Корозія металу
1. Введення
Корозія - це руйнування твердих тіл, викликане хімічними та електрохімічними процесами, що розвиваються на поверхні тіла при його взаємодії із зовнішнім середовищем. Навіть саме слово корозія походить від позднелатінского corrosio - роз'їдання. Особливий збиток приносить корозія металів. Найпоширеніший і найбільш знайомий усім нам вид корозії - іржавіння заліза. Термін «корозія» застосуємо до металів, бетону, деяким пластмас та інших матеріалів. Кроме коррозии, металлические (в частности, строительные) конструкции подвергаются действию эрозии - разрушению поверхности материала под влиянием механического воздействия. Ерозію провокують дощі, вітри, піщаний пил та інші природні фактори. Тому арки мостів, будівельні ферми та інші споруди треба захищати комплексно. Таким чином, корозія - це фізико-хімічну взаємодію металу з середовищем, що веде до руйнування металу. В результаті корозії метали переходять в стійкі сполуки - оксиди або солі, у вигляді яких вони знаходяться в природі. Корозія з'їдає до 10 відсотків виробленого в країні металу. Важко врахувати вищі непрямі втрати від простоїв і зниження продуктивності устаткування, що піддалося корозії, від порушення нормального ходу технологічних процесів, від аварій, обумовлених зниженням міцності металевих конструкцій і т.п. Чому корозія називається корозією? Слово корозія походить від латинського «corrodo» - «гризу». Деякі джерела посилаються на позднелатінськоє «corrosio» - «роз'їдання». Не слід плутати поняття «корозія» і «іржа». Якщо корозія - це процес, то іржа один з його результатів. Це слово можна застосувати тільки до заліза, що входить до складу сталі і чавуну. Надалі під терміном «корозія» ми розуміти корозію металів. Згідно з міжнародним стандартом ISO 8044 під корозією розуміють фізико-хімічне або хімічну взаємодію між металом (сплавом) і середовищем, що приводить до погіршення функціональних властивостей металу (сплаву), середовища або включає їх технічної системи. ІРЖА - це шар частково гідратованих оксидів заліза, що утворюється на поверхні заліза і деяких його сплавів в результаті корозії. Корозійного руйнування схильні також бетон, будівельний камінь, дерево, інші матеріали; корозія полімерів називається деструкцією.2. Основи теорії корозії
Середовище, в якому метал піддається корозії (кородує) називається корозійної або агресивним середовищем (див. Додаток № 1). У випадку з металами, кажучи про їх корозії, мають через небажаний процес взаємодії металу із середовищем.
- Фізико-хімічна сутність змін, які зазнає метал при корозії є окислення металу. Будь корозійний процес є багатостадійним:
- 1. Необхідне підведення корозійного середовища або окремих її компонентів до поверхні металу.
- 2. Взаємодія середовища з металом.
- 3. Повний або часткове відведення продуктів від поверхні металу (в об'єм рідини, якщо середовище рідка). Відомо що більшість металів (крім Ag, Pt, Cu, Au) зустрічаються в природі в іонному стані :. Оксиди, сульфіди, карбонати та ін, звані зазвичай руди металів. Іонну стан більш вигідно, воно характеризується більш меншою внутрішньою енергією. Це помітно при одержання металів з руд і їх корозії. поглинена енергія при відновленні металу із з'єднань свідчить про те, що вільний метал має більш високою енергією, ніж металеве з'єднання. Это приводит к тому, что металл находящийся в контакте с коррозионно- активной средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии. То есть можно сказать, что первопричиной коррозии является термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из металла и компонентов окружающей (коррозионной) среды. Мірою термодинамічної нестійкості є вільна енергія, що звільняється при взаємодії металу з цими компонентами. Але вільна енергія сама по собі ще не визначає швидкість корозійного процесу, т. е. величину, найбільш важливу для оцінки корозійної стійкості металу. У ряді випадків адсорбційні або фазові шари (плівки), що виникають на поверхні металу в результаті розпочатого корозійного процесу утворюють настільки щільний і непроникний бар'єр, що корозія припиняється або дуже сильно гальмується. Тому в умовах експлуатації метал, що володіє більшою спорідненістю до кисню, може виявитися не менш, а більш стійким (так, вільна енергія утворення оксиду у Cr або Al вища, ніж у Fe, а по стійкості вони часто перевершують Fe).
3. Класифікація корозійних процесів
Корозію, що захопила всю поверхню металу, називається суцільний. Її ділять на рівномірну і нерівномірну залежно від того, чи однакова глибина корозійного руйнування на різних ділянках. При місцевій корозії поразки локальні і залишають практично незачепленою значну (іноді переважну) частину поверхні. Залежно від ступеня локалізації розрізняють корозійні плями, виразки і крапки (піттінг).Точкові поразки можуть дати початок підповерхневої корозії. розповсюджується в сторони під дуже тонким (наприклад, наклепаного) шаром металу, який потім роздувається міхурами або лущиться. Найбільш небезпечні види місцевої корозії - межкристаллитная (інтеркрісталлітная), яка, не руйнуючи зерен металу, просувається вглиб по їх менш стійким кордонів, і транскристаллитного, розсікаючий метал тріщиною прямо через зерна. Майже не залишаючи видимих слідів на поверхні, ці поразки можуть приводити до повної втрати міцності і руйнування деталі або конструкції.Близька до них за характером ножова корозія, немов ножем розрізає метал уздовж зварного шва при експлуатації деяких сплавів в особливо агресивних розчинах. Іноді спеціально виділяють поверхневу ниткоподібну корозію, що розвивається, наприклад, під неметаллическими покриттями, і пошарове корозію, що йде переважно у напрямі пластичної деформації.Специфічна виборча корозія, при якій в сплаві можуть вибірково розчинятися навіть окремі компоненти твердих розчинів (наприклад, обесцінкованія латуней).
- 3.1. По виду (геометричному характеру) корозійних руйнувань на поверхні або в об'ємі металу.
- 3.2. По механізму реакцій взаємодії металу з середовищем (хімічна і електрохімічна корозія).
- Корозія є хімічною, якщо після розриву металевого зв'язку атоми металу безпосередньо з'єднуються хімічним зв'язком з тими атомами або групами атомів, які входять до складу окислювачів, що віднімають валентні електрони металу. Хімічна корозія можлива в будь корозійної середовищі, проте найчастіше вона спостерігається в тих випадках, коли корозійне середовище не є електролітом (газова корозія, корозія в неелектропровідних органічних рідинах). Швидкість її найчастіше визначається дифузією часток металу і окислювача через поверхневу плівку продуктів корозії (високотемпературне окислення більшості металів газами), іноді - розчиненням або випаровуванням цієї плівки (високотемпературне окислення W або Mo), її растрескиванием (окислення Nb при високих температурах) і зрідка - конвективной доставкою окислювача із зовнішнього середовища (при дуже малих його концентраціях). Корозія є електрохімічної, якщо при виході з металевих грат утворюється катіон вступає в зв'язок не з окислювачем, а з іншими компонентами корозійного середовища; окислителю ж передаються електрони, що звільняються при утворенні катіона. Такий процес можливий в тих випадках, коли в навколишньому середовищі існують два типи реагентів, з яких одні (сольватіруются або комплексообразующие) здатні з'єднуватися стійкими зв'язками з катіоном металу без участі його валентних електронів, а інші (окислювачі) можуть приєднувати валентні електрони металу, що не утримуючи біля себе катіони. Подібними властивостями володіють розчини або розплави електролітів, де сольватовані катіони зберігають значну рухливість. Таким чином, при електрохімічної корозії видалення атома з металевої решітки (що складає суть будь-якого корозійного процесу) здійснюється в результаті двох незалежних, але сполучених, пов'язаних між собою електричним балансом, електрохімічних процесів: анодного - перехід сольватіруемих катіонів металу в розчин, і катодного - зв'язування окислювачем вивільнюваних електронів. Звідси випливає, що процес електрохімічної корозії можна уповільнити не лише шляхом безпосереднього гальмування анодного процесу, але також впливаючи на швидкість катодного. Найбільш поширені два катодних процесу: розряд водневих іонів (2е + 2H + = H 2) і відновлення розчиненого кисню (4e + O 2 + 4H + = 2Н2О або 4e + O 2 + 2H2O = 4ОН-), які часто називають відповідно водневою і кисневою деполяризацією. Анодний і катодний процеси з тією чи іншою ймовірністю і в тій чи іншій послідовності протікають в будь-яких точках металевої поверхні, де катіони і електрони можуть взаємодіяти з компонентами корозійного середовища. Якщо поверхня однорідна, то катодні і анодні процеси різновірогідні по всій її площі; в такому ідеальному випадку корозію називають гомогенно-електрохімічної (відзначаючи таким чином відсутність будь-якої неоднорідності в розподілі ймовірності електрохімічних процесів в будь-якій точці поверхні, що, звичайно, не виключає термодинамічної гетерогенності взаємодіючих фаз). Насправді на металевих поверхнях існують ділянки з різними умовами доставки реагуючих компонентів, з різним енергетичним станом атомів або з різними домішками. На таких ділянках можливе більш енергійне протікання або анодного, або катодного процесів, і корозія стає гетерогенно-електрохімічної.
- 3.3. За типом корозійного середовища
- Деякі корозійні середовища і викликані ними руйнування настільки характерні, що по назві цих середовищ класифікуються і протікають в них корозійні процеси. Як правило, металеві вироби і конструкції піддаються дії багатьох видів корозії - в цих випадках говорять про дію так званої змішаної корозії. Газова корозія - корозія в газовому середовищі при високих температурах. Атмосферне корозія - корозія металу в умовах атмосфери при вологості, достатній для утворення на поверхні металу плівки електроліту (Особливо в присутності агресивних газів або аерозолів кислот, солей і т.д.). Особливістю атмосферної корозії є сильна залежність її швидкості і механізму від товщини шару вологи на поверхні металу або ступеня зволоження утворилися продуктів корозії. Рідинна корозія - корозія в рідких середовищах. За умовами впливу рідкого середовища на метал цей тип корозії також характеризується як корозія при повному зануренні, при неповному зануренні, при змінному зануренні, що мають свої характерні особливості. Підземна корозія - корозія металу в ґрунтах і ґрунтах. Характерною особливістю підземної корозії є велика різниця у швидкості доставки кисню (Основний деполяризатор) до поверхні підземних конструкцій у різних грунтах (в десятки тисяч разів).
- 3.4.За характером додаткових впливів
- Корозія під напругою розвивається в зоні дії розтягуючих або згинаючих механічних навантажень, а також залишкових деформацій або термічних напруг і, як правило, веде до транскристаллитного корозійного розтріскування, якому піддаються, наприклад, сталеві троси і пружини в атмосферних умовах, вуглецеві і нержавіючі сталі в паросилових установках, високоміцні титанові сплави в морській воді і т. д. При знакозмінних навантаженнях може виявлятися корозійна втома, що виражається в більш-менш різкому пониженні межі втоми металу у присутності корозійного середовища. Корозійна ерозія (або корозія при терті) являє собою прискорений знос металу при одночасному впливі взаємно підсилюють один одного корозійних і абразивних чинників (тертя ковзання, потік абразивних часток і т. п.). Родинна їй кавітаційна корозія виникає при кавітаційних режимах обтікання металу агресивним середовищем, коли безперервне виникнення і «захлопування» дрібних вакуумних бульбашок створює потік руйнують мікрогідравліческіх ударів, що впливають на поверхню металу. близькою різновидом можна вважати і фреттінг-корозію, спостережувану в місцях контакту щільно стислих або котяться одна за іншою деталей, якщо в результаті вібрацій між їх поверхнями виникають мікроскопічні зміщення зсуву. Витік електричного струму через кордон металу з агресивним середовищем викликає залежно від характеру і напрямку витоку додаткові анодні і катодні реакції, що можуть прямо або побічно вести до прискореного місцевим або загальним руйнування металу (корозія блукаючим струмом). Подібні руйнування, локалізуемие поблизу контакту, може викликати зіткнення в електроліті двох різнорідних металів, що утворюють замкнене гальванічний елемент, - контактна корозія. У вузьких зазорах між деталями, а також під відсталим покриттям або наростом, куди проникає електроліт, але утруднений доступ кисню, необхідного для пасивації металу, може розвиватися щілинна корозія, при якій розчинення металу в основному відбувається в щілини, а катодні реакції частково або повністю протікають поряд з нею на відкритої поверхні. Прийнято виділяти також біологічну корозію, що йде під впливом продуктів життєдіяльності бактерій та ін. організмів, і радіаційну корозію - при впливі радіоактивного випромінювання.
