6 Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn ăn mòn ASTM & JIS nổi bật

Ăn mòn làm suy giảm độ bền, tuổi thọ và mức độ an toàn của kim loại trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, năng lượng, hóa chất, hàng hải và xây dựng. Việc lựa chọn đúng phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn ăn mòn giúp phòng thí nghiệm xác định cơ chế hư hỏng, đánh giá khả năng bảo vệ của lớp thụ động và so sánh độ bền của các vật liệu trong cùng điều kiện. Hiện nay, nhiều kỹ thuật điện hóa đã được tiêu chuẩn hóa theo ASTM và JIS, cho phép nghiên cứu ăn mòn đồng đều, ăn mòn điện hóa, ăn mòn điểm và ăn mòn khe một cách có hệ thống.

Tham khảo các tiêu chuẩn ISO trong ăn mòn điện hóa

6 phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn ăn mòn nổi bật

Những phương pháp phổ biến, được chia thành 3 nhóm chính:

• Ăn mòn đồng đều: ASTM G59 và ASTM G199.
• Ăn mòn điện hóa giữa hai kim loại: ASTM G71.
• Ăn mòn cục bộ: ASTM G61, ASTM G150 và JIS G 0592.

Mỗi tiêu chuẩn có nguyên lý, điều kiện thực hiện và thông số đánh giá riêng. Vì vậy, người dùng cần căn cứ vào loại vật liệu, môi trường điện ly và dạng ăn mòn cần nghiên cứu để lựa chọn phương pháp phù hợp.

1. ASTM G59 – Phương pháp đo điện trở phân cực tuyến tính LPR

ASTM G59 là tiêu chuẩn dùng để đo điện trở phân cực của kim loại bằng kỹ thuật phân cực thế động. Phương pháp này thường được ứng dụng trong nghiên cứu và theo dõi ăn mòn đồng đều.

Nguyên lý của phép đo là tạo ra một biến thiên điện thế nhỏ quanh thế ăn mòn của mẫu. Dòng điện đáp ứng được ghi nhận để xây dựng mối quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong vùng gần trạng thái cân bằng.

Theo quy trình được cài đặt trong phần mềm EC-Lab®, thế mạch hở OCP, còn được ký hiệu là Eoc, được đo tại thời điểm 5 phút và 55 phút. Mục đích của bước này là kiểm tra mức độ ổn định của hệ điện hóa trước khi phân cực.

Sau đó, mẫu được phân cực tại mức −30 mV so với Eoc trong khoảng một phút. Điện thế tiếp tục được quét từ −30 mV đến +30 mV so với Eoc với tốc độ 10 mV/phút.

Từ độ dốc của đường điện thế – dòng điện, người dùng có thể xác định:

• Điện trở phân cực Rp.
• Thế ăn mòn Ecorr.
• Dòng ăn mòn Icorr.
• Tốc độ ăn mòn ước tính của vật liệu.

Trong EC-Lab®, chức năng tự động lựa chọn thang dòng giúp tối ưu độ chính xác của phép đo. Công cụ Rp Fit hỗ trợ tính điện trở phân cực và dòng ăn mòn từ dữ liệu thu được.

2. ASTM G199 – Phương pháp đo nhiễu điện hóa ECN

ASTM G199 hướng dẫn đo nhiễu điện hóa phát sinh tự nhiên trong một hệ đang xảy ra ăn mòn. Đây là những dao động có biên độ rất nhỏ của điện thế và dòng điện, xuất hiện do các quá trình điện hóa diễn ra trên bề mặt kim loại.

Phép đo thường sử dụng hai điện cực có cùng thành phần vật liệu và được đặt trong một môi trường điện ly. Mặc dù có thành phần danh nghĩa giống nhau, sự khác biệt về vi cấu trúc và trạng thái bề mặt có thể khiến một điện cực tạm thời hoạt động như anot, trong khi điện cực còn lại đóng vai trò catot.

Trong quá trình đo, thiết bị duy trì chênh lệch điện thế 0 V giữa hai điện cực. Hệ thống đồng thời ghi nhận:

• Nhiễu dòng điện hóa ECN.
• Nhiễu điện thế EPN.
• Điện thế của từng điện cực so với điện cực tham chiếu.
• Sự biến đổi của tín hiệu theo thời gian.

Dữ liệu có thể được xử lý bằng công cụ phân tích nhiễu điện hóa để xác định điện trở nhiễu và hỗ trợ đánh giá mức độ hoạt động của quá trình ăn mòn.

Do tín hiệu đo rất nhỏ, chất lượng thiết bị có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của kết quả. Phòng thí nghiệm nên sử dụng máy điện hóa có độ phân giải dòng điện cao, bộ lọc analog phù hợp và hệ thống dây dẫn được che chắn tốt.

Những thiết bị cung cấp chính hãng phục vụ cho ăn mòn điện hóa:

• CELL Điện hóa ăn mòn tiêu chuẩn
• CELL đo ăn mòn điện hóa
• Cell điện hóa kiểm tra lớp phủ kim loại
• Cell nghiên cứu ăn mòn điện hóa

3. ASTM G71 – Phương pháp ghép cặp điện hóa

ASTM G71 được sử dụng để tiến hành và đánh giá ăn mòn điện hóa khi hai kim loại hoặc hợp kim khác nhau tiếp xúc điện với nhau trong môi trường điện ly. Tiêu chuẩn thường được áp dụng trong điều kiện dung dịch có tốc độ dòng chảy thấp.

Khi hai kim loại có điện thế điện hóa khác nhau được ghép nối, kim loại hoạt động hơn thường trở thành anot và bị ăn mòn nhanh hơn. Kim loại còn lại đóng vai trò catot và được bảo vệ tương đối.

Trong kỹ thuật Galvanic Coupling, thiết bị duy trì chênh lệch điện thế 0 V giữa hai mẫu nhằm mô phỏng trạng thái tiếp xúc điện trực tiếp. Dòng điện ghép nối và điện thế của từng mẫu so với điện cực tham chiếu được theo dõi theo thời gian.

Kết quả phép đo giúp xác định:

• Vật liệu đóng vai trò anot.
• Vật liệu đóng vai trò catot.
• Chiều của dòng điện galvanic.
• Cường độ tương tác điện hóa.
• Nguy cơ gia tăng tốc độ ăn mòn của vật liệu anot.

Dòng điện galvanic có thể được chuyển đổi thành tốc độ ăn mòn lý thuyết theo định luật Faraday. Tuy nhiên, khi kiểm tra độ ăn mòn, kết quả phải được chuẩn hóa theo diện tích bề mặt của vật liệu anot.

Tỷ lệ diện tích catot/anot là một yếu tố đặc biệt quan trọng. Một catot có diện tích lớn ghép với anot có diện tích nhỏ có thể làm mật độ dòng anot tăng mạnh, từ đó đẩy nhanh quá trình phá hủy vật liệu.

4. ASTM G61 – Phương pháp phân cực thế động vòng CPP

ASTM G61 là một trong những kỹ thuật điện hóa phổ biến để đánh giá khả năng chống ăn mòn cục bộ của vật liệu có lớp thụ động. Phương pháp thường được áp dụng cho thép không gỉ và các hợp kim nền sắt, niken hoặc coban.

Trong phép đo, điện thế được quét theo chiều anot từ vùng gần thế ăn mòn đến vùng thụ động. Khi dòng điện đạt đến giới hạn Ip hoặc mật độ dòng điện được cài đặt, quá trình quét thuận dừng lại và thiết bị bắt đầu quét điện thế theo chiều ngược.

Đường cong dòng điện – điện thế thu được cho phép xác định nhiều thông số quan trọng:

• Thế ăn mòn Ecorr.
• Dòng ăn mòn Icorr.
• Mật độ dòng thụ động.
• Thế bắt đầu ăn mòn điểm Epit.
• Thế tái thụ động Erep.
• Hình dạng và diện tích vòng trễ phân cực.

Khi dòng điện tăng nhanh trong quá trình quét thuận, lớp thụ động trên bề mặt vật liệu có thể đã bị phá vỡ và các điểm ăn mòn bắt đầu hình thành.

Trong quá trình quét ngược, nếu dòng điện vẫn duy trì ở mức cao sẽ xuất hiện vòng trễ dương. Hiện tượng này cho thấy các điểm ăn mòn có khả năng tiếp tục phát triển ngay cả khi điện thế đã giảm xuống.

5. ASTM G150 – Xác định nhiệt độ ăn mòn điểm tới hạn CPT

ASTM G150 là tiêu chuẩn điện hóa dùng để xác định nhiệt độ ăn mòn điểm tới hạn, thường được viết tắt là CPT. Đây là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó các điểm ăn mòn ổn định bắt đầu hình thành và tiếp tục phát triển trên bề mặt mẫu.

Phương pháp được sử dụng phổ biến để đánh giá khả năng chống ăn mòn điểm của thép không gỉ và các hợp kim liên quan trong môi trường chứa ion clorua.

Trong suốt quá trình tăng nhiệt, mẫu được phân cực anot tại một điện thế cao hơn vùng thế ăn mòn điểm. Mức điện thế 700 mV so với điện cực calomel bão hòa SCE ở 25°C có thể phù hợp với nhiều loại thép không gỉ.

Dòng điện được theo dõi liên tục trong quá trình thay đổi nhiệt độ. CPT được xác định tại nhiệt độ mà mật độ dòng điện vượt quá 100 µA/cm² và duy trì trong khoảng 60 giây.

Giá trị CPT càng cao cho thấy vật liệu có khả năng duy trì trạng thái thụ động tốt hơn khi nhiệt độ môi trường tăng. Đây là thông số hữu ích khi lựa chọn thép không gỉ cho đường ống, bồn chứa, thiết bị trao đổi nhiệt và các hệ thống làm việc trong môi trường giàu clorua.

6. JIS G 0592 – Phương pháp đo thế tái thụ động của ăn mòn khe

JIS G 0592 là tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản quy định phương pháp xác định thế tái thụ động đối với ăn mòn khe trên thép không gỉ. Phép đo được thực hiện thông qua quá trình phân cực anot trong dung dịch nước trung tính chứa ion clorua.

Ăn mòn khe thường hình thành tại những vị trí dung dịch bị giữ lại và khó trao đổi với môi trường bên ngoài, chẳng hạn như:

• Khu vực tiếp xúc giữa hai bề mặt kim loại.
• Vị trí dưới gioăng hoặc vòng đệm.
• Mối ghép bulông.
• Khu vực tiếp xúc giữa kim loại và vật liệu phi kim.
• Các khe hẹp trong kết cấu thiết bị.

Dung dịch bên trong khe có thể thay đổi về pH, nồng độ oxy và hàm lượng ion clorua. Những biến đổi này làm suy yếu lớp thụ động, khiến thép không gỉ bị ăn mòn cục bộ.

Tiêu chuẩn JIS G 0592 đặc biệt hữu ích khi so sánh các loại thép không gỉ dự kiến sử dụng trong môi trường nước biển, dung dịch chứa clorua, công nghiệp hóa chất hoặc những thiết bị có nhiều mối ghép và khe hẹp.

Trên đây là 6 phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn ăn mòn trên cung cấp các hướng tiếp cận khác nhau trong đánh giá vật liệu kim loại. Ngoài ra để kết quả chuẩn nhất, phòng thí nghiệm cần phải kiểm soát quá trình chuẩn bị mẫu, diện tích tiếp xúc, thành phần dung dịch, nhiệt độ, điện cực tham chiếu, hiệu chuẩn thiết bị và phương pháp báo cáo. Khi các điều kiện này được kiểm soát chặt chẽ, kết quả thử nghiệm ăn mòn sẽ có độ tin cậy, khả năng lặp lại và giá trị so sánh cao hơn.