Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Октября 2012 в 15:17, реферат
Коррозийное разрушение может затрагивать всю поверхность металла – сплошная (общая) коррозия, или отдельные участки – местная (локальная) коррозия. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.
Введение
При эксплуатации изделий из металлов и их сплавов приходится сталкиваться с явлением разрушения их под действием внешней среды. Разрушение металлов и сплавов вследствие взаимодействия их с окружающей средой называется коррозией.
Коррозия металлов наносит большой экономический ущерб. В результате коррозии выходят из строя оборудование, машины, механизмы, разрушаются металлические конструкции. Особенно сильно подвергается коррозии оборудование, которое контактирует с агрессивными средами, например, растворами кислот, солей.
Коррозийное разрушение может затрагивать всю поверхность металла – сплошная (общая) коррозия, или отдельные участки – местная (локальная) коррозия. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия – разрушение металла из-за окисления его окислителями, находящимися в коррозийной среде.
Химическая коррозия протекает без возникновения электрического тока в системе. Такой вид коррозии возникает при контакте металлов с неэлектролитами или в газовай среде при высоких температурах (газовая коррозия).
Газовая коррозия встречается довольно часто. С ней мы сталкиваемся при коррозии металлов в печах, выхлопных трубах и т.п. Наиболее опасным для металлов компонентами газовой среды являются кислород О2 , пары воды Н2О, оксид углерода (IV) СО2 , оксид серы (IV) SO2 . Коррозийное разрушение железа и его сплавов на воздухе обусловлено окислением его кислородом:
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
C повышением температуры скорость газовой коррозии возрастает.
Наибольший вред приносит электрохимическая коррозия.
Электрохимической коррозией называется разрушение металла при контакте с электролитами с возникновением в системе электрического тока.
В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают и электрический (перенос электронов от одного участка к другому). При этом в результате взаимодействия металла с молекулами воды из коррозийной среды на нем протекают два процесса: окисление металла Me (анодный процесс)
Me – 2é = Me2+
и восстановление окислителей – компонентов среды (катодный процесс). Как правило в качестве окислителей выступают ионы водорода Н+ (коррозия с водородной деполяризацией) или растворенный в воде кислород О2 (коррозия с кислородной деполяризацией). В первом случае при катодном процессе выделяется водород:
2Н+ + 2é = H2
а во втором – образуются гидроксид-ионы:
O2 + 2H2O + 4é = 4OH-
Участки поверхности металла , на которых протекают процессы окисления и восстановления, называют соответственно , анодными и катодными.
Рассмотрим в качестве примера электрохимической коррозии реакции при электрохимической коррозии железа. Если коррозия протекает в растворе кислоты, то происходят следующие реакции:
Fe – 2é = Fe2+ | 1
2H+ + 2é = H2 | 1
___________|
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
Коррозия железа в нейтральной или щелочной среде характеризуется следующими реакциями:
Образующийся гидроксид железа (III) легко окисляется кислородом воздуха:
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)3
Продукт коррозии железа – бурая ржавчина представляет собой смесь гидроксида железа (II) и железа (III), продуктов их разложения и взаимодействия с углекислым газом и другими веществами из окружающей среды.
Электрохимическая коррозия может быть усилена, если металл содержит примеси других веществ или металлические включения. Например, железо загрязнено примесями меди. При этом возникают гальванические микроэлементы (пары).Металл с более отрицательным потенциалом разрушается – ионы его ходят к менее активному металлу, на котором происходит восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или восстановление растворенного в воде кислорода (кислородная деполяризация).
Таким образом, при электрохимической коррозии (как в случае контакта разнородных металлов, так и в случае образования микрогальванических элементов на поверхности одного металла) поток электронов направлен от более активного метла к менее активному (проводнику), и более активный металл корродирует. Скорость коррозии тем больше, чем дальше расположены друг от друга в ряду стандартных электродных потенциалов те металлы, из которых образовался гальванический элемент (гальваническая пара).
На скорость коррозии влияет и характер раствора электролита. Чем выше его кислотность (т.е. меньше рН), а также чем больше содержание в нем окислителей, тем быстрее проходит коррозия. Значительно возрастает коррозия с ростом температуры.
Некоторые металлы при соприкосновении с кислородом воздуха или в агрессивной среде переходят в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Например, концентрированная азотная кислота легко делает пассивным железо, и оно практически не реагирует с концентрированной азотной кислотой. В таких случаях на поверхности металла образуется плотная защитная пленка, которая препятствует контакту металла со средой.
Защитная пленка всегда имеется на поверхности алюминия. Подобные пленки в сухом воздухе образуются также на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Cu и других металлах. Кислород является наиболее распространенным пассиватором.
Электрохимическая коррозия под действием внутренних макро- и микрогальванических пар
Раньше электрохимическую коррозию называли гальванической коррозией, так как разрушение металла происходит под действием возникающих гальванических пар.
Рассмотрим различные случаи возникновения коррозионных гальванических пар.
1. Контакт с электролитом двух разных металлов в случае сочетания в одном узле или детали металлов различной активности в данной среде, или в случае применения сплава эвтектического типа из двух металлов разной активности.
2. Контакт металла и его соединения, обладающего металлообразными или полупроводниковыми свойствами. В любом случае свобоЛный металл имеет отрицательный электрический заряд, а соединение — положительный заряд, так как в нем часть электронов проводимости связана. Это также справедливо и для интер-металлидов.
3. Различные концентрации электролитов или воздуха, растворенного в жидком электролите.
4. Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали.
Механизм электрохимической коррозии, определяемый разностью потенциалов пассивных (катодных) и активных (анодных) участков, сводится к работе гальванического элемента, однако результат коррозионных разрушений может быть различен.
На механизм низкотемпературной коррозии влияет много различных причин: переменная температура и влажность воздуха, переменный состав газовой и электролитной среды и даже бактериальная флора, например при почвенной коррозии, так как некоторые виды бактерий способствуют окислению железа. Развитие коррозии в результате контакта разных металлов можно иллюстрировать схемой, представленной на рис. 1. Наибольшее коррозионное разрушение наблюдается рядом с контактом, так как здесь сопротивление наименьшее и, следовательно, наибольшая плотность тока.
Рис. 1. Разрушение в месте контакта разных металлов
Если возникновение разности потенциалов вызвано применением эвтектических сплавов, состоящих из металлов различной активности, то не всегда можно руководствоваться данными по стандартным потенциалам растворения, так как активность изменяется в зависимости от состава электролита и рН среды.
Так, например, стандартный потенциал алюминия меньше стандартного потенциала цинка, а в растворе поваренной соли получается наоборот — eА1>eZn, и в данной паре цинк будет анодом. При контакте эвтектического сплава с электролитом может быть два случая: 1) коррозия сведется квытравливанию из поверхностного слоя одного из компонентов (селективная коррозия); 2) коррозия может перейти в интеркристаллитную, если наиболее активный элемент входит только в состав эвтектики, разделяющей кристаллические зерна металлов. В сплавах металлов А и В, обладающих разной активностью (eА<eB), сплав состава 1—1 будет подвергаться селективной коррозии, а сплав состава 2—2 — интеркристаллитной, потому что активный металл А весь входит в состав эвтектики.
Ввиду малой поверхности зерен А в эвтектике плотность тока будет большая и разрушение эвтектики пойдет в глубину. Поэтому рекомендуется в коррозионных средах применять только сплавы типа твердого раствора (Л-61, IХ18Н10 и т. д.).
Сам процесс взаимодействия металлов с электролитной средой может происходить или с водородной, или с кислородной деполяризацией в зависимости от рН среды.
Различные концентрации электролита могут вызвать коррозию, создавая пару даже с одинаковыми металлами. Различное содержание кислорода также приводит к образованию гальванической пары — менее окисленный и более окисленный металл. Примером может служить коррозия металла под каплей воды (точечная коррозия, переходящая в питтинг); схема этого процесса приведена на рис. 2.
Рис. 2. Коррозия стали под неподвижной каплей воды
Поверхностные слои воды содержат больше кислорода, чем внутренние, и поэтому средняя часть смоченного металла оказывается более активной (анод), чем внешняя (катод). После высыхания капли в ее центре появляется довольно глубокое пятно ржавчины. Если взять достаточно тонкую (0,2—0,1 мм) пластинку, например стали, то можно получить сквозное отверстие. Такие процессы часто наблюдаются при атмосферной или почвенной коррозии.
Коррозионные пары могут возникать при действии внешних или внутренних механических напряжений (остаточных напряжений, например при сварке). Если пластинку стали, дюраля или титанового сплава согнуть и в напряженном состоянии погрузить в коррозионную среду, то на растянутом слое (внешний) через относительно короткое время возникнут трещины (рис. 3), а внутренний сжатый слой будет оставаться без изменений. Растягивающие усилия особенно опасны, так как в этом случае металл повышает свою активность.
Рис. 3. Коррозия пластинки в напряженном состоянии
Если согнутую упруго пластинку (см. рис. 3) термически обработать и упругие деформации перейдут в пластические (явление релаксации), то разности потенциалов не возникает. Таким образом, при изготовлении деталей и узлов машин для снятия остаточных напряжений всегда следует термически обрабатывать изделия, если эти изделия предназначены для работы в сильно коррелирующих средах.
Список используемой литературы
1 Бенеш П., Пумпр В., Свободова М., Мансуров Г. Н. 111 вопросов по химии. 1994 г.
2 Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия 1986 г.
3 В.В. Фролов Химия 1968 г.
4 Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных. 1985 г.
5 Исаев "Коррозия металлов..."
6 Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1967.
7 Жук "Курс коррозии и защиты металлов"