионными поражениями после испытаний на циклическую усталость. Усталостная трещина начала развиваться от биокоррозионного повреждения

Рис. 13. Фрактограмма образца сплава 1570С с биокоррози-онным поражением после испытаний на циклическую усталость. Трещины — по зоне структурной полосчатости (увеличение ×1600)

Результаты циклических испытаний образцов из алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С представлены на диаграммах (рис. 14, 15).

Наличие биокоррозионных поражений на поверхности образцов приводит к снижению усталостных характеристик алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С. Алюминиймагниевый сплав Амг6 в значительно большей степени показал снижение относительных показателей усталостной прочности по сравнению со сплавом 1570С.

Количество циклов до разрушения, Л'

Рис. 14. Диаграмма усталостной прочности сплава АМг6: ♦ — с биокоррозионными поражениями; ■ — исходное состояние

Количество циклов до разрушения, N

Рис. 15. Диаграмма усталостной прочности сплава 1570С: ♦ — с биокоррозионными поражениями; ▲ — исходное состояние

Выводы

В результате работы смоделировано заражение образцов алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С спорами грибов-деструкторов, наиболее способствующих обрастанию металлических поверхностей и их био-коррозионному повреждению, исследовано влияние биокоррозионного поражения образцов на механическую прочность и циклическую усталость данных сплавов.

По результатам статических механических испытаний можно сделать вывод о том, что наличие биокоррозионных поражений на поверхности образцов не приводит к изменению прочностных характеристик материала.

Наличие биокоррозионных поражений на поверхности образцов приводит к снижению усталостных характеристик алюминиевых сплавов АМг6 и 1570С. Показано, что у сплава Амг6 в значительно большей степени проявляется снижение относительных показателей усталостной прочности, чем у сплава 1570С.