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Due to the large number of stainless steels with different chemical composition and different microstructure the selection of the suitable material represents a huge challenge. In order to facilitate the appropriate grade selection, in the current European standard EN 1993-1-4 a procedure is defined based on the use of a look-up table considering the key variables that influence the selection of stainless steels. The table uses descriptions that competent designers should be able to readily understand or define without prior knowledge. The output from the look-up table is used to select alloys based on a Corrosion Resistance Class (CRC) from I to V. The advantage of this approach is that the designer simply specifies the relevant CRC and does not need to consider in detail which of the many (very similar) alloys to specify.
Eine der wesentlichsten Veränderungen der im Oktober 2015 erschienenen Neufassung der DIN EN 1993-1-4 findet sich im Anhang A „Werkstoffauswahl und Dauerhaftigkeit“. Im Gegensatz zur Vorgängerversion ist dieser Anhang jetzt normativ. Mit Hilfe eines Punktesystems, das die wichtigsten Einwirkungsparameter der relevanten Expositionsbedingungen berücksichtigt, wird eine Korrosionsbeständigkeitsklasse ermittelt, mit deren Hilfe man eine geeignete Legierung auswählen kann. Dieses Verfahren bietet eine zuverlässige Methode für Planer auch ohne spezielle Kenntnisse auf dem Gebiet der Korrosion bzw. der nichtrostenden Stähle. Die Arbeit geht auch auf Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten mit der bisher in Deutschland gültigen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-30.3.6 ein.
Chloride-induced damage of reinforcing steel is especially for parking garages and bridges often very severe as large amounts of chlorides act on horizontal surfaces which could lead to fast ingress of these detrimental ions up to the level of the reinforcement and subsequently to high rates of corrosion.
In order to avoid the disadvantages of conventional rehabilitation (unreliable prognosis with patch repair or high costs and regular maintenance with cathodic protection using impressed current) a new combined protection system was developed where the principle of drying out the concrete (by means of a surface protection system) is combined with a temporary cathodic protection (by means of a sprayed zinc layer) during the transitional period of the drying out process.
This new system was tested both in the laboratory and on-site at a pilot application. Based on the results obtained the possibilities and limitations of the new system are discussed in this paper.
In order to clarify under which practical conditions real risks for hydrogen-induced stress corrosion cracking of prestressing steels exist laboratory investigations in aqueous solutions and concrete as well as tests with stressed prestressing steels were carried out. While different distances between steel and zinc (cathode and anode) showed only a negligible influence on the polarisation of the steel a significant dependence on the area ratio steel/zinc was observed. A critical area ratio of 10:1 can be defined above which polarisation of the steel to hydrogen evolution potentials is unlikely. The results obtained in the laboratory concerning the critical area ratio were confirmed by on-site investigations in a precasting plant. Exposure tests with hydrogen loading did not lead to fractures during the testing time for approved prestressing steels. The characteristic mechanical values determined immediately after the hydrogen loading tests did not show significant changes. Thus, an indirect contact between prestressing steels and galvanised elements can be estimated as uncritical. But a direct contact has to be excluded by compliance with DIN 1045-1, i.e minimal distance of 2 cm between prestressing steel and galvanised elements.
Risk of stress corrosion cracking of prestressing steels in contact with galvanized components
(2010)
About the long-term protection behaviour of corrosion protection materials (filling materials) for prestressed systems under critical environmental conditions is only little known. The corrosion protection effect is usually based on theoretical considerations and is proven by short-term tests. The selection of the different products is mainly made according to economical or workability criteria. In a research project the barrier effect of different commercial corrosion protection materials (waxes as well as oil-based greases) against water, their tendency for undercutting as well as their additional corrosion protection effect were investigated. The exposure tests were carried out with non-stressed as well as stressed prestressing steel specimens which were subjected to critical conditions (condensed water, artificial soil solution, direct soil contact). Parallel to these long-term exposure tests the applicability of different electrochemical techniques and their significance with respect to testing the corrosion protection ability and water absorption was evaluated. Within the project a suitable method for simple testing the performance of corrosion protection materials under real conditions was developed. By means of a small compact cell submicroscopical reactions of the used sensors could be measured. The high sensitivity of this measuring technique enables the detection of degradation processes at thin protection layers.
Bei der Planung und Gestaltung von Konstruktionen spielt der Korrosionsschutz und eine korrosionsschutzgerechte Bauweise eine zentrale Rolle. In einigen Fällen jedoch kann es durch bestimmte Randbedingungen und Eigenschaftsanforderungen an Komponenten und Bauteilen zur Ausbildung von galvanischer Korrosion durch Korrosionselemente kommen. Eine sehr häufig auftretende Form der galvanischen Korrosion ist die Bimetallkorrosion, bei der das Korrosionselement durch die Kombination verschiedener metallener Werkstoffe gebildet wird. Unter bestimmten Einsatzbe¬dingun¬gen kann ein solches Korrosionselement zu einem signifikant erhöhten Korrosionsabtrag führen und damit die technische Sicherheit gefährden. Trotz dem Vorhandensein solcher Korrosionselemente (z.B. Mischbauweise bei Konstruktionen) lässt sich das Risiko für galvanische Korrosion durch entsprechende Planung und konstruktive Gestaltung aber auch minimieren. Die Grundlagen der galvanischen Korrosion und Einflussgrößen vor allem auf die Bimetallkorrosion werden dargestellt und deren praktische Bedeutung anhand von Beispielen verdeutlicht.
Risiko der Wasserstoffentwicklung an martensitischen Schraubankern unter baupraktischen Bedingungen
(2020)
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob unter praxisrelevanten Bedingungen die Entstehung von Wasserstoff an vollmartensitischen Schraubankern möglich ist. Im Gegensatz zu austenitischen Werkstoffen besteht bei martensitischen Werkstoffen bei Gegenwart von Wasserstoff stets die Möglichkeit einer wasserstoffinduzierten Versprödung des Materials. Hierfür wurde ein in der Praxis häufig anzutreffendes Szenario gewählt, das ein galvanisches Element, bestehend aus nichtrostenden Schraubankern (in diesem Fall martensitischen) und einer verzinkten Ankerplatte an einem Betonkörper, umfasst. Zum Nachweis einer Wasserstoffentwicklung werden der Elementstrom zwischen den Bauteilen sowie das Korrosionspotential erfasst. Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass über eine zeitlich begrenzte Dauer eine starke kathodische Polarisation der martensitischen Schraubanker durch die korrosive Auflösung des Zinks erfolgt. Als Folge kommt es zur Wasserzersetzung im Phasengrenzbereich der Schraubanker und zur Entstehung von atomarem Wasserstoff. Das berechnete Gasvolumen des entstandenen Wasserstoffs an den Stahlankern wurde bestimmt und lag im Mittel bei 11,14 ± 1,94 ml. Eine Diffusion des an der Stahloberfläche adsorbierten Wasserstoffs in den martensitischen Werkstoff ist somit theoretisch möglich und impliziert eine mögliche Gefährdung durch wasserstoffinduzierte Rissbildung und spontanes Versagen unter Belastung.
Mit Hilfe des KorroPad-Prüfverfahrens konnten verschiedene umgebungs- sowie prozessbedingte Einflüsse in Parameterstudien gezielt untersucht werden. So konnte der negative Einfluss von korundbasierten Schleifmitteln auf die Passivschichtausbildung nachgewiesen werden. Weiterhin konnte mittels KorroPad die Wirksamkeit verschiedener Oberflächenbearbeitungsverfahren bei der Schweißnahtnachbearbeitung untersucht und daraus Erkenntnisse für die Prozessoptimierung gewonnen werden. In den hier gezeigten Untersuchungen hat sich das KorroPad-Prüfverfahren für die Beschreibung der Passivschichtstabilität als hervorragend geeignet erwiesen.
Die Zielsetzung dieses Projektes war es, ein kombiniertes Schutzsystem aus Spritzverzinkung und abdichtendem Oberflächenschutzsystem für die Instandsetzung chloridbelasteter und korrosionsgeschädigter Stahlbetonbauteile zu entwickeln. Dabei soll die Spritzverzinkung der Betonoberfläche in den ersten Jahren nach der Instandsetzung einen kathodischen Korrosionsschutz der Bewehrung bewirken, bis der Beton infolge des Oberflächenschutzsystems soweit ausgetrocknet ist, dass auch ohne kathodischen Schutz praktisch keine Korrosion der Bewehrung mehr stattfinden kann.
Anhand von Untersuchungen zur Haftung zwischen Beton, Zinkschicht und verschiedenen Oberflächenschutzsystemen wurde der Aufbau des kombinierten Schutzsystems entwickelt. Es wurden verschiedene OS-11a-Systeme ein OS-13-System sowie zwei Systeme nach ZTV-ING, Teil 7 vor und nach künstlicher Bewitterung untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde für das kombinierte System ein OS-11a-System ausgewählt und im weiteren hinsichtlich der Wirksamkeit des kathodischen Schutzes sowie hinsichtlich der Austrocknung des Betons untersucht.
Es zeigte sich sowohl an ausgelagerten Prüfköpfen sowie auf einer angelegten Versuchsfläche auf Freideck eines Parkhauses, dass ein wirksamer galvanischer kathodischer Korrosionsschutz der Bewehrung nur bei sehr hohen Chloridgehalten (4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt) erreicht werden kann. Bei geringeren untersuchten Chloridgehalten kam es vermutlich infolge der Austrocknung der Zink/Beton-Kontaktzone nach relativ kurzer Zeit zu einer Inaktivierung des Zinks. Bei Chloridgehalten von 4 M.-% bildeten sich zwischen der Zinkschicht und dem ausgewählten OS-System gasgefüllte Blasen. Diese Problematik, sowie die Tatsache dass die Wirksamkeit des Prinzips W (Austrocknung des Betons) bei derart hohen Chloridgehalten bezweifelt werden muss, grenzt die Anwendbarkeit des Kombinationssystems mit der Zinkschicht als Opferanode deutlich ein.
An neun Jahre alten, ausgelagerten Prüfköpfen durchgeführte Untersuchungen zeigten jedoch, dass mittels Fremdstrombeaufschlagung zwischen Zinkschicht und Bewehrung ein wirksamer kathodischer Schutz auch bei geringeren Chloridgehalten erreicht werden kann. Der Einsatz des entwickelten Kombinationssystems mit Fremdstrombeaufschlagung erscheint somit durchaus durchführbar. Dabei sollte der Fremdstrom jedoch vorsichtig dosiert werden, um den Haftverbund zum Zink nicht zu sehr zu schwächen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.
Durch eine breite Beteiligung von Schleifmittelherstellern, -anwendern und wissenschaftlichen Einrichtungen im projektbegleitenden Ausschuss (PA) konnte der vielschichtige Themenkomplex „Schleifen“ im Kontext zu den Projektzielen umfassend untersucht werden. Es wurden praxisrelevante Parameterfelder definiert, die eine erfolgreiche Aufklärung der Projektfragestellung ermöglichten.
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein signifikanter Einfluss beim Einsatz von Granulatschleifbändern auf das Korrosionsverhalten geschliffener Oberflächen festgestellt. Damit zeigten geschliffene Oberflächen regelmäßig eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Oberflächen, die mit sonst gleichen Parametern mit einlagig gestreuten Bändern bearbeitet wurden.
Die durch einige Untersuchungsergebnisse aus vorangegangenen AiF-Vorhaben ursprünglich verfolgte These, dass Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit auf die Kornart der Schleifmittel Korund bzw. SiC zurückzuführen ist, konnte nur bedingt bestätigt werden. Bei den systematischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes erwies sich der Einfluss der Kornart im Vergleich zum Einfluss des Schleifbandtyps (Granulat bzw. einlagig gestreutes Korn) als weniger relevant.
Durch weiterführende Untersuchungen konnten auf Oberflächen, die mit Granulatschleifbändern bearbeitet wurden, große Materialaufplattungen aus Eigenmaterial festgestellt werden. Das Eigenmaterial wird dabei im Schleifprozess zunächst abgetragen und aufgrund der Topografie des Schleifbandes zeitweise auf den Bändern festgehalten. Später lösen sich diese Materialanhäufungen vom Band ab und können prozessbedingt durch Wärme- und Krafteinwirkung auf den bearbeiteten Oberflächen aufgeplattet werden. Durch REM und KorroPad Untersuchungen ließen sich Bereiche mit solchen Eigenmaterialaufplattungen eindeutig als wesentliche Ausgangspunkte für Korrosionsprozesse identifizieren. Das aufgeplattete Material ist stark verformt, thermisch beeinflusst und bildet eine Spaltgeometrie zur Bauteiloberfläche aus. Diese Veränderungen führen zur Störung der Passivschichtausbildung in diesen Bereichen und verursachen damit eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Oberflächen.
Durch gezielte Nachbearbeitungsprozesse ist es möglich, die Eigenmaterialaufplattungen von den Oberflächen zu entfernen. Im Rahmen des Vorhabens wurde dazu eine Nachbearbeitung mittels Schleifvlies geprüft, die zu einer Entfernung der Eigenmaterialaufplattungen und damit zu einer Wiederherstellung der erwarteten Korrosionsbeständigkeit führte. Wird der Endschliff von Oberflächen mit einlagig gestreutem Korn ausgeführt, sind ebenfalls keine korrosionsrelevanten Materialaufplattungen zu erwarten.
Die in einem vorhergehenden AiF Vorhaben IGF 17136 N/1 entwickelte Methode der KorroPad-Prüfung konnte auch hier erfolgreich für die Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen eingesetzt werden. Zudem erwies sich das EPR-SL-Verfahren als ein weiterer Ansatz, um die Passivschichtstabilität verschieden geschliffener Oberflächen vergleichend untersuchen zu können.
Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen können kmU künftig durch Anpassungen und Optimierung von Schleifprozessen eine gute Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen sicherstellen. Die Optimierung der Prozessparameter und -schritte kann durch den Einsatz der KorroPad-Prüfung Inhouse erfolgen und somit die laufende Fertigung im Rahmen der Qualitätsprüfung überwacht und dokumentiert werden.
Samples of the austenitic stainless steel grade X5CrNi18‐10 (1.4301, AISI 304) were ground industrially with various grinding parameters to study their influence on corrosion resistance. The ability of the mechanically ground surfaces to form a stable passive layer was evaluated by KorroPad test and a modified electrochemical potentiodynamic reactivation test based on a single loop (EPR‐SL). Furthermore, the surfaces were characterized by surface analytical methods. The main influence was determined regarding abrasive belt type. Surfaces mechanically ground with granulate abrasive belts constantly had a lower corrosion resistance than surfaces ground with single‐coated grain. The granulate abrasive belts generated more sensitized surface areas and left formations of welded sample material on the mechanically ground surfaces. A post‐treatment with a nonwoven abrasive proved to be an effective finishing process by which the surface defects and sensitized material got removed and the surfaces regained the expected corrosion resistance.
The corrosion resistance of stainless-steels grades is of high importance for the technical safety in different environmental conditions. Processing and surface finish influences the corrosion resistance of ferritic stainless steels, which may be considered for some application in marine environment. Three ferritic stainless steel alloys (X2CrNi12, X2CrTiNb18 and X2CrMoTi18-2) were exposed in four different surface finishes (rolled, dry grinding, glass beaded and electro polished) for five years in marine environment to obtain reliable information about the corrosion resistance. All samples were assessed after 22 and 60 months according to DIN EN ISO 10289 in validation degrees from 1 to 10. Complementary investigation using accelerated chamber test (salt spray test followed by four weeks storage at 30 °C / 80 % relative humidity) and short-term electrochemical methods (electrochemical potentiodynamic reactivation, pitting potentials and the KorroPad method) were conducted to compare their results. The presentation gives an overview on all methods and the generated results, which show benefits and restrictions of long-term, accelerated and short-term corrosion tests.
Recent progress in the qualification of materials used in geothermal energy conversion systems
(2010)
Electrochemical noise measurements on anodically polarised type 304 stainless steel surfaces in contact with buffer solutions of neutral pH were performed to study the effect of chloride ions in the nucleation of pitting corrosion. Passive layer stability and susceptibility to pitting corrosion after pickling and passivation at different environmental conditions were also investigated by means of electrochemical current noise measurements under cathodic and anodic polarisation. According to the obtained experimental results pits nucleate independently on the presence of chloride ions. It has been also shown that protectiveness of stainless steel surfaces after pickling strongly depends on the relative humidity of the environment in which the surface is subsequently passivated.
Unwanted corrosive phenomena on stainless steel surfaces like rouging had been observed for years occurring at certain service conditions. Rouging consists in the formation of a colored surface film containing mainly iron on metallic surfaces in contact with high-purity waters. In spite of numerous hypotheses and experimental examinations a clear explanation about the origin of rouging on stainless steels is currently still lacking. Because rouging occurs even at well passivated stainless steel surfaces the origin of this corrosive phenomenon should be related to the weakness of the stability of the passive film. In the present paper electrochemical noise measurements regarding the stability of the passive layer of alloy 904L (1.4539, X1NiCrMoCu25-20-5) in high-purity water at 70 °C depending on the cathodic process are presented. In addition, the importance of the cathodic reaction on the passivation and stability of the passive layer is discussed.
Electrochemical noise (EN) enables corrosion research and monitoring in real time and with high sensitivity. In the case of submicroscopic nucleation events of pitting corrosion it has been observed that the cathodic process plays a decisive role in the mechanism as well as in the origin of EN signals, which depend not only on the metallic dissolution reaction but also on the electron-consuming process. EN signals arising from the nucleation process of localized corrosion on stainless steels can only be recorded due to the inhibition effect on the cathodic process achieved by the spontaneous formation of the passive layer. In consequence, passive layer stability becomes a significant factor in influencing EN signals. The way in which the passive layer stability affects the acquisition and analysis of EN signals arising from pitting corrosion on stainless steels is discussed in detail.
Hot cracks as stress corrosion cracking initiation sites in laser welded corrosion resistant alloys
(2005)
Although hot cracks at weld surfaces of corrosion resistant alloys (CRAs) might provide access to respective aggressive media and thus, might provide the conditions for a local potential and pH drop, the interaction between hot cracking and corrosion phenomena has not been investigated up to the present. This particularly concerns the initiation of stress corrosion cracking inside such crevices.
As a first approach to clarify the influence of hot cracks on corrosion resistance, considering particularly stress corrosion cracking, hot crack afflicted laser welds of three different CRAs have been subjected to a series of different corrosion tests.
Besides the fact that the Drop Evaporation (DE) Test represents a more realistic procedure than standard immersion tests it turned out that hot cracks can obviously represent an initiation site of stress corrosion cracking in the austenitic stainless steel AISI 309 (German No. 1.4828). The susceptibility of such hot crack afflicted laser welds to stress corrosion cracking (SCC) significantly depends on temperature and chloride concentration of the test environment In comparison, the high nitrogen austenitic stainless steel AISI S 34565 (German No. 1.4565) did not exhibit any stress corrosion cracking associated with hot cracking. This material exhibited pitting corrosion and stress corrosion only in the base material. The Alloy 50 (German No. 2.4850), a Nickel based material, was susceptible to pitting corrosion, but showed no tendency towards stress corrosion cracking at all.
Agar gel pads have been used for electrochemical measurements for some time. For zinc in particular, a standard method for measuring the stability of the corrosion product layer is being established. The main interpretation factor is the corrosion product layer resistance RL, as it is easy to determine and interpret. A high corrosion product layer resistance indicates a high level of protection. However, it is not yet known how low the corrosion product layer resistance is for freshly produced zinc samples. As zinc is highly active, it reacts immediately with the environment to form a corrosion product layer, which affects the corrosion product layer resistance. The addition of zinc acetate to the agar gel pads prevents the formation of a surface layer and destroys existing ones.
This makes it possible to measure an almost corrosion product-free zinc surface. This is important in defining the range of corrosion product layer resistance for a protective surface.
Although zinc and zinc coatings have been widely used for corrosion protection for decades new zinc coatings are constantly being developed. Characterizing the corrosion protectiveness of these new coatings, however, should not be underestimated. While exposure tests are time intensive, cyclic tests can only be used for a very limited field of application. Thus, electrochemical measurements provide both an efficient and an effective alternative. Conventional aqueous bulk electrolytes influence the surface layers of a tested zinc coating and are therefore not reliable. Gel electrolytes, however, have evolved over the last few years, are minimally invasive and provide reliable results.
This work describes experiments with gel electrolytes made of agar. Unlike previous work, it proposes a composition of gel electrolyte for minimally invasive description of the protective power of naturally formed oxide layers on zinc and zinc coatings. Therefore, as a first part, the gel electrolyte made of agar is verified as a method for zinc and zinc-coated samples. Afterwards, this paper introduces the corrosion product layer resistance RL as a promising parameter to evaluate the protective power of zinc coatings. Results are verified with EIS and FTIR measurements. An example on a representative zinc coating demonstrates the practical application.