Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ГСХ21

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
12.03.2016
Размер:
20.69 Mб
Скачать

Понятие о коррозии (ржавлении) металлов известно с древнейших времен, однако в современном понимании термин появился в 1667 г. в английском журнале. В России явление коррозии металлов (в газовых средах и растворах кислот­ ) исследовал М.В. Ломоносов. Термин «коррозия» в русском языке стал известен в начале XX в, хотя близкие по смыслу слова - ржа, ржавление - славянского происхождения.

Коррозия металлов - процесс самопроизвольный, всегда негативный, с точки зрения промышленной практики. Иногда под термином «коррозия­ металлов» понимают не только сам процесс, но и его результат - разрушение.

В международном стандарте ИСО 8044-1986 под термином «коррозия» подразумевают физико-химическое взаимодействие между металлом и средой, в результате которого изменяются свойства металла и часто сопровождаются ухудшением его функциональных характеристик, а в отдельных случаях - включающей их технической системы в целом.

Разрушение металлов и сплавов может происходить в результате химического­ , электрохимического, биологического­ и радиационного или механического воздействий внешней среды. Механическое разрушение (износ, истирание и т.д.) конструкцион­ных металлов связано с эрозией.

Способность металлов противостоять коррозионному воздействию внешней среды называют коррозионной стойкостью.

Причины возникновения коррозии металлов

Основнаяпричинакоррозииметалловисплавов-ихтермодинами­ ческаянеустойчивость.Термодинамикадаетнаминформациюовоз­ можности самопроизвольного протекания коррозионного процесса при конкретных внешних условиях. Термодинамическая стабильность химического­ соединения определяется знаком и величиной изменения изобарного­ потенциала G (при его образовании из простых веществ). Пусть G1 относится к исходным веществам, G2 - к продуктам реакции, тогда G= G1- G2, и если G<0, то соединение устойчиво в данных­ условиях, т.е. не подвержено коррозии. Только оксиды Au2O3, AgO, Ag2O3 термодинамически неустойчивы при стандартных условиях.

Скорость распространения коррозии, как и любого другого процесса, оценивается отношением величин движущей силы процесса его торможения. Значения термодинамических потенциалов металлов можно использовать для оценки движущей силы процесса, т.е., зная значения G, можно определить вероятность протекания коррозии. Скорость коррозионного процесса зависит от множества

52

одновременно действующих факторов: внутренних, характеризующих природу металла, технологию его изготовления, состав сплава, тип структуры, внутреннее напряжение, состояние поверхности и внешних факторов, характеризующих состав агрессивной среды и условия протекания про­цесса (температуру, давление, гидродинамические условия).

Коррозионные процессы протекают на границе раздела фаз при взаимодействии­ твердого вещества с газом или жидкостью. Такой механизм­ взаимодействия называют гетерогенным. Простейшую схему гетерогенного­ процесса можно представить себе в виде следующих основных этапов:

-транспортировкиреагирующихвеществкповерхностиразделафаз;

-химического взаимодействия;

-отвода продуктов реакции.

По степени поражения металла различают сплошную (общую) и локальную­ коррозию. Сплошная коррозия, в свою очередь, может быть равномерной и неравномерной в зависимости оттого, одинакова ли глубина­ поражения на различных участках поверхности. Если прикоррозии­ разрушаетсяоднаструктура,составляющаясплаваили одна из компонентов­ сплава, то коррозию называют структурно-

избирательной.

При локальной коррозии разрушение сосредоточивается на отдельных участках поверхности, и, в зависимости от разме-

ра поражения, различают коррозию пятнами (d > h), язвенную (d ~ h) и питтинговую (точечную, d < h). Язвенная и питтинго-

вая коррозия листового материала­ при сквозном проникновении по толщине его разрушения превращается в сквозную коррозию. Из питтинговой коррозии со временем может также развиться подповерхностная­ коррозия, захватывающая слой металла, находящийся под очень тонким (например, наклепанным) слоем, который впоследствии вздувается и растрескивается; нитевидная коррозия, распространяющаяся в виде нитей и возникающая чаще всего под неметаллическими покрытиями, нанесенными на углеродистую сталь.

Принимая во внимание кристаллическую структуру металлов, различают следующие виды коррозии: межкристаллитную и транскристаллитную. Первая проходит по наименее стойким границам зерен, не затра­гивая зерен металла, вторая рассекает зерна металла, проходя через них трещиной. Межкристаллитной коррозии подвержены многие сплавы: строительные, нержавеющие высокохромистые и хромоникелевые стали, медно-алюминиевые сплавы (дюралюмины) и др. По характеру­ проявления к ним близка ноже-

53

вая коррозия, разрушающая металл вдоль сварного шва, что бывает при эксплуатации в особо агрес­сивных средах.

Основные виды коррозионных повреждений металла показаны на рис 3.1.

Рисунок 3.1 - Характер коррозионных повреждений металла: 1 - общая равномерная; 2 - общая неравномерная; 3 - структурно-избирательная; 4-коррозияпятнами;5-локальнаяязвенная;6-локальнаяпиттин- говая;7-локальнаясквозная;8-подповерхностная;9-нитевидная; 10-межкристаллитная;11-транскристаллитная;12-ножевая

Классификация коррозионных процессов

Коррозионные процессы различают:

-по механизму реакций взаимодействия металла со средой;

-виду коррозионной среды;

-изменению геометрических характеристик коррозионных разрушений на поверхности или в объеме металла;

-характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму реакции взаимодействия со средой коррозия металлов делится на два основных типа: химическуюи электрохимическую.

По виду агрессивной среды, принимающей участие в процессе разрушения­ металлов, различают газовую, атмосферную, в

54

растворах электролитов, подземную и коррозию в жидкостяхнеэлектролитах.

По характеру изменения поверхности металла или его физикохимических свойств, независимо оттого, какое происходило взаимодействие со средой, коррозионные разрушения подразделяются на виды, указанные выше.

Если коррозией охвачена вся поверхность металла, то та-

кой вид разрушения­ называют общей или сплошной коррозией.

Сплошную коррозию­ делят на равномерную и неравномерную. Сплошная коррозия - наименее­ опасный вид коррозии, так как материал лишь незначительно теряет свои прочностные свойства (около 5%).

При местной коррозии разрушаются отдельные участки поверхности металла. Местная коррозия имеет неодинаковую степень разрушения. Наиболее характерными видами местной коррозии являются коррозия в виде пятен, язв, точечная и подповерхностная, межкристаллитная и ножевая.

Коррозияввидепятен-разрушениеотдельныхучастковповерх­ ности металла на сравнительно небольшую глубину.

Коррозия в виде язв отличается от коррозии в виде пятен большей глубиной проникновения в слой металла (например, коррозия стали в грунте).

Точечная коррозия (питтинг) связана с разрушением металла в виде точечных поражений, перерастающих в сквозные.

Подповерхностная коррозия возникает, как правило, в тех случаях, когда защитные покрытия (пленки, лаки и т.п.) разрушены на отдельных участках. Именно поэтому металл разрушается преимущественно под поверхностью­ , и продукты коррозии оказываются сосредоточенными внутри металла.

Одинизнаиболееопасныхвидовместнойкоррозии-межкристал­ литная коррозия, которая, не разрушая зерен металла, продвигается­ вглубь по их менее стойким границам. Для зоны сплавления свар­ ных швов характерна локализованная в виде специфичных надре-

зов ножевая коррозия.

Местная коррозия более опасна, чем сплошная.

Среди случаев коррозии, отличающихся по характеру дополнительных­ воздействий, необходимо выделить следующие:

1) коррозионное растрескивание - коррозия металла,

развивающаяся­ в зоне действия механических напряжений; 2) коррозию при трении (эрозионную коррозию) - разрушение

металла при одновременном воздействии коррозионной среды и сил трения;

55

3) кавитационную коррозию - разрушение металла при одновременном­ коррозионном и ударном воздействии агрессивной среды (коррозия лопастей гребных винтов).

Химическая коррозия

Химическая коррозия - процесс разрушения металла под действиемвнешнейсреды,вступающейснимвхимическоевзаимодействие. Не сопровождается образованием электрического тока. К химиче-

ской коррозии относят:

а) коррозию в жидкостях-неэлектролитах;

б) газовую коррозию - коррозию при контакте металла с сухими газами­ при высоких температурах.

К неэлектропроводным жидким средам­ относятся жидкости ор-

ганического происхождения - спирты, бен­зол, фенол, хлороформ, тетрахлорид углерода, нефть, керосин, бензин и т.д. В чистом виде органическиерастворителиивходящиевсоставнефтиижидкоготоплива углеводороды слабо реагируют с металлами, но в присутствии даже незначительного количества примесей процес­сы взаимодействия резко интенсифицируются. Ускоряют коррозионные процессы находящиеся в нефти серосодержащие соединения (сероводород­ , меркаптаны, а также элементарная сера). Присутствие воды увеличивает коррозионную активность сырой нефти, содержащей в себе сероводород.

Наличие растворенного в жидкости кислорода и повышение температуры среды приводят к усилению процесса коррозии.

Металлические конструкции, работающие в среде жидкостейнеэлектролитов, защищают от коррозии либо подбором устойчивых в данной среде металлических конструкционных материалов, либо нанесением специальных­ защитных покрытий.

Газовая коррозия - наиболее распространенный вид химической коррозии.

Типичный случай газовой коррозии наблюдается при взаимодействии металла с кислородом. Образующаяся на поверхности металла оксидная пленка может защищать металл от дальнейшего окисления. В результате адсорбции молекул кислорода поверхностью металла, соприкасающейся­ с атмосферой, образуется слой оксидов. В дальнейшематомыкислородадиффундируютчерез образовавшийся слой оксида, одновременно с этим в противоположном направлении диффундируют ионы металла. Реагируя с кислородом, ионы металла образуют оксид, что приводит к появлению новых слоев пленки, т.е. к ее утолщению. По мере утолщения пленки процесс диффузии

56

будет затрудняться. Возникающая­ пленка будет тормозить дальнейшее развитие коррозионного процесса только в том случае, когда она обладает защитными свойствами. Толщина образовавшихся пленок обусловливается видом металла, параметрами среды и рядом других факторов.

Чтобы оксидная пленка обладала защитными свойствами, она должна­ удовлетворять следующим требованиям: быть сплошной, беспористой; иметь хорошее сцепление с металлом и коэффициент термического­ расширения, близкий к величине этой характеристики для металла; обладать твердостью и износостойкостью. Если образовавшаяся­ пленка пористая, рыхлая и имеет плохое сцепление с металлом, то даже при условии ее инертности к данной агрессивной среде она не будет защитной.

Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с электролитом.

Поверхность любого металла гетерогенна и состоит из множества короткозамкнутых микроэлектродных элементов. При контакте с раствором­ электролита микрокоррозионные системы элементов начинают функционировать, что приводит к разрушению (коррозии) поверхности металла. Причины, создающие гетерогенность (неоднородность) в системе­ металл – электролит, различны. Среди них можно выделить три основные­ причины: неоднородность металлической и жидкой фаз и неоднородность наложения внешних условий.

Неоднородность металлической фазы вызвана наличием электропроводящих­ включений, поверхностных дефектов, неоднородностью защитных оксидных пленок на поверхности металла.

Неоднородность жидкой фазы (электролита) связана с различ-

ной концентрацией растворенного в электролите кислорода, наличием рН отдельных зон электролита.

Неоднородность наложения внешних условий вызывaeтcя нерав­ номерностью температуры отдельных участков поверхности металла при контакте с электролитом либо неравномерным наложением внешнего­ электрического поля.

Анодный и катодный процессы классифицируются как первичные процессы коррозии, а продукты взаимодействия называют первичными продуктами коррозии.

При электрохимической коррозии возможно протекание вто­ ричных процессов: взаимодействие первичных продуктов коррозии друг с другом, с электролитом, с растворимыми в нем газами с образованием вторичных продуктов коррозии. При этом слаборастворимые вторичные­ продукты коррозии затрудняют доступ электролита

57

к поверхности металла и тем самым снижают скорость электрохимической коррозии.

Коррозионно-механический процесс разрушения металлов

Такой вид разрушения возникает при совместном действии растягивающих напряжений и агрессивной среды (коррозионное растрескивание, происходящее из-за интенсификации локальной коррозии на узких участках поверхности металла под действием механических на­ пряжений). К особенностям коррозионного растрескивания относят:

а) хрупкий характер трещин; б)направлениетрещинперпендикулярнорастягивающимнапряже­

ниям; в) образование межкристаллитных или транскристаллитных тре-

щин с разветвлениями; г) время до растрескивания, которое зависит от силы приложен-

ных растягивающих напряжений.

Коррозионное растрескивание наступает при действии растягивающих­ напряжений, при этом интенсифицируется анодный процесс в вершине микротрещины­ . Заключительная стадия коррозионного растрескивания: механические­ напряжения превышают предел текучести, в итоге происходит разрыв металла.

Предотвратить коррозионное растрескивание можно:

а) снижая растягивающие напряжения (внутренние или внешние);

б) удаляя из агрессивной среды вещества, способствующие коррозии;

в) используя электрохимическую защиту от коррозии или применяя ингибиторы;

г) используя стойкие стали с повышенным содержанием никеля. Атмосферная коррозия - это разрушение металлов во влажных средах при температуре окружающей среды. При этом преобладают электрохимические­ гетерогенные процессы на границе раздела фаз (поверхность металла - тонкий слой влаги, сконденсировавшейся на поверхности металла­ ). На скорость распространения процесса атмосферной коррозии влияют характер атмосферы, продолжительность воздействия, состав металла и состояние­ его поверхности. Влажность, температура и степень загрязнения атмосферы воздействуют на качество и состав образующихся на поверхности металла

пленок влаги.

Наиболее агрессивны среды, сильно загрязненные промышленными отходами - газами СО2, SO2, NO2, NH3, HC1, частицами солей,

58

угольной пылью; менее активны чистые и сухие континентальные атмосферы. О влиянии химического состава атмосферы на скорость образования коррозии можно судить и по следующим­ данным: в сельской атмосфере скорость коррозии стали составляет­ 100-250 г/ (м2год), а в промышленной - 450-500 г/(м2год), для цинка - соответственно 7-20 и 40-80 г/(м2год).

В зависимости от влажности атмосферы, различают несколько видов­ атмосферной коррозии: мокрую, влажную и сухую.

Мокрая атмосферная коррозия наблюдается при капельной конденсации­ влаги на поверхности металла при относительной влажности воздуха­ , равной 100 %. Так корродируют металлические конструкции под действием дождя, снега, тумана, т.е. прямого попадания влаги.

Влажнаяатмосфернаякоррозиявозникаетпривлажностиватмос­ фере ниже 100% и сопровождается адсорбционной, капиллярной и химической­ конденсацией на поверхности металла. Адсорбционная конденсация­ - это процесс образования тончайшего слоя молекул воды, связанных с поверхностью металла адсорбционными силами. В зависимости­ от состояния металлической поверхности, на ней при влажности­ немного ниже 100% может адсорбироваться слой влаги в несколько десятков молекулярных слоев.

Сухая атмосферная коррозия проходит при относительной влаж­ ности ниже 60%, т.е. под действием кислорода воздуха. В этом случаенаблюдаетсялишьпотускнениеповерхностиметаллавследствие образования­ пленки из продуктов коррозии. Процесс разрушения в случае сухой атмосферной коррозии подобен химическому процессу роста оксидных­ пленок на поверхности металла. Пленка на металле в условиях сухой атмосферной коррозии растет очень медленно, и рост ее быстро прекращается, однако сухая атмосферная коррозия при появлении на металлической поверхности тончайших пленок влаги переходит во влажную атмосферную коррозию, а при попадании брызг - в мокрую.

На скорость распространения атмосферной коррозии влияют свойства образующихся продуктов коррозии, в частности их гигроскопичность. Так, гигроско­пичные продукты коррозии меди и никеля в атмосфере, загрязненной сернистыми газами, способствуют интенсивному поглощению влаги поверхностью металла и дальнейшему усилению коррозии. Негигрос­копичные продукты коррозии хорошо предохраняют металл от дальнейшего­ разрушения.

Подземной коррозией называют коррозионные разрушения металлических конструкций в почвах и грунтах. Грунты – одна из наиболее сложных по химическому составу и структуре коррозионных­

59

сред. Они представляют собой твердую, жидкую, газовую и биологическую составляющие, соотношение которых значительно изменяется на отдельных участках поверхности земли. Твердая состав­ ляющая массы почвы (грунта) состоит из минералов, образующих пористую­ структуру.

Поры грунта, как правило, занимают электролиты, содержащие в себе минеральные­ соли и растворенные газы.

Влажность грунта определяет скорость подземной коррозии. Повышение­ влажности грунтов до 20% уменьшает омическое сопротивление­ возникающих коррозионных элементов, что вызывает увеличение коррозии. Максимальная скорость распространения коррозии отмечается при влажности 15-25%. При дальнейшем увеличении влажности происходит насыщение­ грунта водой, образуется сплошной слой, затрудняющий доступ кислорода к металлу и приводящий к уменьшению скорости коррозионного процесса.

НаскоростьраспространениякоррозиивлияетрНпочвы.Коррозия особенно велика­ в торфянистых и болотистых грунтах (рН~3). Черноземы, содержащие­ в себе органические кислоты, относительно высокоагрессивны к стали. Одна из наиболее агрессивных почв - подзол. Скорость распространения коррозии стали в таких почвах в 5 раз выше, чем в других. Необходимо отметить, что коррозионная агрессивность грунтовой среды автомобильных дорог обусловлена кислотными осадками и применением солей для очистки дорог.

Повреждения при подземной коррозии бывают обычно язвенными или точечными (питтинги).

Коррозия под действием блуждающих токов

Блуждающими токами называют токи, ответвляющиеся от своего пути. Попадая в металлические конструкции, расположенные в грунте­ , они вызывают коррозию. Источником возникновения блуждающих токов в почве служат рельсовые пути трамвайных и электрических железных дорог, в которых рельсы выполняют роль обратного проводника для тока, например, в электросварочных аппаратах, работающих от постоянного тока. Коррозия под действием блуждающих токов особенно опасна в тех слу­чаях, когда этот ток постоянный.

Микробиологическая коррозия — это коррозионное разруше-

ние металлов при воздействии микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности­ . Микроорганизмы могут подавлять действие ингибиторов коррозии. Бактерии вырабатывают серную, муравьиную, уксусную и другие карбоновые кислоты.

60

Микробиологическая коррозия протекает совместно с атмосфер- нойилиподземной.Вводныхсредахилижидкостях-неэлектролитах результаты­ микробиологической коррозии аналогичны другим видам коррозионных­ воздействий: общие или локальные повреждения металлов, покрытий (металлических, полимерных и др.).

Процесс микробиологической коррозии можно разделить на следующие­ стадии:

1.Транспортировка микроорганизмов из воздушной и водной сред или из почвы на поверхность металлоконструкций или перенос их с загрязнением поверхностей.

2.Адсорбция микроорганизмов и загрязнений на поверхности металлов­ . Прочность сцепления микроорганизмов и частиц поверхности, а также характер загрязнений и условия эксплуатации машин определяют­ дальнейшее развитие процесса.

3.Образование и рост колоний микроорганизмов до визуально наблюдаемых­ размеров.

4.Воздействие продуктов жизнедеятельности микроорганизмов на материал конструкций (кислотное, щелочное, окислительное, ферментативное). Анаэробные микроорганизмы в почвенных средах способнывырабатыватьсероводород,углекислоту,углеводороды,щелочи

идругие химические соединения, влияя на возможность протекания

искорость коррозии. Аэробы - микроорганизмы, способные жить и размножаться только при наличии свободного кислорода. Анаэробы -

микроорганизмы­ , способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода­ и получающие энергию для жизнедеятельности расщеплением органических­ и неорганических веществ.

5.Стимулированиекоррозионногоразрушенияметалловидеструк­ ции полимеров — явлений, сопутствующих биоповреждениям.

Методы защиты от биокоррозии сводятся к предотвращению (ограничению­ ) развития или уничтожению микроорганизмов: применение покрытий (лакокрасочных, полимерных и прочих с включениями биоцидов­ ), поддержание определенных атмосферных условий эксплуатации­ , воздухообмен, очистка воздуха и металлических поверхностей от загрязнений.

Оценка степени коррозионной стойкости металлов

Коррозионную стойкость металла можно оценить по следующим показателям­ :

а) по изменению массы металла при коррозии, отнесенной к единице­ поверхности и единице времени. Эту величину называют массовым показателем коррозии;

61

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]