Металлы и сплавы, приходя в соприкосновение с окружающей их средой (газообразной или жидкой), подвергаются разрушению. Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды, называется коррозией.
Воздействие окружающей среды вызывает постоянное разрушение материалов в конструкциях зданий, сооружений, оборудования, аппаратуры. Особенно велики потери от коррозии на предприятиях химической, коксохимической, металлургической, угольной и других отраслей промышленности, для которых характерно наличие технологических агрессивных сред. Часто из-за коррозии отдельных элементов значительно раньше срока выходят из строя целые сооружения, хотя их основные конструкции могут стоять века.
Нашей задачей будет рассмотреть следующее:
1) механизм коррозионных процессов различных материалов;
2) коррозионную стойкость разных материалов в разных условиях;
3) методы защиты от коррозии;
4) обоснование выбора того или иного материала в зависимости от условий эксплуатации и окружающей среды;
Итак, начнем.
1. Классификация и причины коррозии.
Агрессивной называется такая среда, под воздействием которой изменяются структура и свойства материалов, что приводит к снижению их прочности и разрушению конструкций, изготовленных из этих материалов.
Способность материалов сопротивляться разрушительному действию внешней агрессивной среды называют коррозионной стойкостью, а предельный срок службы оборудования или конструкций, называется долговечностью.
Те вещества или явления, которые способствуют протеканию коррозионных процессов, называют стимуляторами коррозии, а те, которые затрудняют процессы коррозии, называют пассиваторами или ингибиторами коррозии.
Понятие об агрессивности или пассивности окружающей среды относительно, так как воздействие одного и того же реагента на различные материалы может быть различным. Например, теплый влажный воздух агрессивен по отношению к простой стали, но он упрочняет цементный бетон.
По механизму коррозионные процессы различают на следующие виды: химическую, электрохимическую, физико-химическую и физическую.
Химическая коррозия – процесс взаимодействия материала с агрессивной средой, сопровождающийся необратимым изменением его химической структуры, при этом окисление металла и восстановление окислителя коррозионной среды протекают в одну стадию. Например, растворение металла в кислоте или щелочи в присутствии окислителя является химической коррозией.
Электрохимическая коррозия – процесс взаимодействия металла с агрессивной средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в несколько стадий и их скорости зависят от электродных потенциалов окислителя и металла.
В воде обычно содержится растворенный кислород, способный к восстановлению по следующей полуреакции:
О2 + 4Н+ + 4е = 2Н2О
Кроме того, в растворе содержатся катионы водорода, также являющиеся окислителями:
2Н+ + 2е = Н2
Это два важнейших окислителя, вызывающих электрохимическую коррозию металлов. Потенциал, отвечающий этим двум процессам, можно выразить уравнением Нернста. Для первого процесса значение потенциала выражается уравнением: Е = 1,228 – 0,059рН, а для второго – Е = –0,059рН. В нейтральной среде (рН ~ 7) значение первого потенциала составляет 0,815 В, то есть растворенный в воде кислород может окислять металлы с потенциалом менее, чем 0,815 В, то есть все металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода и правее него, включая серебро (Е = 0,799 В) [Глинка, с. 290]. Значение потенциала для водорода составляет в нейтральной среде –0,413 В, и поэтому катионы водорода, находящиеся в нейтральной воде могут окислять металлы со значением стандартного электродного потенциала, меньшим –0,41 В, то есть вплоть до кадмия.
Из приведенных формул для расчета потенциала молекулярного кислорода и катионов водорода видно, что с уменьшением рН водных растворов их окислительная способность постепенно возрастает, чем и объясняется вредное действие кислотных дождей не только на организм человека, но и на долговечность металлических поверхностей.
Физико-химическая коррозия – процесс взаимодействия материала с агрессивной средой, приводящий к его физическому разрушению. Для этого вида коррозии характерно разрушение материала посредством выщелачивания, а также вследствие возникновения внутренних напряжений (трещин) за счет осмотических явлений.
При физической коррозии физическое разрушение материала не сопровождается изменением химической структуры. Этот вид коррозии характерен при соприкосновении пористых материалов с засоленными грунтами. При заполнении пор материала кристаллами соли неизбежно его механическое разрушение. То же самое происходит при замерзании в порах воды.
Коррозия металлов происходит по двум механизмам: химическому и электрохимическому.
Физическое состояние агрессивной среды имеет существенное значение для развития коррозионных процессов, которые чаще всего протекают в жидкой фазе, реже в газообразной и почти отсутствуют для сухой твердой фазы. Характер и скорость коррозии материалов в средах определяют следующие факторы:
