Конспект лекций по курсу Коррозия металлов

Конспект лекций по курсу “Коррозия и защита металлов”

1.Введение. Основные понятия и определения.

Металлы и сплавы на металлической основе - основные конструкционные материалы. К сожалению, в условиях их эксплуатации окисленное их состояние является более устойчивым. В это состояние металлы и сплавы переходят в результате коррозии.

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой (чаще жидкой или газообразной). Коррозия в переводе с латинского - разъедание, в отличие от эрозии - разрушения, вызванного истиранием (механическим износом).

Любой коррозионный процесс сводится к окислительно-восстановительной реакции вида:

;

,

где Ме - металл;

Oх, Red - окисленная и восстановленная форма имеющего в коррозионной среде вещества.

2.Классификация коррозионных потерь и масштабы убытков, причиняемых коррозией.

Коррозионные потери классифицируют как прямые и косвенные.

Прямые потери - стоимость замены конструкций, механизмов и их частей, пришедших в негодность вследствие коррозии. Величина прямых коррозионных потерь оценивается примерно в 5.5 миллиардов долларов в год (по данным Национального Бюро Стандартов США).

Косвенные потери делятся:

1. Простои оборудования.

2. Потеря полезного продукта (течь продуктопроводов).

3. Потеря производительности оборудования (ежегодно в США по причине коррозии - засорения труб ржавчиной, происходит повышение мощности нагнетательных машин. Это затраты - 40 млн. долларов в год.

4. Загрязнение полезного продукта.

5. Завышенные припуски при проектировании деталей (увеличение толщины изделия с припуском на коррозию).

Косвенные потери оцениваются как превышающие прямые в два- три раза. По международным, оценкам затраты на восполнение потерь от коррозии сравнимы с затратами на медицинское обслуживание в развитых странах (от трех до десяти процентов годового национального продукта). Примерно 40% ежегодно производимых металлов и металлических материалов расходуется на восполнение коррозионных потерь, поэтому без принятия решительных мер по снижению коррозионных потерь, увеличение производственных фондов становится бессмысленным.

Таким образом, цель курса коррозии и защиты металлов-

разработка способов защиты металлических материалов от коррозионного разрушения на основе знания механизма взаимодействия металлических материалов с коррозионной средой.

Научная база курса - физическая химия, теория металлургических процессов, а также металловедение и термическая обработка.

3.Классификация коррозионных процессов.

Все многообразие коррозионных процессов принято классифицировать по признаку их механизма, условий протекания и характеру получаемого разрушения.

По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозию.

По условиям протекания процессов, которые весьма разнообразны, различают следующие виды коррозии (основные виды):

-Газовую коррозию - коррозию металлических материалов в атмосфере раскаленных газов;

-Атмосферную коррозию - коррозию металлических материалов в атмосфере влагосодержащих газов;

-Жидкостная коррозия - коррозию металлов в жидкостях (электролитах и не электролитах);

-Подземную коррозию - коррозию в почвах и грунтах;

-Структурную коррозию - коррозию металлических материалов в связи с неоднородностью их структуры;

-Биокоррозию - коррозию под влиянием микроорганизмов;

-Коррозию блуждающим и внешним током.

По характеру коррозионного разрушения различают:

-Общую коррозию (сплошную);

-Местную коррозию (коррозию отдельных участков металлических поверхностей).

Общая коррозия бывает равномерной ( протекает с одинаковой скоростью на всей поверхности металла), например, коррозия углеродистой стали в H₂SO₄ ;

неравномерной протекающей с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (например, коррозия углеродистой стали в морской воде);

избирательной (разрушается лишь одна структурная составляющая сплава, например, ферритная структурная составляющая чугуна).

Местная коррозия, бывает: пятнами (коррозия латуни в морской воде), язвами (коррозия стали в грунте), точечной (коррозия нержавеющей стали в морской воде), межкристаллитной (коррозия нержавеющей стали в кислых средах), ножевой (коррозия сварных швов).

4.Химическая коррозия.

4.1.Определение явления.

Химическая коррозия - самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие их взаимодействия с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислителя - пространственно неразделенные процессы.

Процесс химической коррозии можно описать реакцией вида:

. (4.1)

Химическая коррозия наблюдается при помещении металлических материалов в атмосферу раскаленных газов или в жидкость,не являющуюся электролитом (нефть, бензин и т.д.). Наиболее распространенный вид химической коррозии - газовая коррозия.

4.2.Термодинамика процесса химической коррозии.

В качестве примера рассмотрим процесс окисления металла в атмосфере кислорода. Процесс окисления металла может быть представлен реакцией вида:

. (4.2)

Возможность протекания такой реакции определяется соответствующим изменением энергии Гиббса:

,(4.3)

гдеК - константа равновесия химической реакции;

- алгебраическая сумма логарифмов начальных активностей веществ - продуктов химической реакции.

. (4.4)

Если металл и оксид металла чистые вещества – то имеем:

. (4.5)

где Po₂ -Равновесное давление кислорода в системе;

po₂ -Начальное давление кислорода в газовой фазе.

Окончательно:

. (4.6)

Таким образом процесс окисления металлов возможен,если po₂>Po₂ ( <0) и не возможен если po₂<Po_2; при po₂=Po₂ коррозионная система находится в состоянии термодинамического равновесия.

Для случая стандартных условий в коррозионной системе возможность протекания коррозионного процесса при любой температуре определяется из уравнения

(4.7)

или может быть оценена с помощью таблиц термодинамических функций веществ в стандартном состоянии с использованием соотношения: .

Весьма удобной характеристикой возможности течения реакции окисления особенно для сложных коррозионных систем является величина кислородного потенциала.Термодинамическим условием окисления является неравенство вида:

, (4.8)

где - кислородный потенциал газовой фазы;

- кислородный потенциал системы( ).

Расчет кислородных потенциалов газовой фазы и оксида металла производится из соотношений:

, (4.9)

, (4.10)

где po₂ - давление кислорода в газовой фазе;

Ро_{2_-} равновесное давление кислорода в системе ( ).

4.3 Кинетика процесса химической коррозии.

Хотя термодинамика и дает ответ на вопрос о том, на сколько изучаемая система отдалена от состояния равновесия, но ответ на весьма важный практический вопрос о скорости протекания коррозионного разрушения в рамках термодинамики получен быть не может.

Рассмотрением этого вопроса и занимается кинетика коррозионных процессов.

4.3.1 Скорость процесса коррозии. Показатели химической коррозии.

Скорость химической коррозии определяют количественно по наблюдениям во времени за изменением какой-либо подходящей для этих целей величины, изменяющейся в процессе коррозии.

Тогда истинная скорость коррозии металлического материала определяется из выражения:

V = dy/dt, (4.11)

где y - изменяющаяся в процессе коррозии характеристика

свойства материала;

t - время коррозии.

Для количественного выражения скорости коррозионных разрушений на практике пользуются показателями коррозии, являющимися, по сути, отражением средней скорости коррозионного разрушения материала:

V_ср=Dy/Dt. (4.12)

Используется ряд показателей коррозии.

1.Глубинный показатель коррозии:

K_n=DП/Dt, (4.13)

где DП - глубина (средняя или максимальная ) коррозионного

разрушения;

t - время коррозии.

2. Показатель изменения толщины образующейся на металле пленки продуктов коррозии:

K_n=Dh/Dt, (4.14)

где Dh - изменение толщины образующейся на металле пленки

продуктов коррозии;

Dt - время коррозии.

3. Показатель изменения массы

K_m=Dm/S*Dt, (4.15)

где Dm - изменение массы корродирующего металла;

S - поверхность коррозии;

Dt - время коррозии.

4.Объемный показатель коррозии

K_v=DV/S*Dt, (4.16)

где DV - объем газа, выделившегося или поглощенного в процессе

коррозии и приведенный к нормальным условиям;

Dt - время коррозии;

S - поверхность коррозии.

5. Механический показатель коррозии.

K_s=(Ds/Dt)*100%, (4.17)

где Ds - относительное изменение характеристики механического

свойства;

Dt - время коррозии.

6. Показатель изменения электрического сопротивления.

K_R=(DR/Dt)*100%, (4.18)

где DR - относительное изменение электросопротивления образца;

Dt - время коррозии.

4.3.2. Пленки на металлах.

Большинство металлов и металлических материалов при взаимодействии с кислородом воздуха или другими окислителями покрываются пленкой оксида или другого соединения.

Первая стадия процесса взаимодействия металла с коррозионной средой – хемосорбция окислителя(O₂,CO₂,H₂O,SO₂)на поверхности металла,например:

Me_(тв) + {O₂} = Me_(тв) + 2O_адс (4.19)

При наличии химического сродства между металлом и окислителем реализуется вторая стадия взаимодействия металла с коррозионной средой – переход хемосорбированной пленки в оксидную. Этот процесс может быть условно описан реакцией вида:

XMe_(тв) + yO_адс = Me_xO_y. (4.20)

Образующаяся на поверхности металла оксидная пленка может замедлять процесс коррозии, вследствие торможения подвода окислителя к поверхности окисляющегося металла. В этом случае пленка обладает защитными свойствами.

4.3.3. Условие сплошности пленок на металлах.

Защитными свойствами могут обладать только сплошные пленки. Возможность образования такой пленки определяется условием сплошности Пиллинга – Бедворса: молярный объем соединения, возникающего на поверхности металла(V_ok) должен быть больше объема металла(V_Me), израсходованного на образование одного моля соединения:

V_ok/V_Me > 1. (4.21)

Если V_ok/V_Me <1 ,то пленка не может быть сплошной.

Отношение V_ok/V_Me можно рассчитать по формуле:

, (4.22)

где m_Ok - молярная масса оксида;

m_Me - молярная масса металла;