Коррозия металлов

Глава 1

Коррозия  металла 
 

1.1 Основы теории коррозии

      

  Термин  коррозия происходит от  латинского  "corrosio",  что   означает  разъедать,  разрушать.  Этот  термин  характеризует  как   процесс разрушения, так и результат.

         Среда в     которой     металл     подвергается    коррозии   (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой.

         В случае  с металлами,  говоря  об их коррозии,  имеют ввиду   нежелательный процесс   взаимодействия   металла    со    средой.   Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл   при коррозии является окисление металла.

         Любой коррозионный процесс является  многостадийным:

         1) Необходим подвод коррозионной  среды  или  отдельных   ее   компонентов к поверхности металла.

         2) Взаимодействие среды с металлом.

         3) Полный  или  частичный   отвод  продуктов  от поверхности   металла (в объем жидкости, если среда жидкая).

         Известно что  большинство   металлов  (  кроме  Ag,Pt,Cu,Au)   встречаются в природе в ионном  состоянии:  оксиды,  сульфиды,   карбонаты и др., называемые обычно руды металлов.

         Ионное состояние более выгодно,  оно характеризуется  более   меньшей внутренней  энергией.  Это заметно при получение  металлов   из руд и их  коррозии.  Поглощенная  энергия  при  восстановлении   металла из  соединений  свидетельствует  о  том  ,  что свободный   металл обладает  более  высокой   энергией,   чем   металлическое   соединение. Это   приводит  к  тому,  что  металл  находящийся  в   контакте с коррозионно-активной  средой  стремится  перейти  в   энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии.

         Коррозионный    процесс    является       самопроизвольным,   следовательно  G=G-G  (G  и  G относятся  к начальному и конечному   состоянию соответственно). Если G>G то  G<0, т.е.   коррозионный   процесс возможен;   G>0  коррозионный  процесс невозможен;   G=0   система металл-продукт находится в равновесии.  То  есть  можно   сказать, что     первопричиной    коррозии    металла    является   термодинамическая неустойчивость металлов в заданной среде. 

1.1.1  Классификация коррозионных процессов.

       

1. По    механизму    процесса   различают   химическую   и   электрохимическую  коррозию металла.

          Химическая коррозия   -   это  взаимодействие  металлов  с   коррозионной средой,   при   котором    окисляется    металл    и   восстанавливается окислительные   компоненты  коррозионной  среды   протекают в  одном  акте.  Так  протекает  окисление  большинства   металлов в   газовых   средах  содержащих  окислитель  (например,   окисление в воздухе при повышении температуры)

               

         Электрохимическая коррозия  -  это взаимодействие металла с   коррозионной средой,  при  котором  ионизация  атомов  металла  и   восстановление окислительной   компоненты  среды  происходит  не   водном акте,  и их скорости зависят  от  электродного  потенциала

   металла. По такому процессу  протекают,  например,  взаимодействие   металла с кислотами:

   эта суммарная реакция состоит  из двух актов:

                      

         2. По характеру коррозионного  разрушения.

         Общая или сплошная коррозия  при которой коррозирует вся   поверхность металла.  Она соответственно  делится на равномерную   (1а), не равномерную (1б)  и избирательную  (1в),  при  которой   коррозионный процесс    распространяется    преимущественно    по   какой-либо структурной составляющей сплава.

         Местная коррозия   при   которой  коррозируют  определенные   участки металла:

         а) коррозия язвами - коррозионные    разрушения в  виде      отдельных         средних  и больших пятен (коррозия    латуни в морской воде)

         б) межкристаллическая коррозия   при ней     процесс     коррозии         распространяется по      границе     металл-сплав           (алюминий         сплавляется с хромоникелем)   и другие виды коррозии.

      3. По условиям протекания процесса.

         а) Газовая коррозия - это  коррозия  в  газовой  среде  при   высоких температурах.   (жидкий  металл,  при  горячей  прокатке,   штамповке и др.)

         б) Атмосферная   коррозия   -   это   коррозия   металла   в   естественной атмосфере или атмосфере цеха  (ржавление   кровли,   коррозия обшивки самолета).

         в) Жидкостная коррозия - это коррозия  в жидких средах:  как   в  растворах электролитов, так и в растворах не электролитов.

         г) Подземная коррозия - это коррозия металла в почве

         д) Структурная   коррозия   -  коррозия  из-за  структурной   неоднородности металла.

         е) Микробиологическая коррозия - результат действия бактерий

         ж) Коррозия внешним током - воздействие внешнего  источника   тока (анодное или катодное заземление)

         з) Коррозия  блуждающими  токами  -  прохождение  тока   по   непредусмотренным путям по проекту.

         и) Контактная    коррозия    -    сопряжение    разнородных   электрохимических металлов в электропроводящей среде.

         к) Коррозия под  напряжением  -  одновременное  воздействие   коррозионной среды и механического  напряжения. 

    

1.1.2 Показатель скорости коррозии.

       

 Для  установления скорости коррозии  металла в  данной  среде   обычно ведут  наблюдения  за  изменением  во  времени  какой-либо   характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла.

   Чаще всего   в   коррозионной   практике   используют   следующие   показатели.

         1) Показатель  изменения массы  - изменение массы образца в   результате коррозии отнесенный к единице поверхности металла S и   к единице времени  (например, г/м ч)         в зависимости от условий коррозии различают:

         а) отрицательный показатель изменения  массы

                 К^-_m = m / S  

         где  m -  убыль  массы  металла   за  время  коррозии  после   удаления продуктов коррозии.

         б) положительный показатель изменения массы

                К⁺_m = m / S  

         где m  - увеличение массы металла  за время вследствие роста   пленки продуктов коррозии.

         Если состав  продуктов коррозии известен,  то можно сделать   пересчет от К к К и наоборот

                 К^-_m=К⁺_m (n_ok A Me / n Me A_ok) 

         где А и М - атомная и молекулярная масса  Ме  и  окислителя   соответственно; n   и   n  валентность  металла  и окислителя  в   окислительной среде.

         2) Объемный показатель коррозии

         К - объем поглощенного или  выделившегося в процессе газа  V   отнесенный к   единице  поверхности  металла  и  единице  времени   (например, см/см ч). 

                К= объ. V/ S

  

объем газа обычно приводят к нормальным условиям.

         Применительно к  электрохимической   коррозии  когда процесс   катодной  деполяризации  осуществляется  за  счет  разряда   ионов   водорода, например,  по схеме 2Н + 2е = Н,  или ионизация молекул   кислорода О + 4е +2НО = 4ОН;  вводятся соответственно кислородный   (К ) и водородный (К ) показатель соответственно.

         Водородный показатель коррозии - это объем выделившегося   Н  в процессе коррозии, отнесенный к Su  .

         Кислородный показатель коррозии - это объем поглощенного  в   процессе О , отнесенный к Su  .

         3)  Показатель сопротивления.

         Изменение электрического сопротивления  образца  металла  за   определенное время  испытаний  также  может   быть  использован в   качестве показания коррозии (К).

         К_R = ( R/R_o)100% за время t            

         где R_o и R электрическое сопротивление образца   соответственно до и после коррозии.

         У этого способа есть некоторый  недостаток  толщина  металла   во все  время  испытаний должна быть одинаковой и по этой причине   чаще всего  определяют  удельное  сопротивление,  т.е.  изменение   электрического сопротивления  на  единицу площади образца (см, мм)   при длине равной единице. Этот метод имеет ограничения применения   (для листового  металла  не  более  3мм).  Наиболее точные данные получают для проволочных образцов.  Этот метод  не  пригоден  для   сварных соединений.

         4) Механический показатель коррозии.

         Изменение какого-либо  свойства  металла за время коррозии .   Сравнительно часто  пользуются  изменением   предела   прочности.   Прочностной показатель при этом  выражается:

         К_o= ( _в/ _во) 100% за время t

        

       где  _o изменение   предела   прочности  при  растяжении  после   коррозии образца  в  течении  времени   ;   _во предел  прочности до   коррозии.

         5) Глубинный показатель коррозии.

         К -   глубина   разрушения  металла  П  в  единицу   времени   (например, мм/год)

         К_П = п/

     

   Глубина коррозионного разрушения  П может быть  средней  или   максимальной. Глубинный  показатель  коррозии  можно использовать   для характеристики как равномерной., так и неравномерной коррозии   (в том числе и местной) металлов. Он удобен для сравнения скорости   коррозии металла с различными плотностями.  Переход от массового,   токового и   объемного  к  глубинному  возможен  при  равномерной   коррозии.

       
 
 
 
 
 
 

1.2   Электрохимическая коррозия.

      

  Электрохимическая  коррозия         является        наиболее   распространенным типом  коррозии  металлов.  По  электрохимическому   механизму коррозируют    металлы    в   контакте   с   растворами   электролитов (морская вода,  растворы кислот, щелочей, солей) . В   обычных атмосферных  условиях и в земле металлы коррозируют также   по электрохимическому механизму ,  т.к. на их поверхности имеются   капли влаги с растворенными компонентами воздуха и земли. Электрохимическая коррозия    является    гетерогенным    и

   многостадийным процессом.  Ее  причиной является термодинамическая   неустойчивость металлов в данной  коррозионной среде.

         Учение о электрохимической коррозии  ставит главный вопрос -   вопрос  о скорости коррозии и тех  факторов, которые влияют на нее.   С электрохимической   точки   зрения   коррозия  металла   это  не   просто процесс   окисления  металла,  т.к.  этот  переход   должен