100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
Основные понятия, термины, определения
Коррозионная стойкость - способность материала противостоять действию агрессивных сред (коррозии).
Коррозия (от лат. соrrоsiо - разъедание) - разрушение материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия со средой.
Строительные материалы, и в первую очередь их поверхности, в течение длительной эксплуатации разрушаются в основном в результате двух видов воздействия: коррозионного, связанного с влиянием на материал внешней, агрессивной среды, и эрозионного, вызываемого механическим воздействием.
Эрозионное разрушение интенсивно протекает при относительно быстром перемещении среды или материала. Особенно большой величины эрозия достигает при контакте материала с расплавами металлов и шлаков, а также с газообразными окислителями и пр.
Явления коррозии и эрозии часто сопутствуют друг другу, и поэтому их не всегда удается разделить. В строительном материаловедении эти явления рассматривают раздельно. Эрозионные процессы рассматриваются при изучении эксплуатационных свойств покрытий полов, дорожных покрытий и пр.
Виды коррозии строительных материалов
Коррозия строительных материалов различается по виду коррозионной среды, характеру разрушения и процессам, происходящим в них:
коррозионная среда :
газовая: (инертный газ; химически активный газ);
жидкостная: (кислотная; соленая; щелочная, морская; речная; в расплаве металлов, силикатов)
характер разрушения : (равномерное, солевая, неравномерное, избирательное, поверхностное, растрескивание, местное, межкристаллитное);
виды воздействий (процессов): (химические; электрохимические; биологические).
Газовая коррозия представляет собой коррозию в газовой среде при полном отсутствии конденсации влаги на поверхности материала. Этому виду коррозии подвержены материалы, работающие в условиях высоких температур в среде осушенного газа (керамика). Газовая коррозия относится к химическим процессам разрушения. Скорость ее зависит от природы материала, его структуры и свойств новообразований на его поверхности.
Жидкостная коррозия природных и искусственных каменных материалов, происходящая под действием растворов электролитов и не электролитов, а также различных расплавов, носит в основном химический характер, хотя, в зависимости от вида и свойств жидкости отличается рядом особенностей. Важнейшей особенностью жидкостей является наличие в них сил межмолекулярного взаимодействия. Этим обусловлены два свойства жидкого состояния: молекулярное давление и связанное с ним поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение жидкости оказывает большое влияние на интенсивность разрушения материала, которое определяется так же смачивающими свойствами жидкости.
Равномерная коррозия возникает в результате действия агрессивной среды при достаточной толщине изделия и равномерном распределении напряжений сжатия, изгиба или растяжения. Коррозия этого вида в отличие от других в значительно меньшей степени влияет на прочностные свойства материала.
Неравномерная, или местная коррозия (пятна, язвы, разводы) происходит при различной концентрации агрессивной среды на от дельных участках или неоднородности самого материала (его состава и структуры). Так, в результате неравномерного распределения кристаллической и стекловидной фаз в керамическом материале коррозионное разрушение на его отдельных участках протекает с разной скоростью. При этом в стекловидной фазе процесс развивается значительно быстрее, чем в кристаллической. Наличие в материале неоднородной пористости также способствует образованию в нем неравномерной коррозии.
Избирательная коррозия характерна для материалов, в которых один из компонентов при формировании структуры образует легко растворимые соединения. В период эксплуатации эти соединения могут переходить в раствор, образуя на поверхности материала так называемые «высолы».
Межкристаллитная коррозия возникает в результате разрушения материала по границам зерен и быстро распространяется в глубь материала, резко снижая его свойства. Этот вид коррозии присущ некоторым обжиговым материалам, при спекании которых образуются новые фазы, твердые растворы и пр. и, следовательно, границы раздела.
Коррозионное воздействие в общем случае может иметь два принципиально различных механизма: химическое взаимодействие и растворение .
Химическое взаимодействие сводится к реакции между средой и материалом с образованием новых соединений. При наличии в агрессивных средах примесей, а в материале - добавок химические реакции могут протекать между всеми элементами взаимодействия. Поскольку каменные материалы являются диэлектриками и взаимодействие их с агрессивной средой не сопровождается возникновением электрических токов, процесс разрушения материалов называют химической коррозией.
При воздействии агрессивных сред на металлы происходит электрохимический процесс передачи электронов из слоя металла с более низким электрическим потенциалом к слою с более высоким потенциалом и восстановление электроположительных ионов с последующим разрушением поверхностного слоя. Такой процесс разрушения принято называть электрохимической коррозией .
Биологическая коррозия - разрушение материала под непосредственным воздействием растительных и животных организмов, а также микроорганизмов. Высшие растительные организмы (корневая система, стебли, листья, семена и пр.) в процессе жизнедеятельности продуцируют различные виды веществ, большинство из которых по отношению к строительным материалам являются агрессивными. Животные организмы вызывают биоповреждения материалов как непосредственно своим механическим воздействием (грызуны, птицы и пр.), так и продуктами своей жизнедеятельности. Низшие растительные организмы и микроорганизмы (водоросли, лишайники, мхи, грибки, бактерии и пр.) разрушают поверхностные слои бетонов и создают условия для гниения конструкций из древесины.
Коррозию, возникающую в результате воздействия на строительные материалы продуктов технологической переработки органических веществ как биогенного (фрукты, овощи, растительные масла, кровь, соки, жиры и пр.), так и небиогенного происхождения (нефть, уголь, сланцы, известняки-ракушечники, выхлопные газы, копоть и пр.), принято называть органогенной коррозией .
Факторы, влияющие на коррозионную стойкость строительных материалов
Коррозионная стойкость строительных материалов зависит от многих факторов, которые подразделяются на внешние и внутренние.
Внешние факторы определяют агрессивность среды и ее влияние на материал. К ним можно отнести рН среды, температуру и ее перепад, а также интенсивность воздействия среды на материал.
Водородный показатель раствора электролита, характеризующий активность в нем ионов водорода, является весьма важным фактором, влияющим на процесс химической коррозии. Скорость коррозии силикатов в растворах электролитов в значительной степени зависит от характера растворов и протекает по-разному в кислых, щелочных или нейтральных средах.
Вода как участник технологического процесса рассматривается в двух аспектах: как нейтральный компонент, служащий для придания смеси необходимых свойств, и как растворитель и переносчик ионов.
Причиной коррозии многих строительных материалов в воде или в других электролитах является термодинамическая неустойчивость соединений, содержащихся в этих материалах, которая связана с развитием процессов гидратации, сопровождающихся экзотермическими или эндотермическими эффектами.
Экзотермический эффект свидетельствует о созидательном процессе в материале, например при гидратации цемента, а эндотермический эффект - о разрушительном, например при гидратации керамического черепка.
Поведение химических элементов в растворах во многом зависит от величины радиусов ионов и их валентности, а точнее, от величины отношения валентности иона к его радиусу, называемой ионным потенциалом:
где РI - ионный потенциал, Å-1 ;
V - валентность, ед.;
R - ионный радиус, Å..
Чем меньше ионный потенциал, тем сильнее проявляются основные свойства элементов, чем он больше - кислотные. Например, К и Na характеризующиеся малыми ионными потенциалами, соответственно 0,75 и 1,02, обладают резко выраженными щелочными свойствами. Элементы, имеющие ионный потенциал в пределах 4,7... 8,6, обладают амфотерными свойствами, а при РН> 8,6 кислотными свойств
Сравнивая активность элементов по ионному потенциалу, получим следующее распределение катионов в порядке убывания:
SiO2 → TiO2 → MgO → Fe → Cu
Высокий ионный потенциал катиона кремния обусловливает образование прочных анионных групп с ионами кислорода.
Температура - одна из важнейших переменных, влияющих на коррозионную и эрозионную стойкость. Повышение температуры, как правило, способствует усилению коррозионного воздействия за счет увеличения предельной растворимости, скорости диффузии и интенсивности химических реакций.
Перепады температур в системе вызывают термический перенос массы, что может сделать непригодным применение материала, который в нормальных условиях имеет малую растворимость.
Интенсивность воздействия среды влияет на скорость коррозионных процессов. Увеличение объема среды, находящейся в контакте с материалом, может усилить коррозионное воздействие за счет увеличения средней скорости растворения материала.
Внутренние факторы - это состав, структура материала и его свойства.
Ввиду особенностей строения различных материалов влияние на них внешних факторов неодинаково, и поэтому коррозионную стойкость обжиговых, плавленых, гидратационных материалов, а также металлов и древесины рассматривают раздельно. И мы с Вами начнем изучение свойств конкретных материалов со следующей лекции.
Общие принципы повышения коррозионной стойкости
Коррозионная стойкость определяется массой материала, превращенного в продукты коррозии в единицу времени с единицы площади, находящегося во взаимодействии с агрессивной средой, а также размером разрушенного слоя в мм за год.
Основными принципами повышения коррозионной стойкости строительных изделий и конструкций являются:
Подбор состава композиций, отличающегося низкой активностью в агрессивных средах;
Использование специальных покрытий для химической, тепловой и механической защиты изделий и конструкций от воздействия агрессивных сред.
Следует отметить, что основным критерием, определяющим эксплуатационные свойства строительных материалов, является время. Поэтому такие характеристики материала, как водостойкость, морозостойкость и коррозионная стойкость, являются не истинно физическими свойствами, а лишь условными показателями изменения состояния его структуры при продолжительном постоянном или циклическом воздействии на материал агрессивной среды.
Сохранение эксплуатационных характеристик во времени принято называть долговечностью строительных материалов .
Скорость коррозионного разрушения металла характеризуется весовым или глубинным показателем. Первый выражает изменение веса образца за счет коррозии, отнесенное к единице поверхности металла и единице времени. Второй -- показывает глубину коррозионного разрушения металлического образца, выраженную в линейных единицах и отнесенную к единице времени.
Пользование только одним из этих показателей зачастую не дает правильного представления об опасности коррозии для сооружения. Так, например, при развитии местной коррозии весовой показатель может быть незначительным, а сооружение может находиться в аварийном состоянии; наоборот, при равномерной коррозии общие коррозионные потери могут оказаться большими, а в то же время опасность аварии сооружения от коррозии при медленном ее развитии вглубь и достаточной толщине изделия будет меньшей. Поэтому для более полного представления о скорости и характере коррозии следует пользоваться обоими показателями.
Опасность разрушения сооружения в почве тем больше, чем менее равномерно распределена коррозия по поверхности конструкции. В случае развития местной коррозии наиболее опасными будут те из коррозионных поражений, которые имеют наименьшую площадь, так как они быстрее других развиваются вглубь стенки конструкции вследствие сосредоточения анодного растворения металла на ограниченной площади.
Характер, скорость коррозии и особенности ее распределения по поверхности сооружения определяются как свойствами самого металла, так и внешними условиями. В зависимости от комбинации внешних условий количественные показатели коррозии для одного и того же металла могут изменяться в значительных пределах.
Поэтому реальная коррозионная стойкость того или иного металла является относительной. Она не может быть выражена абсолютной мерой без всестороннего учета условий, в которых развивается процесс коррозии. Следовательно, в идеальном случае определение объема и вида защитных мероприятий должно базироваться на тщательном изучении и анализе всей совокупности внешних и внутренних факторов коррозии.
Коррозионная стойкость -- способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях. Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии.
Для количественной оценки можно использовать:
- · время, истекшее до появления первого коррозионного очага;
- · число коррозионных очагов, образовавшихся за определённый промежуток времени;
- · уменьшение толщины материала в единицу времени;
- · изменение массы металла на единице поверхности в единицу времени;
- · объём газа, выделившегося (или поглощённого) в ходе коррозии единицы поверхности за единицу времени;
- · плотность тока, соответствующая скорости данного коррозионного процесса;
- · изменение какого-либо свойства за определённое время коррозии (например, и др. электросопротивления, отражательной способности материала, механических свойств).
Разные материалы имеют различную коррозионную стойкость, для повышения которой используются специальные методы. Так, повышение коррозионной стойкости возможно при помощи легирования (например, нержавеющие стали), нанесением защитных покрытий (хромирование, никелирование, окраска изделий), пассивацией
Оценка коррозионной стойкости
Для характеристики коррозионных свойств материалов обычно проводят их испытания на стойкость против общей коррозии, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания .
Испытания на общую коррозию. Испытания на общую коррозию проводят на образцах с большим отношением поверхности к объему. Коррозионную среду выбирают с учетом условий эксплуатации материала. Испытания проводят в жидкости при постоянном или многократно повторяемом переменном погружении образцов, в кипящем соляном растворе, в парах или окружающей атмосфере.
Скорость коррозии металлов и сплавов характеризуется глубинным показателем коррозии h K , мм/год – табл. 2 или потерей массы g K , г/(м 2 ∙ч) – табл. 3.
Пересчет обоих показателей проводят по формуле:
h K = 8,76 g K / ρ, (1)
где h K – скорость коррозии, мм/год;
ρ – плотность, г/см 3 ;
g K – потеря массы образца, г/(м 2 ч).
Характеристики h K и g K предполагают равномерную коррозию и обычно представляют усредненную по поверхности скорость коррозии. Вместе с тем известно, что локальные виды коррозии наиболее опасны. При сравнительно небольшой общей потере массы металла происходит сильное локальное разрушение конструкции, а это приводит к преждевременному выходу оборудования из строя.
Таблица 2
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов по глубине коррозии
| Балл коррозионной стойкости | Скорость коррозии h K , мм/год | Группа стойкости |
| ≤ 0,001 | Совершенно стойкие | |
| (> 0,001) – 0,005 | Весьма стойкие | |
| (> 0,005) – 0,01 | Весьма стойкие | |
| (> 0,01) – 0,05 | Стойкие | |
| (> 0,05) – 0,1 | Стойкие | |
| (> 0,1) – 0,5 | Понижено стойкие | |
| (> 0,5) – 1,0 | Понижено стойкие | |
| (> 1,0) – 5,0 | Малостойкие | |
| (> 5,0) – 10,0 | Малостойкие | |
| > 10,0 | Нестойкие |
Таблица 3.
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости по скорости коррозии образца
| Балл кор. стойкости | Группа стойкости | Потеря массы, g K , г/(м 2 ∙ч) | |||||
| Черные металлы | Медь и сплавы | Никель и сплавы | Свинец и сплавы | Алюминий и сплавы | Магний и сплавы | ||
| Совершенно стойкие | <0,0009 | <0,001 | <0,001 | <0,0012 | <0,0003 | <0,0002 | |
| Весьма стойкие | 0,0009-0,0045 | 0,001-0,0051 | 0,001-0,005 | 0,0012-0,0065 | 0,0003-0,0015 | 0,0002-0,001 | |
| Весьма стойкие | (>0,0045)-0,009 | (>0,0051)-0,01 | (>0,005)-0,01 | (>0,0065)-0,012 | (>0,0015)-0,003 | (>0,001)-0,002 | |
| Стойкие | 0,009-0,045 | 0,01-0,051 | 0,01-0,05 | 0,012-0,065 | 0,003-0,015 | 0,002-0,01 | |
| Стойкие | (>0,045)-0,09 | (>0,051)-0,1 | (>0,05)-0,1 | (>0,065)-0,12 | (>0,015)-0,03 | (>0,01)-0,02 | |
| Понижено стойкие | (>0,09)-0,45 | (>0,1)-0,5 | (>0,1)-0,5 | (>0,12)-0,65 | (>0,03)-0,15 | (>0,02)-0,1 | |
| Понижено стойкие | (>0,45)-0,9 | (>0,5)-1,02 | (>0,5)-1,0 | (>0,65)-1,2 | (>0,15)-0,31 | (>0,1)-0,2 | |
| Малостойкие | (>0,9)-4,5 | (>1,02)-5,1 | (>1,0)-5,0 | (>1,2)-6,5 | (>0,31)-1,54 | (>0,2)-1,0 | |
| Малостойкие | (>4,5)-9,1 | (>5,1)-10,2 | (>5,0)-10,0 | (>6,5)-12,0 | (>1,54)-3,1 | (>1,0)-2,0 | |
| Нестойкие | >9,1 | >10,2 | >10,0 | >12,0 | >3,1 | >2,0 |
Поэтому необходима проверка коррозионной стойкости материалов в конкретных условиях эксплуатации, особенно в тех случаях, когда присутствует опасность локальной коррозии.
Испытания на межкристаллитную коррозию (ГОСТ 6032-84). Основной причиной межкристаллитной коррозии коррозионностойких материалов является нагрев при обработке давлением или сварке, приводящий к электрохимической гетерогенности между приграничными участками и объемом зерен.
Температурно-временная область выделения по границам зерен коррозионностойких сталей карбидов хрома приведена на рис. 4. Внутри нее находится область сенсибилизации – повышенной чувствительности к межкристаллитной коррозии. Склонность к межкристаллитной коррозии проявляется в температурном интервале Т max –T min за минимальное время τ min , в течение которого происходит сенсибилизация.
Рис. 4. Температурно-временная область склонности
коррозионностойкой аустенитной стали к межкристаллитной коррозии (МКК), связанной с обеднением границ зерен по хрому:
Т р – температура растворения карбидов; γ – аустенит;
К – карбиды
При испытаниях на МКК хромистые стали подвергают провоцирующему нагреву при температуре 1100 °С в течение 30 ч, а хромоникелевые аустенитные – при температуре около 700 °С в течение 60 ч. После нагрева образцы выдерживают в течение длительного времени в кипящем водном растворе серной или азотной кислоты. Выбор длительности выдержки и вида коррозионной среды зависит от конкретной марки стали и ее назначения. Для контроля склонности к МКК образцы либо изгибают на оправке на угол 90°, либо подвергают травлению специальными реактивами и металлографическому исследованию. Отсутствие трещин на поверхности образца свидетельствует о его стойкости к МКК.
На рис. 5 приведены микроструктуры стали 08Х18Н10 после испытаний на межкристаллитную коррозию в разных средах.
Рис.5. Микроструктура стали 08Х18Н10
после закалки с 1050 °С в воде и отпуска при 700 °С:
а – межкристаллитная коррозия при испытании
в растворе 25 %-ной HNO 3 + 40 г/л Сr 6+ , продолжительность 200 ч;
б – то же в растворе кипящей 65 %-ной HNO 3 + Сr 6+ , × 500
Испытания на коррозионное растрескивание . Этот вид испытаний проводят при нагружении образца в коррозионной среде, соответствующей служебным условиям эксплуатации детали. Среда не должна вызывать общей коррозии и оказывать воздействие на ненагруженные образцы металла. Для аустенитных хромоникелевых сталей примером такой среды может служить кипящий раствор смеси солей MgCl 2 , NaCl и NaNO. Агрессивность сред должна быть не меньше той, в которой должны служить испытуемые материалы.
Испытания на коррозионное растрескивание могут проводиться либо в условиях, вызывающих разрушение материалов (испытания на растяжение, на вязкость разрушения и усталость), либо путем определения времени появления первой трещины. Последний вид испытаний состоит в фиксации нагруженных образцов в специальных приспособлениях или с помощью создания напряжений клином в разрезанных кольцах. Время до появления трещин характеризует стойкость материалов против коррозионного растрескивания.
Контрольные вопросы\
1. Перечислите методы защиты металлов и сплавов от коррозии.
2. Чем определяется выбор метода защиты от коррозии?
3. Что такое легирование стали?
4. Что такое биметаллы?
5. Каким методом изготавливают биметаллы?
6. Что такое ингибиторы коррозии?
7. Каков механизм защиты металлов и сплавов от коррозии с помощью анодных ингибиторов?
8. Каков механизм защиты металлов и сплавов от коррозии с помощью катодных ингибиторов?
9. Каковы преимущества использования летучих ингибиторов?
10. Какая форма изделий является предпочтительной для замедления процессов коррозии?
11. Как влияет на скорость коррозии чистота обработки деталей?
12. Чем объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия и его сплавов?
13. Назовите наиболее коррозионностойкие черные сплавы.
14. Назовите наиболее коррозионностойкие цветные сплавы.
15. Чем определяется выбор вида коррозионной защиты?
16. Какие виды коррозии исследуют при проведении испытаний на коррозионную стойкость?
17. В какой коррозионной среде проводят испытания на общую коррозию?
18. Какими показателями характеризуется скорость коррозии металлов и сплавов?
19. Какова размерность глубинного показателя коррозии?
20. Какова размерность потери массы образца при коррозии?
21. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к совершенно стойким?
22. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к весьма стойким?
23. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к стойким?
24. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к малостойким?
25. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к нестойким?
26. Какова потеря массы образца черного сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 3?
27. Какова потеря массы образца медного сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 7?
28. Какова потеря массы образца никелевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 4?
29. Какова потеря массы образца свинцового сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 5?
30. Какова потеря массы образца алюминиевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 9?
31. Какова потеря массы образца магниевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 10?
32. Что является основной причиной межкристаллитной коррозии?
33. Расшифруйте марку сплава 08Х18Н10.
34. В какой коррозионной среде проводят испытания на коррозионное растрескивание?
35. Как проводятся испытания на коррозионное растрескивание?
Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях.
Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии.
Для количественной оценки можно использовать:
- число коррозионных очагов, образовавшихся за определённый промежуток времени;
- время, истекшее до появления первого коррозионного очага;
- изменение массы металла на единице поверхности в единицу времени;
- уменьшение толщины материала в единицу времени;
- плотность тока, соответствующая скорости данного коррозионного процесса;
- объём газа, выделившегося (или поглощённого) в ходе коррозии единицы поверхности за единицу времени;
- изменение какого-либо свойства за определённое время коррозии (например, электросопротивления, отражательной способности материала, механических свойств)
Разные материалы имеют различную коррозионную стойкость, для повышения которой используются специальные методы. Повышение коррозионной стойкости возможно при помощи легирования (например, нержавеющие стали), нанесением защитных покрытий (хромирование, никелирование, алитирование, цинкование, окраска изделий), пассивацией и др. Устойчивость материалов к воздействию коррозии, характерной для морских условий, исследуется в камерах солевого тумана.
Наиболее лёгкой формой коррозионного воздействия является изменение цвета и потеря блеска, что в принципе мало заметно издалека. При помощи санации поверхности обычно можно вернуть стали прежний привлекательный вид.
Оспенная коррозия
Оспенная коррозия (питтинговая коррозия) — это вид коррозионного воздействия, вызываемого хлоридами.
Обычно сначала появляются маленькие точки тёмно-рыжего цвета и лишь в очень сложных случаях они могут разрастаться до такой степени, что коррозия переходит в новую стадию, сплошную поверхностную коррозию. Риск возникновения коррозии усиливается, если на поверхности после сваривания остаются инородные материалы (лак и т.п.), если на поверхность попадают частицы другого корродировавшего металла, если после термообработки не был удалён цвет побежалости.
Коррозионное растрескивание
Коррозионное растрескивание — это разрушение металла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды. Оно характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла.
Такой вид коррозии появляется в средах с повышенным содержанием хлоридов, например, в бассейнах.
Щелевая коррозия
Щелевая коррозия — возникает в местах стыка, обусловленных конструктивными или эксплуатационными требованиями.
На степень коррозионного воздействия будет оказывать влияние геометрия стыка и тип соприкасающихся материалов. Наиболее опасны узкие стыки с малыми зазорами и соединение стали с пластиками. Если же избежать стыков не возможно, то рекомендуем использовать нержавеющие стали, легированные молибденом.
Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитная коррозия — этот вид коррозии возникает в настоящее время на сталях после сенсибилизации в сочетании с использованием в кислых средах.
Во время сенсибилизации выделяются карбиды хрома, которые накапливаются по границам зёрен. Соответственно возникают области с пониженным содержанием хрома и более подверженные коррозии. Подобное происходит, например, во время сваривания в зоне теплового воздействия.
Все аустенитные стали обладают стойкостью к межкристаллитной коррозии. Их можно подвергать свариванию (лист до 6 мм, пруток до 40 мм) без риска возникновения МКК.
Биметаллическая или гальваническая коррозия
Биметаллическая коррозия — возникает при работе биметаллического коррозионного элемента, т.е. гальванического элемента, в котором электроды состоят из разных материалов.
Очень часто необходимо использовать неоднородные материалы, чьё сопряжение при определённых условиях может приводить к коррозии. При сопряжении двух металлов биметаллическая коррозия имеет гальваническое происхождение. При этом виде коррозии страдает менее легированный металл, который в обычных условиях, не находясь в контакте с более легированным металлом, не подвержен коррозии. Следствием биметаллической коррозии является как минимум изменение цвета и, например, потеря герметичности трубопроводов или отказ крепежа. В конечном итоге указанные проблемы могут приводить к резкому сокращению срока службы строения и необходимости преждевременного капитального ремонта. В случае с нержавеющими сталями биметаллической коррозии подвергается сопрягаемый с ними менее легированный металл.
Лабораторная работа №8
Цель работы: ознакомление с механизмами и скоростями коррозионного разрушения металлов.
1. Методические указания
Коррозионное разрушение металлов – это самопроизвольный переход металла в более устойчивое окисленное состояние под действием окружающей среды. В зависимости от характера окружающей среды различают химическую, электрохимическую и биокоррозию.
Электрохимическая коррозия – наиболее распространенный тип коррозии. Коррозия металлических конструкций в естественных условиях – в море, в земле, в грунтовых водах, под конденсационными или адсорбционными пленками влаги (в атмосферных условиях) носит электрохимический характер. Электрохимическая коррозия ̶ это разрушение металла, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества макро- и микрогальванических пар. Механизм электрической коррозии разделяется на два самостоятельных процесса:
1) анодный процесс - переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного количества электроном в металле:
(-)A: Me + mH 2 O → 1+ + ne
2) катодный процесс ассимиляция избыточных электронов в металле какими-либо деполяризаторами (молекулами или ионами раствора, которые могут восстанавливаться на катоде). При коррозии в нейтральных средах деполяризатором обычно служит коррозии в растворенный в электролите кислород:
(+)K: O 2 + 4e +2H 2 O →4OH¯
При коррозии в кислых средах – ион водорода
(+)K: H·H 2 O + e → 1/2H 2 +H 2 O
Макрогальванические пары возникают при контакте различных металлов. При этом металл, имеющий более отрицательный электродный потенциал является анодом и подвергается окислению (коррозии).
Металл, имеющий более положительный потенциал, служит катодом. Он выполняет роль проводника электронов от металла-анода к частицам окружающей среды, способным эти электроны принимать. Согласно теории микропар, причиной электрохимической коррозии металлов является наличие на их поверхности микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих вследствие неоднородности металла и его контакта с окружающей средой. В отличие от специально изготовленных в технике гальванических элементов они возникают на поверхности металла самопроизвольно. В тонком слое влаги, всегда существующем на поверхности металла, растворяют О 2 ,СО 2 , SO 2 и другие газы из воздуха. Это создает условия для соприкосновения металла с электролитом.
С другой стороны, различные участки поверхности данного металла обладают разными потенциалами. Причины этого многочисленны, например, разность потенциалов между различно обработанными частями поверхности, разными структурными составляющими сплава, примесями и основным металлом.
Участки поверхности образна с более отрицательным потенциалом становятся анодами и растворяются (корродируют) (рис 1.1).
Часть освободившихся электронов перейдет с анода на катод. Поляризация электродов, однако, препятствует коррозии, так как электроны, оставшиеся на аноде, образуют с перешедшими в раствор положительными ионами двойной электрический слой, растворение металла прекращается. Следовательно, электрическая коррозия может протекать, если электроны с анодных участков постоянно отводятся на катоде, а затем удаляются, с катодных участков. Процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества или ионы, вызывающие деполяризацию называются деполяризаторами. Если имеется контакт какого-либо металла со сплавом, сплав приобретает потенциал, соответствующий потенциалу наиболее отрицательного металла, входящего в его состав. При, контакте латуни (сплав меди с цинком) с железом корродировать станет латунь (за счет наличия в ней цинка). При перемене среды электродный потенциал у отдельных металлов может резко меняться. Хром, никель, титан, алюминий, и другие металлы нормальный электродный потенциал которых резко отрицателен, в обычных атмосферных условиях сильно пассивируется, покрываются оксидной пленкой, вследствие чего их потенциал становится положительным. В атмосферных условиях и пресной воде будет работать следующий гальванический элемент:
(-)Fe | H 2 O, O 2 | Al 2 O 3 (Al) +
(-)A: 2Fe – 4e = 2Fe 2+
(+)K: O 2 + 4e + 2H 2 O = 4OH¯
В итоге: 2Fe 2 + 4OH¯ = 2Fe(OH) 2
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 2Fe(OH) 3
Однако в кислой, щелочной среде или в нейтральной, содержащей ионы хлора (например, в морской воде), разрушающие оксидную пленку, алюминий в контакте с железом становится анодом и подвергается коррозионному процессу. В растворе NaCl и морской воде будет работать следующий гальванический элемент:
| |
(-)A: Al – 3e = Al 3+
(+)K: O 2 +4e + 2H 2 O = 4OH¯
4Al 3 + 12OH¯ = 4Al(OH) 3
Очень часто электрохимическая коррозия возникает в результате различной аэрации, то есть неодинакового доступа кислорода воздуха к отдельным участкам поверхности металла. На рис.1.2. изображен случай коррозии железа и каплей волы. Около краев капли, куда кислороду проникнуть легче, возникают катодные участки, а в центре, где толщина защитного слоя воды больше и кислороду проникнуть труднее анодный участок.
На возникновение коррозиционных гальванических элементов оказывает влияние различие в концентрации растворенного электролита, различие температур и освещенности и другие физические условия.
Защита от коррозии
Причины, вызывающие коррозионное разрушение металлов многочисленны. Разнообразны и методы защиты от коррозии:
обработка внешней среды;
защитные покрытия;
электрохимическая защита;
изготовление специально коррозионно-устойчивых сплавов.
Обработка внешней среды заключается в удалении или понижении активности некоторых, находящихся в ней веществ, вызывающих коррозию. Например, удаление растворенного в йоде кислорода (деаэрация) Иногда в раствор добавляют специальные замедляющее коррозию вещества, которые называются замедлителями или ИHГИБИТОРАМИ (уротропин, тиoмочевина, анилин и другие).
Детали, подвергающиеся защите в атмосферных условиях, помещаются вместе с ингибиторами в контейнер или обертываются бумагой, внутренний слои, которой пропитан ингибитором, а наружный, парафином. Ингибитор, испаряясь, адсорбируется на поверхности детали, обусловливая торможение электродных процессов.
Роль защитных покрытий сводится к изоляции металла от воздействия защитных внешней среды. Это достигается нанесением на поверхность металла лаков, красок, металлических покрытий.
Металлические покрытия делятся на анодные и катодные. В случае АНОДНОГО покрытия электродный потенциал покрывающего металла более отрицателен, чем потенциал защищенного металла. В случае КАТОДНОГО покрытия электродный потенциал покрывающего металла более положителен, чем потенциал основного металла.
Пока защитный слой полностью изолирует основной металл воздействия от окружающей среды, принципиального различия между анодным и катодный покрытием нет. При нарушении же целостности покрытия возникают новые условия. Катодное покрытие, например олово на железе, не только перестает защищать основной металл, но и усиливает своим присутствием коррозию железа (в возникшем гальваническом элементе железо является анодом).
При электрохимической защите уменьшение или полное прекращение коррозия достигается созданием на защищаемом металлическом изделии высокого электроотрицательного потенциала. Для этого защищаемое, изделие или соединяют с металлом, имеющим более отрицательный электродный потенциал, способным легче отдавать электроны (протекторная защита) или с отрицательным полюсом внешнего источника тока (катодная электрозащита).
Анодное покрытие, например цинк на железе, наоборот, при нарушении целостности покрывающего слоя будет само подвергаться разрушению, защищая тем самым основной металл от коррозии (в возникшем гальваническом элементе цинк является анодом).
Изготовление специальных коррозийно-устойчивых сплавов, нержавеющих сталей и т.д. сводится к введению в них добавок различных металлов.
Эти добавки оказывают влияние на микроструктуру сплава и способствуют возникновению в нем таких микрогальванических элементов, у которых суммарная ЭДС вследствие взаимной компенсации приближается к нулю. Такими полезными добавками, особенно для стали, являются хром, никель и другие металлы.
1. Выполнение работы
Задание 1
Проведение качественных химических, реакций позволяющих обнаружить ионы металла, перешедших при анодном процессе коррозии в раствор.
Приборы и реактивы: растворы ZnSO 4 , FeSO 4 и K 3 , набор пробирок.
Ход работы: Налить в пробирки 1-2 мл раствора солей:
а) ZnSO 4 и несколько капель K 3 ;
б) FeSO и несколько капель K 3 .
Отметить выпадающих осадков. Написать соответствующие реакции в молекулярном и ионном виде.
Задание 2
Изучение механизма коррозии металла при непосредственном контакте в нейтральной среде.
Опыт, проводится на установке, изображенной на рис. 1.7
В U-образную трубку налить 5-10 мл водного раствора NaCl. В него опускаются пластины металлов, соединенные между собой при помощи зажимов.
Пластинки металлов должны быть тщательно зачищены наждачной шкуркой, а место контакта пластинки и зажима находятся вне раствора. При выполнении опыта необходимо отметить изменение окраски раствора у катода и анода.
Написать:
1) анодные и катодные процессы коррозии
2) соответствующие реакции, при помощи которых был обнаружен ион металла в растворе
3) схему гальванического элемента.
1. опускаются пластины Zn и Fe.
В раствор, где находится цинковый электрод, добавить несколько капель K 3 , где находится железный электрод, несколько капель фенолфталеина.
2. Опускаются пластины Fe и Cu,
В раствор где находится железный электрод, добавить несколько капель K 3 , где находится медный электрод, несколько капель фенолфталeина.
Сравнить поведение железа в том и другом случае, делать соответствующие выводы.
Задание 3
Изучение механизма коррозии металлов при их непосредственном контакте в кислой среде.
Опыт произвести на установке, изображенной на рис 1.8.
В фарфоровую чашечку налить 10% раствор НСl. В раствор опустить два метала Аl и Си, и наблюдать за поведением металлов. У какого металла выделяются пузырьки водорода? Написать соответствующие реакции. Привести чти металлы в контакт друг с другом. На каком металле выделяются пузырьки водорода при контакте металлов? Составить схему гальванического элемента и электродные процессы на его электродах. Написать суммарное уравнение реакции.
3. Примеры решения задач
Пример 1
Рассмотрим коррозионный процесс при контакте железа со свинцом в растворе HCl
В растворе электролита (HCl) эта система представляет собой гальванический элемент, во внутренней цепи которого Fe является анодом (E°=0.1260). атомы железа, передавая по два электрона свинцу переходят в раствор в виде ионов. Электроны же на свинце, восстанавливают ионы водорода, находящиеся в растворе, т.к.
HCl = H + + Cl¯
Анодный процесс Fe 0 – 2e = Fe 2+
Катодный процесс 2H + + 2e = 2H 0
Пример 2
Коррозионный процесс при контакте Fe c Ph в растворе NaCl. Так как раствор NaCl имеет нейтральную реакцию (соль, образована сильным основанием и сильной кислотой), то
Анодный процесс Fe – 2e = Fe 2+ ,
Катодный процесс O 2 + 4e + 2H 2 O = 4OH¯
Хлористый натрий (NaCl) в коррозионных процессах не участвует, он показан в схеме только как вещество, способное увеличить электропроводность раствора электролита.
Пример 3
Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа.
Решение
Процесс коррозии технического железа ускоряется ввиду образования в нем микро и субмикрогальванических элементов. В микрогальванических парах в качестве анода, как правило, служит основной металл, т.е. железо. Катодами являются включения в металл, например, зерна графита, цемента. На анодных участках ионы металла переходят в раствор (окисление).
A: Fe – 2e = Fe 2+
На катодных участках электроны, перешедшие сюда с анодных участков, связываются либо кислородом воздуха, растворенным в воде, либо ионами водорода. В нейтральных средах происходит, кислородная деполяризация:
K: O 2 + 4e + 2H 2 O = 4OH¯
В кислых средах (высокая концентрация H – ионов) вородная деполяризация
K: 2H + + 2e = 2H 0
Пример 4
Назовите, катодным, или анодным является цинковое и покрытие на железном изделии? Какие процессы будут протекать, если целостность покрытия нарушится, и изделие будет находиться во влажном воздухе?
Решение
Электродный потенциал цинка по своей алгебраической величине ниже, чем электродный потенциал железа, поэтому покрытие является анодным. В случае нарушения целостности слоя цинка образуется коррозионная гальванопара, в которой цинк будет анодом, а железо катодом. Анодный процесс заключается в окислении цинка:
Zn 2+ + 2OH = Zn(OH) 2
Катодный процесс протекает на железе. Во влажном воздухе происходит преимущественно кислородная деполяризация.
K(Fe): O 2 + 4e + 2H 2 O = 4OH¯
Пример 5
Кадмиевая и никелевая пластины, будучи погружены в разбавленную серную кислоту, растворяются в ней с выделением водорода. Что изменится, если опустить их обе одновременно в сосуд с кислотой, соединив концы проволокой?
Решение
Если соединить концы кадмиевой и никелевой пластин проволокой, образуется кадмий, никелевый гальванический элемент, в котором кадмий, как более активный металл, является анодом. Кадмий будет окисляться:
A:Cd – 2e = Cd 2+ ,
Избыточные электроны перейдут на никелевую пластину, где будет происходить процесс восстановления ионов водорода:
K(Ni): 2H + 2e =2H 0 .
Таким образом, растворению подвергаются только кадмий, никель станет только проводником электронов и сам растворяться не будет. Водород будет выделяться только на никелевой пластине.
Пример 6
Как влияет PH среды на скорость коррозии алюминия?
Решение
Уменьшение PH среды, т.е. увеличение концентрации H-ионов резко увеличивает скорость коррозии никеля, - так как кислая среда препятствует образованию защитных пленок гидроксида никеля, в кислой среде происходит активное окисление никеля
A: Ni – 2e = Ni 2+
Снижение концентрации H-ионов, т.е. повышение концентрации OH, способствует образованию слоя гидроксида никеля:
Ni 2+ - 2OH¯ = NI(OH) 2
Гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами, т.е. растворяется в кислотах и щелочах:
Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O
Al(OH) 3 + NaOH = Na AlO 2 + 2H 2 O
Более точно эта реакция протекает так:
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Таким образом, наименьшая скорость коррозии никеля в щелочной среде, алюминия – в нейтральной.
4. Задачи
1. Железная пластинка, погруженная в соляную кислоту, очень медленно выделяет водород, но если прикоснуться к ней цинковой проволокой, то она тотчас же покрывается пузырьками водорода. Объясните это явление. Какой металл переходит при этом в раствор?
2. В железном изделии имеются детали, изготовленные из никеля. Как это отразится на коррозии железа? Напишите соответствующие анодные и катодные процессы, если изделие находится во влажной атмосфере.
3. В какой среде скорость разрушения железа больше? Какая среда способствует анодному окислению цинка? Написать соответствующие реакции.
4. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении цельности покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
5. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к медной пластинке прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения катодного и анодного процессов.
6. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Составьте электронные уравнения катодного и анодного процессов.
7. Что может произойти, если изделие, в котором техническое железо находится в контакте с медью, оставить и воздухе при повышенной влажности? Напишите уравнения соответствующих процессов.
8. Алюминий склепан с железом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии? Какие процессы будут протекать, если изделие попадет в морскую воду?
9. Почему при контактировании железных изделий с алюминиевыми – железные изделия подвергаются более интенсивной коррозии, хотя алюминий имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал?
10. Железные пластинки опущены:
а) в дистиллированную воду
б) в морскую воду
В каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее? Ответ мотивируйте.
11. Составьте уравнения процессов, происходящих при коррозии алюминия, погруженного в раствор:
а) кислоты
б) щелочи
12. Почему технический цинк взаимодействует с кислотой более интенсивно, чем химически чистый цинк?
13. В раствор электролита опущена пластинка:
б) меди, частично покрытой оловом
в каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее?
Ответ мотивируйте
14. Почему при никелировании железных изделий их покрывают сначала медью, а потом никелем?
Составьте электронные уравнения реакций, происходящих в процессах коррозии при повреждении никелевого покрытия.
15. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное?
Ответ мотивируйте. Какой металл будет коррозировать при повреждении защитного слоя? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов (среда нейтральная).
16. Какой из металлов:
б) кобальт
в) магний
может быть протектором к сплаву на основе железа. Составьте электронные уравнения соответствующих процессов (среда кислая).
17. Какие процессы будут происходить на цинковой и железной пластинах, если погрузить каждую в отдельности в раствор медного купороса? Какие процессы произойдут, если наружные концы, находящиеся в растворе пластинок, соединить проводником? Составьте электронные уравнения
18. Алюминиевая пластина опущена
а) в дистиллированную воду
б) в раствор хлористого натрия
в каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии технического алюминия в нейтральной среде.
19. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то ржавчиной покрывается та часть, которая находится внутри дерева. Чем это объяснить? Анодом или катодом является эта часть гвоздя?
20. В последнее время кобальтом стали покрывать другие металлы для защиты от коррозии. Анодным или катодным является кобальтовое покрытие стали? Какие процессы протекают во влажном воздухе при нарушении целостности покрытия?
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11