Паршин А.Г., Пахомов В.С., Лебедев Д.Л. - Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

А.Г.Паршин В.С.Пахомов Д.Л.Лебедев

ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Лабораторный практикум

Под редакцией д-ра техн. наук А.А.Шевченко

Москва-1998

У ДК 620.193

ББК35.11 Χ 46

Рецензенты:

кафедра коррозии Московской государственной академии нефти и газа им. Губкина;

канд. техн. наук А.С.Абрамов, экологическая фирма "ШанЭко", Москва.

Допущено в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом Московского государственного университета инженерной экологии.

Паршин А.Г., Пахомов В.С, Лебедев Д.Л.

Χ 46 Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии: Лабораторный практикум / Под ред. А.А.Шевченко - М.:МГУИЭ, 1998.-80 с.; ил.8.

ISBN 5-230-11142-9

Практикум содержит четыре лабораторные работы по электрохи­мической коррозии и защите металлов: "Влияние структурной неоднород­ности на коррозию металлов при восстановлении ионов водорода", "Кор­розия металлов с кислородной деполяризацией", "Электродные потенциа­лы", "Контактная коррозия и катодная защита металлов от коррозии". Изложены основные представления теории электрохимической коррозии металлов и методика проведения коррозионных исследований. Предна­значен для студентов 3 и 4 курсов дневных факультетов, изучающих курс химического сопротивления материалов и защиты от коррозии.

ISBN 5-230-11142-9 УДК620.193 ББК 35.11

© А.Г.Паршин, В.С.Пахомов, Д.Л.Лебедев.1998

© МГУИЭ, 1998

Предисловие

Лабораторный практикум написан в соответствии с про­граммой курса "Химическое сопротивление материалов и за­щита от коррозии", предусмотренного учебным планом ряда специальностей. В практикум вошли работы по электрохими­ческой коррозии металлов, которые разработаны на кафедре "Композиционные материалы и защита от коррозии".

Каждая лабораторная работа начинается с теоретической части. Рассмотрены механизм, термодинамика и кинетика кор­розии при катодном восстановлении ионов водорода, кисло­родной деполяризации, равновесные и неравновесные процес­сы на границе раздела металл-электролит, теория электродных потенциалов.

При изложении теоретических вопросов использованы современные электрохимические представления о механизме и кинетике коррозионных процессов.

Выполнение лабораторных работ позволяет студентам глубже усвоить основы учения о коррозии и защите металлов, а также прививает навыки проведения элементарных лаборатор­ных коррозионно-электрохимических исследований.

Ведение лабораторного журнала

При выполнении лабораторных работ рекомендуется па­раллельно с экспериментом вести журнал, используя для этого время между наблюдениями. Журнал содержит:

1) название и цель работы;

2) схему установки;

3) таблицу с результатами опытов и их обработки (расчеты, графики);

4) выводы.

Вести журнал следует аккуратно и сразу начисто, т.е. так, как ведут записи всех научно-исследовательских работ и испы­таний.

Схема установки должна быть наглядна и понятна без устных пояснений.

Необходимо привести условия опыта: испытуемые мате­риалы, площадь поверхности образцов, состав и концентрация электролитов, температура и др.

Результаты испытаний следует записывать в заранее со­ставленные таблицы, формы которых приведены в описании работ.

При записи различных величин необходимо указывать их размерность. Результаты измерений, как правило, подлежат дополнительной обработке - аналитической и графической (вычисление массового, объемного и глубинного показателей коррозии, потенциалов и др.). В этих случаях необходимо при­вести расчетную формулу и один расчет полностью, т.е. с под­становкой в формулу опытных величин, а для остальных ана­логичных расчетов - только конечные результаты.

На основании полученных и соответствующим образом обработанных результатов следует сделать краткие выводы о проделанной работе. По окончании журнал с эксперименталь­ными данными представить на визу преподавателю.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

При выполнении лабораторных работ используют рас­творы кислот, щелочей и окислителей, которые могут вызвать поражение кожного покрова и порчу одежды.

В лаборатории следует соблюдать следующие правила:

1) не работать без халата, не класть личные вещи на лабора­торный стол, а убирать их в специально отведенные мес­та;

2) не курить и не принимать пищу во время работы, не про­бовать на вкус сухие реактивы и их растворы;

3) легко воспламеняющиеся жидкости, органические рас­творители (ацетон) следует беречь от открытого огня; при обезжиривании образцов пользоваться небольшими до­зами этих веществ и немедленно закрывать склянку пробкой;

4) при переливании рабочих растворов из сосуда в сосуд ис­пользовать воронки, мензурки, мерные цилиндры; ворон­ки после проведения опыта споласкивать водой;

5) раствор, разлитый на стол или пол, немедленно удалять сначала сухой тряпкой, а затем тряпкой, обильно смочен­ной водой;

6) при попадании на руки растворов кислот или щелочей нужно тщательно промыть руки водой с мылом, а при не­обходимости эти участки кожи обработать слабым раствором соды, если попала кислота, или слабым раствором уксусной кислоты, если попала щелочь;

7) во избежание поражений кожи нельзя брать руками не­промытые образцы; для извлечения из растворов упавших образцов необходимо пользоваться специальными щип­цами;

8) запрещается включать электрические рубильники (220 В) мокрыми руками;

9) о всех несчастных случаях следует немедленно сообщать дежурному преподавателю;

10) после окончания лабораторной работы рабочее место должно быть приведено в порядок.

Лабораторная работа 1

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА КОРРОЗИЮ МЕТАЛЛОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИОНОВ ВОДОРОДА

1.1. Цель работы

Изучение влияния количества и качества структурных неоднородностей на скорость электрохимической коррозии металлов при восстановлении на них катионов водорода.

1.2. Теория вопроса

Коррозией металлов называют разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодей­ствия их с коррозионной средой.

Первопричиной коррозии является термодинамическая неустойчивость их металлического состояния в окружающих условиях. При взаимодействии с агрессивной средой металлы самопроизвольно стремятся перейти из металлического со­стояния в окисленное, как термодинамически более устойчивое в данных условиях. Степень термодинамической устойчивости металла зависит как от свойств самого металла, так и от соста­ва коррозионной среды и характеризуется изменением изобарно-изотермического потенциала (энергия Гиббса) при протека­нии соответствующего коррозионного процесса. Самопроиз­вольно протекают лишь те процессы, в результате которых происходит уменьшение энергии Гиббса, т.е. ΔG <0.

При взаимодействии металлов и сплавов с растворами электролитов процесс коррозии обычно протекает по электрохимическому механизму. Характерной особенностью электро­химической коррозии является то, что взаимодействие метал­ла с агрессивной средой разделяется на два сопряженных про­цесса:

1) анодный процесс (окислительный) - непосредственный переход ион-атомов металла из кристаллической решетки в раствор в виде гидратированных катионов, если энергия взаи­модействия ион-атомов с полярными молекулами воды будет больше, чем энергия связи кристаллической решетки металла

(Меⁿ⁺ + ne) + mH₂O  Meⁿ⁺mH₂O + ne (1.1)

2) катодный процесс (восстановительный) - присоедине­ние избыточных электронов, образующихся в анодном процес­се, к какому-либо окислителю (атомам, молекулам или ионам раствора), который будет в результате этого восстанавливаться

dOx+ne rRed (1.2)

Однако избыточные электроны могут присоединяться не только к окислительному компоненту раствора, но и к образо­вавшимся в анодном процессе (1.1) гйдратированным катионам металла, т.е.

Меⁿ⁺тН₂О + пе  (Меⁿ⁺ пе) + тН₂О (1.3)

В результате катионы металла из раствора вновь вернутся в кристаллическую решетку.

При выравнивании скоростей реакций окисления металла (1.1) и восстановлении его ионов (1.3) наступит состояние ди­намического равновесия, и коррозия (преимущественно пере­нос металла из кристаллической решетки в раствор) прекра­тится. Следовательно, для протекания процесса коррозии не­обходимо, чтобы скорость прямой реакции (1.1) была больше скорости обратной реакции (1.3), т.е. в реакции восстановления участвует преимущественно окислитель раствора. Это условие может быть выполнено, если окислитель, имеющийся в растворе, обладает большим сродством к электрону, чем катионы растворяющегося металла. Окислительные свойства веществ определяют величиной их окислительно-восстановительного потенциала. Чем положительное этот потенциал, тем больши­ми окислительными свойствами (большим сродством к элек­трону) обладает то или иное вещество. Тогда необходимое условие термодинамической возможности электрохимической коррозии металла:  < (1.4) где  - равновесный потенциал аноднорастворяющегося металла;

 - равновесный потенциал окислителя, восстанавли­вающегося в катодном процессе.

Разность между равновесными потенциалами катодной и анодной реакции является начальной движущей силой корро­зионного процесса:

Е=  -  (1.5)

Анодная и катодная реакции могут протекать одновре­менно по всей поверхности корродирующего металла. Однако во многих случаях электродные реакции устойчиво локализу­ются на определенных участках поверхности, а именно там, где они наименее затруднены. В этом случае участки поверх­ности, на которых протекают анодная (1.1) и катодная (1.2) реакции, называют соответственно анодом и катодом.

Скорость процесса электрохимической коррозии, как и всех процессов в природе, прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению (затруднен­ности) процесса

(1.6)

где R_i - сопротивление (затрудненность) отдельной со­пряженной стадии коррозионного процесса.

Необходимо отметить, что в большинстве случаев невоз­можно аналитически решить зависимость (1.6), т.к. сопро­тивление коррозионного процесса в свою очередь зависит от скорости коррозии, т.е. ΣR_i = f(K).

Процесс электрохимической коррозии, как уже указыва­лось, состоит из двух основных сопряженных реакций - анод­ной и катодной, каждая из которых является совокупностью последовательно-параллельных стадий. Кроме того, коррози­онный процесс включает в себя ряд стадий, имеющих чисто физическую природу (доставка и отвод компонентов реакций, перенос электрических зарядов внутри одной фазы и др.). Все сопряженные стадии коррозионного процесса при своей реали­зации испытывают те или иные затруднения и общее сопро­тивление включает в себя сопротивления отдельных стадий. Если затрудненность одной из многочисленных стадий корро­зионного процесса будет значительно превосходить затруд­ненности отдельных стадий, то скорость именно этой, наиболее затрудненной (лимитирующей) стадии будет определять скорость всего коррозионного процесса в целом.