Коррозия – самые вопиющие случаи. Коррозия металлов

Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

Коррозия – самые вопиющие случаи. Коррозия металлов

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией. Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

  • Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
  • Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
  • Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

  1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
  2. Неравномерная
  3. Избирательная
  4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
  5. Язвенная (или питтинг)
  6. Точечная
  7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
  8. Растрескивающая
  9. Подповерхностная

Основные виды коррозии

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить  два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов  — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь. Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить  электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла.

Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены.

Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса:(α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок),

где Vок — объем образовавшегося оксида

VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида

Мок – молярная масса образовавшегося оксида

ρМе – плотность металла

n – число атомов металла

AMe — атомная масса металла

ρок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них  кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

Оксидные пленки, у которых  1 < α < 2,5являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.

При значениях α > 2,5условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения α для некоторых оксидов металлов

металлоксидαметаллоксидα
KK2O0,45ZnZnO1,55
NaNa2O0,55AgAg2O1,58
LiLi2O0,59ZrZrO21.60
CaCaO0,63NiNiO1,65
SrSrO0,66BeBeO1,67
BaBaO0,73CuCu2O1,67
MgMgO0,79CuCuO1,74
PbPbO1,15TiTi2O31,76
CdCdO1,21CrCr2O32,07
AlAl2­O21,28FeFe2O32,14
SnSnO21,33WWO33,35
NiNiO1,52

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс  разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки  результате двух сопряженных процессов:

  • Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
  • Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде

2H++2e— = H2 разряд водородных ионов

2H3O++2e— = H2 + 2H2O

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде

O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода

O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

  1. Активные металлы (высокая термодинамическая  нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород  или другие окислители.
  2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность)  – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
  3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая  стабильность) – находятся между водородом  и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород  или другие окислители.
  4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

  • Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
  • Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e— = Fe2+

K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

  • Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
  • Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
  • Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
  • Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
  • Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия.

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным  потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия.

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия.

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al2O3, ZnO и др.);

фосфатирование – получение защитной пленки фосфатов (Fe3(PO4)2, Mn3(PO4)2);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Источник: http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/korroziya-metallov.html

Тема:

Коррозия – самые вопиющие случаи. Коррозия металлов

Материаловедение

ЦК КТЭЛА

Раздел I. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Тема 1.8. Коррозия металлов и меры борьбы с ней.

Занятие №1.

Учебные вопросы:

1. Общие сведения о коррозии металлов. Влияние коррозии на надежность АТ и экономику

2. Виды коррозии: химическая и электрохимическая коррозия

3. Факторы влияющие на образование коррозии

4. Формы коррозионных разрушений

1.Общие сведения о коррозии металлов. Влияние коррозии на надежность АТ и экономику

Коррозией называется разрушение металлов и некоторых других твердых тел, вызываемое химическими и электрохимическими процессами.

Существенное влияние на коррозию оказывают среды. Однако степень коррозионного разрушения зависит и от многих других факторов. Наиболее существенными из них являются состав и состояние поверхности металла, состав самой коррозионной среды и лекальные условия.

Коррозионное разрушение может происходить под действием горячих и раскаленных газов. Примером газовой коррозии может быть окисление лопаток турбины, соплового аппарата реактивных двигателей, прогорание клапанов, камер сгорания и других деталей, работающих при высоких температурах.

Многие детали самолетов подвергаются коррозии в жидкостных средах — морской и речной воде, топливе и масле. Разрушение в этом случае происходит под действием жидкостной коррозии.

Значительное количество авиационных деталей подвергается воздействию атмосферной коррозии (обшивка крыльев, фюзеляжа, оперения и др.).

Коррозия приводит к уменьшению прочности деталей, особенно тонкостенных деталей. Коррозия наружных поверхностей самолета приводит к ухудшению его обтекаемости. Ежегодные потери металла от коррозии исчисляются миллионами тонн.

Борьбе с коррозией в авиации уделяется особое внимание.

2. Виды коррозии: химическая и электрохимическая коррозия

Классифицировать коррозию принято по механизму, условиям протекания процесса и характеру разрушения (см. рис. 1.1).

По механизму протекания коррозионные процессы, согласно ГОСТ 5272—68, подразделяются на два типа: электрохимические и химические.

К электрохимической коррозии относят процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительных агентов среды протекают не в одном акте и зависят от электронного потенциала (наличия проводников второго рода). Рассмотрим несколько видов электрохимической коррозии:

1) атмосферная — характеризует процесс в условиях влажной воздушной среды. Это наиболее распространенный вид коррозии, так как большинство конструкций эксплуатируют в атмосферных условиях.

Ее можно разделить следующим образом: на открытом воздухе, с возможностью попадания на поверхность машин осадков, или с защитой от них в условиях ограниченного доступа воздуха и в замкнутом воздушном пространстве;

Рис. 1.1. Классификация коррозии

2) подземная — разрушение металла в почвах и грунтах. Разновидность этой коррозии — электрохимическая коррозия под воздействием блуждающих токов. Последние возникают в грунте вблизи источников электрического тока (систем передачи электроэнергии, электрифицированных транспортных путей);

3) жидкостная коррозия, или коррозия в электролитах. Ее частным случаем является подводная коррозия — разрушение металлических конструкций, погруженных в воду.

По условиям эксплуатации металлоконструкций, этот вид подразделяют на коррозию при полном и неполном погружении; при неполном погружении рассмотрен процесс коррозии по ватерлинии.

Водные среды могут отличаться коррозийной активностью в зависимости от природы растворенных в них веществ (морская, речная вода, кислотные и щелочные растворы химической промышленности и т. п.).

При подводной коррозии возможны процессы коррозии оборудования в неводных жидких средах, которые подразделяют на неэлектропроводящие и электропроводящие. Такие среды специфичны для химической, нефтехимической и других отраслей промышленности. К химической коррозии относят процесс, в котором окисление металла и восстановление среды представляют единый акт (отсутствие проводников второго рода).

Химическая коррозия — это разрушение металлов в окислительных средах при высоких температурах. Различают два вида: газовая (т. е. окисление металла при нагреве) и коррозия в неэлектролитах:

а) характерной особенностью газовой коррозии является отсутствие влаги на поверхности металла. На скорость газовой коррозии влияет, прежде всего температура и состав газовой среды. В промышленности часто встречаются случаи этой коррозии: от разрушения деталей нагревательных печей до коррозии металла при термической обработке.

б) коррозия металлов в неэлектролитах, независимо от их природы, сводится к химической реакции между металлом и веществом. В качестве неэлектролитов используют органические жидкости.

В особую группу следует выделить виды коррозии в условиях воздействия механических напряжений (механическая коррозия). Эта группа включает:

  • коррозию под напряжением, характеризуемую разрушением металла при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механических напряжений;

  • коррозионное растрескивание — при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений растяжения с образованием транскристаллитных трещин.

Различают самостоятельные виды коррозии:

1) коррозия при трении — разрушение металла, вызываемое одновременным воздействием коррозионной среды и трения;

2) фреттинг-коррозия — разрушение при колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды;

3) коррозионная кавитация — разрушение при ударном воздействии среды;

4) коррозионная эрозия — при истирающем воздействии среды;

5) контактная коррозия — разрушение одного из двух металлов, находящихся в контакте и имеющих разные потенциалы в данном электролите.

Следует различать коррозию и эрозию.

Эрозия от латинского слова erodere (разрушать) — постепенное механическое разрушение металла, например при истирании трущихся частей механизмов.

Самостоятельный вид коррозии — биокоррозия — это разрушение металла, при котором в качестве значимого выступает биофактор. Биоагенты — микроорганизмы (грибы, бактерии), которые являются инициаторами или стимуляторами процесса коррозии.

По характеру разрушения коррозия делится на сплошную (или общую) и местную (локальную). Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла, при этом она может быть равномерной или неравномерной. Местная коррозия происходит с разрушением отдельных участков поверхности металлов. Разновидность этой коррозии: точечная (питтинг), коррозия пятнами и сквозная коррозия.

Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, но развивается преимущественно под ней таким образом, что продукты коррозии сосредоточены внутри металла. Ее разновидность — послойная коррозия, распространяющаяся преимущественно в направлении пластической деформации металла.

Структурная коррозия связана со структурной неоднородностью металла. Ее разновидность — межкристаллитная — разрушение металла по границам кристаллитов (зерен) металла; внутрикристаллитная — разрушение металла по зернам кристаллитов. Наблюдается при коррозийном растрескивании, протекающем под влиянием внешних механических нагрузок или внутренних напряжений.

Ножевая коррозия — локализованное разрушение металла в зоне сплавления сварных соединений в жидких средах с высокой коррозионной активностью.

Щелевая коррозия — усиление процесса разрушения металла в зазорах между двумя металлами.

Избирательная коррозия — разрушение одной структурной составляющей или одного компонента металла в высокоактивных средах. Существует ряд разновидностей: графитизация чугуна (растворение ферритных или перлитных составляющих) и обесцинкование (растворение цинковой составляющей) латуней.

3. Факторы влияющие на образование коррозии

Факторы, влияющие на возникновение коррозии, можно разделить на внутренние и внешние.

К внутренним факторам относятся: состав, строение, механическая напряженность и состояние поверхности.

Состав сплава оказывает наиболее существенное влияние на развитие коррозии. К коррозионностойким металлам относятся металлы, обладающие положительными значениями электродных потенциалов (медь, золото, платина и др.).

Высокой коррозионной стойкостью обладают также металлы, способные при окислении образовывать защитные оксидные пленки (хром, никель).

Магний и его сплавы не образуют на поверхности защитные оксидные пленки, поэтому они не обладают коррозионной стойкостью. Кроме того, магниевые сплавы обладают очень низким значением электродного потенциала.

Алюминий также обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется защитная оксидная пленка.

На развитие коррозии значительное влияние оказывает чистота сплавов. Всякого рода загрязнения, оставшиеся после технологической обработки, например флюсы, поглащают влагу и создают коррозионную среду. Флюсы могут оставаться после сварки, поэтому после сварки детали необходимо тщательно очищать.

Существенное влияние на развитие коррозии оказывают внутренние напряжения, оставшиеся в металле после термической или механической обработки.

При увеличении внутренних напряжений потенциал сплава становится более отрицательным, приводит к электрохимическому разрушению наиболее нагруженных участков.

Пластическая деформация способствует развитию коррозии вследствие образования межкристаллитных микропор и проникновения в них влаги.

Если на деталь одновременно действует коррозионная среда и знакопеременная нагрузка, то происходит разрушение, которое принято называть коррозионной усталостью.

Это явление происходит вследствие образования и развития трещин, идущих от поверхности вглубь. Коррозионная среда, проникая в эти трещины, облегчает разрушение.

В этих условиях разрушение может происходить при напряжениях, меньших предела усталости.

К внешним факторам, влияющим на развитие коррозии, относится среда, в которой корродирует металл (водная среда, температура). Большое значение имеет концентрация ионов водорода. Кислые среды опасны для таких металлов, как магний, алюминий, железо, цинк. Алюминий и цинк легко разрушаются в щелочных средах. Опасной коррозионной средой для авиационных сплавов является морская вода.

Большое влияние на процесс коррозии в водных средах оказывает растворенный в воде кислород. Кислород окисляет металл. Появление оксидной пленки делает потенциал металла более положительным. Интенсивность коррозии при этом уменьшается. Установлено, что в водных средах наиболее опасными являются те участки, куда доступ кислорода затруднен (клепочные швы и др.).

На коррозионное разрушение поверхности самолета большое влияние оказывают такие факторы, как влажность, загрязнение воздуха пылью и газами.

Влага способствует развитию электрохимической коррозии, так как содержит различные растворенные газы — СО2, SO2, окислы азота, соли и др.

Осевшая на поверхности самолета пыль, которая будучи гигроскопичной, притягивает влагу, также способствует развитию очагов коррозии. На абсолютно чистой поверхности в меньшей степени конденсируется влага, чем на пыльной.

На развитие атмосферной коррозии оказывает влияние состав газов. Особенно вредными являются сернистый газ SO2, сероводород H2S и хлористый водород HCl.

Резкий перепад температур также оказывает влияние на возникновение коррозии.

При возвращении самолета из высотного полета холодные детали отпотевают, на них конденсируется влага и создаются предпосылки развития электрохимического процесса.

Коррозию самолетных деталей могут вызвать жидкости гидросистемы, кислоты, щелочи. Очень сильно поражает алюминиевые сплавы аккумуляторная щелочь.

4.Формы коррозионных разрушений

Коррозия, в зависимости от природы металла, агрессивной среды и других условий, приводит к различным видам разрушений. На рисунке 1.2 представлены разрезы через прокорродировавший образец металла, показывающие возможные изменения рельефа поверхности в результате коррозии.

Сплошная

равномерная

Сплошная

неравномерная

Коррозия

пятнами

Язвенная

коррозия

Точечная

коррозия

Подповерхностная

коррозия

Структурно-избирательная

коррозия

Межкристаллитная

коррозия

Коррозионное

растрескивание

Рис. 1.2. Схематическое изображение различных видов коррозии

Иногда коррозия протекает со скоростью, одинаковой по всей поверхности; в таком случае поверхность становится только немного более шероховатой, чем исходная: равномерная. Часто наблюдается различная скорость коррозии на отдельных участках: пятнами, язвами. Если язвы имеют малое сечение, но относительно большую глубину, то говорят о точечной коррозии (питтинг).

В некоторых условиях небольшая язва распространяется вглубь и вширь под поверхностью. Неравномерная коррозия значительно более опасна, чем равномерная. Неравномерная коррозия, при сравнительно небольшом количестве окисленного металла, вызывает большое уменьшение сечения в отдельных местах.

Язвенная или точечная коррозия могут привести к образованию сквозных отверстий, например, в листовом материале, при малой потере металла.

Приведенная классификация, конечно, условна. Возможны многочисленные формы разрушения, лежащие между характерными типами, показанными на данном рисунке.

Некоторые сплавы подвержены своеобразному виду коррозии, протекающей только по границам кристаллитов, которые оказываются отделенными друг от друга тонким слоем продуктов коррозии (межкристаллитная коррозия). Здесь потери металла очень малы, но сплав теряет прочность. Это очень опасный вид коррозии, который нельзя обнаружить при наружном осмотре изделия.

Тема 1.8. Занятие №1. Коррозия металлов и меры борьбы с ней 5

Источник: https://infourok.ru/tema-korroziya-metallov-i-meri-borbi-s-ney-zanyatie-3953050.html

WikiMedForum.Ru
Добавить комментарий