Механизмы коррозии металлов

 

Различают два основных вида коррозии металлических строительных конструкций: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит в газах и парах при высокой температуре и проявляется в окислении металла, а электрохимическая – в результате возникновения гальванических пар. Самым распространенным видом является электрохимическая коррозия. Она приводит к наибольшим разрушениям, так как протекает в атмосферной и грунтовой влаге, в морской, речной и водопроводной воде, в производственных процессах и в быту.

Электрохимическую коррозию составляют три взаимосвязанных процесса: анодный, катодный и электролитный.

Анодный процесс – это переход в раствор ионов металла, их гидратация с отрицательно заряженными ионами электролита и образование нейтральных молекул.

Катодный процесс заключается в переходе электронов с неупорядоченных орбит атомов и в том, что положительно заряженные ионы (атомы) электролита, способные восстанавливаться, получают от катода необходимые электроны и разряжаются на нем, образуя нейтральные молекулы или ионы.

Электролитный процесс состоит в перемещении анионов и катионов электролита соответственно к катоду и аноду металла, объединении их с выбывающими из металла ионами и электронами и образовании нейтральных молекул в электролите. Этот процесс должен подпитываться внешними окислителями; если они не поступают, то процесс коррозии тормозится; если катодный процесс протекает беспрепятственно, то и разрушение на аноде не затухает.

Затухание катодного процесса называется поляризацией и полезно для защиты металла от коррозии. Поляризация заключается в обрастании катода пузырьками водорода и пленками продуктов коррозии. Она может возникнуть как в результате смещения заряда анода в положительную сторону (анодная поляризация), так и в результате смещения заряда катода в отрицательную сторону (катодная поляризация).

Например, приток к катоду кислорода вызывает реакцию с водородом, образование воды и освобождает поверхность катода для развития гальванического процесса. Таким образом, там, где происходит приток кислорода к конструкции, коррозия не прекращается.

Под действием электрохимической коррозии разрушению подвергаются только неоднородные металлы, т. е. химически не чистые, металлы с разными электродными потенциалами.

При погружении электродов любой пары металлов в электролит металл, стоящий левее в ряду потенциалов, приобретает отрицательный потенциал и становится анодом, а металл, стоящий правее, – положительный потенциал и становится катодом.

Электродвижущая сила гальванического элемента, состоящего из двух электродов, равна разности двух нормальных потенциалов. Например, ЭДС гальванической пары из меди и цинка определяется так:

ЭДС = E °_Cu2+/Cu – E ° _Zn2+/Zn = 0,034 – (– 0,76) = 1,1 В.

 

Для защиты металлов от электрохимической коррозии необходимо прекратить (подавить) действие гальванических элементов, что достигается наложением тока с более высоким потенциалом. Такой потенциал называется защитным.

Разновидностью электрохимической коррозии является почвенная коррозия, т. е. разрушение подземных металлических конструкций почвенной средой. Основной вид такой коррозии – разрушение металла в почвенной среде – электролите. В почве может происходить коррозия, вызванная блуждающими токами и воздействием сульфатных бактерий.

Согласно электрохимической теории коррозии, металлические сооружения рассматриваются как многоэлектродные гальванические элементы. На металлических конструкциях, находящихся в грунте, образуются микро- и макрогальванические элементы из-за химической неоднородности металла, деформации его отдельных участков, разнохарактерности внешних факторов.

Различают следующие типы электрохимической коррозии, имеющие наиболее важное практическое значение.

1. Коррозия в электролитах. К этому типу относятся коррозия в природных водах (морской и пресной), а также различные виды коррозии в жидких средах. В зависимости от характера среды различают:

а) кислотную;

б) щелочную;

в) солевую;

г) морскую коррозию.

По условиям воздействия жидкой среды на металл этот тип коррозии также характеризуется как:

– коррозия при полном погружении;

– при неполном погружении;

– при переменном погружении.

Каждый из этих подтипов имеет свои характерные особенности.

2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия – воздействие на металл грунта, который в коррозионном отношении должен рассматриваться как своеобразный электролит. Характерной особенностью подземной электрохимической коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода (основной деполяризатор) к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз).

Существенную роль при коррозии в почве играет образование и функционирование макрокоррозионных пар вследствие неравномерной аэрации отдельных участков конструкции, а также наличие в земле блуждающих токов. В ряде случаев на скорость электрохимической коррозии в подземных условиях оказывает существенное влияние развитие биологических процессов в почве.

3. Атмосферная коррозия – коррозия металлов в условиях атмосферы, а также любого влажного газа; наблюдается под конденсационными видимыми слоями влаги на поверхности металла (мокрая атмосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями влаги (влажная атмосферная коррозия). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.

4. Коррозия в условиях механического воздействия. Этому типу разрушения подвергаются многочисленные инженерные сооружения, работающие как в жидких электролитах, так и в атмосферных и подземных условиях. Наиболее типичными видами подобного разрушения являются:

А. Коррозионное растрескивание; при этом характерно образование трещин, которые могут распространяться не только межкристально, но также и транскристально. Примером подобного разрушения является щелочная хрупкость котлов, сезонное растрескивание латуней, а также растрескивание некоторых конструкционных высокопрочных сплавов.

Б. Коррозионная усталость, вызываемая воздействием коррозионной среды и знакопеременных или пульсирующих механических напряжений. Этот вид разрушения также характеризуется образованием меж- и транскристаллитных трещин. Разрушения металлов от коррозионной усталости встречаются при эксплуатации различных инженерных конструкций (валов гребных винтов, рессор автомобилей, канатов, штанг глубинных насосов, охлаждаемых валков прокатных станов и др.).

В. Коррозионная кавитация, являющаяся обычно следствием энергичного механического воздействия коррозионной среды на поверхность металла. Подобное коррозионно-механическое воздействие может приводить к весьма сильным местным разрушениям металлических конструкций (например, для гребных винтов морских судов). Механизм разрушения от коррозионной кавитации близок к разрушению от поверхностной коррозионной усталости.

Г. Коррозионная эрозия, вызываемая механическим истирающим воздействием другого твердого тела при наличии коррозионной среды или непосредственным истирающим действием самой коррозионной среды. Это явление иногда называют также коррозионным истиранием или фреттинг-коррозией.