Коррозия металла.

Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества (рост энтропии), называется коррозией. Коррозионные процессы протекают самопроизвольно и необратимо в соответствии со вторым началом термодинамики.

Химческая сторона коррозии – это всегда окисление металла, которое сопровождается переходом его

Физическая сторона этого процесса связана:

1. диффузия компонентов среды поверхности металла;

2. возникновение электродных потенциалов;

3. если есть превращение одних веществ металла в другие (окислы, соли). Происходит изменение физических свойств в зависимости от условия протекания, а следовательно, среды эксплуатации конструкции различают:

- газовую (высокотемпературную);

- атмосферную;

- почвенную;

- в водной среде;

- коррозию в жидких не электролитах (бензине, маслах);

- в электролитах, при кислотных дождях.

В зависимости от условий коррозии имеет различный механизм, газовая в сокотемпературная и коррозия в не электролитах протекает как химическая коррозия, то есть имеет место непосредственного взаимодействия металла с кислородом или другими окислителями.

Во всех других случаях коррозия протекает как электрохимическая коррозия так как во всех жизненных средах (атмосфера, водоем, почвы) присутствуют кислород и вода, а также пары кислот, соли, то есть среда всегда электролитическая, металл оказывается погруженным в электролит (он всегда является электродом). На его поверхности возникает электродный потенциал (на разных участках возникают разные электродные потенциалы). Участки с разными электродными потенциалами оказываются замкнутыми самим элементом конструкций. То есть на поверхности материала возникают гальванические элементы, участки которых с меньшим потенциалом служат анодом (на них идет окисление компонентов среды), а участки с большим потенциалом - катодом (на них идет восстановление компонентов среды).

Медленное выделение тепловой энергии почти без повышения температуры или электрической энергии с ничтожно малыми разностями потенциалов не даёт возможности использовать выделяющуюся энергию – происходит рассеивание энергии (рост тепловой части энтропии). Продукты коррозии, как правило, рассеиваются в процессе эксплуатации металлических конструкций, что ведёт к росту энтропии (концентрационная часть энтропии).

Электрохимическая коррозия, идущая в электролитной среде под действием внутренних микро- или макро гальванических пар или внешней разности потенциалов.

Оба типа коррозионных процессов определяются термодинамически- изменением свободной энергии Гиббса.

Процессы высокотемпературной химической коррозии определяется константой равновесия обратимых гетерогенных реакций, и для исследования их мы используем первую часть равенства. Кроме термодинамической вероятности процесса необходимо рассматривать кинетику процесса, т. к. она определяет долговечность и надёжность машин и конструкций, работающих в коррозионных средах.

Существенно влияет на коррозионные процессы уровень внешних или внутренних напряжений и их распределение в металле изделия.

Условия возникновения коррозионных гальванических элементов.

Механизм электрохимической коррозии.

Частные с меньшим потенциалом являются анодами:

1 случай: (-) А(Fe) Fe-2e Fe²⁺

(+) K(Fe) O₂+H₂O+4e 4OH^-

2Fe+O₂+H₂O 2Fe(OH)₂ - атмосферная коррозия.

2 случай: в кислой среде в присутствии кислорода.

(-) А(Fe) Fe-2e Fe²⁺

(+) K(Fe) O₂+4H⁺+4e 2H₂O

2Fe+O₂+4H⁺ Fe²⁺+2H₂O

3 случай: коррозия в кислых средах.

(-) А(Fe) Fe-2e Fe²⁺

(+) K(Fe) 2H⁺+2e H₂

Fe+2H⁺ Fe²⁺+H⁰₂

Термодинамические характеристики процесса коррозии.

Кинетические характеристики процесса коррозии.

Коррозия – это сложный процесс, то есть состоит из нескольких стадий, влияющих на скорость коррозии. В целом скорость разрушения материала определяется скоростью самой медленной стадии – лимитирующая. Таким образом, управлять скоростью коррозии можно, замедляя одну из ее стадий:

1. перенос реагирующих веществ на поверхности раздела фаз;

2. собственно гетерогенная реакция на анодных и катодных реакциях;

3. отвод продуктов реакции из реакционной зоны.

(Все три стадии протекают одновременно на поверхности материала и определяют скорость друг друга.)

Из термодинамики и кинематики процесса коррозии следует:

1. коррозия неизбежна;

2. можно управлять скоростью этого процесса;

3. предотвратить его можно путем изоляции поверхности материала от внешней среды. Решая эту задачу необходимо:

- сохранить однородность материала;

- само покрытие должно обеспечивать сохранение прочностных характеристик.

Защита металлов от коррозии.

Можно выделить несколько направлений борь­бы с коррозией:

I группа: структурирование материала на стадии получения сплавов. Первое направление обусловле­но учетом условий коррозии при конструирова­нии технических устройств. Если в техническом устройстве в качестве конструкционных мате­риалов одновременно используются медь и же­лезо, цинк и железо и т. д., то, очевидно, такое техническое устройство будет быстро коррозировать.

II группа: нанесение покрытий. Нанесению покрытий должно предшествовать подготовка поверхности материала, а при нанесении необходимо соблюдать технологические режимы это обеспечивает сохранение однородности материала. Второе направление борьбы с коррозией — это тщательная покраска технического устройства. Например, автомобилисты покрывают днище, крылья и двери автомобиля специальной масти­кой, которая препятствует проникновению к по­верхности металла воздуха и влаги.

III группа: электрохимические методы защиты. Третье направление защиты от коррозии — так называемая протекторная защита металла. Для защиты металла специально создаются ус­ловия для электрохимической коррозии. Но де­лают это так, чтобы нужный металл не разру­шался, а коррозировал специально закреплен­ный другой металл. Например, если к стальной поверхности прикрепить цинковые пластинки, то коррозировать будет цинк. Стальная поверхность, таким образом, будет защищена. У нас в стране был опыт использования протекторной защиты автомобилей. Для этого государствен­ные регистрационные номера изготовляли из цинка. Предполагалось, что в процессе эксплуата­ции разрушаться будут номера, а автомобиль — нет. Но эксплуатация таких «защищенных» автомобилей в условиях крупных городов, в кото­рых зимой дороги посыпаются солью, приводит к настолько быстрой коррозии, что протектор­ная защита не спасает. Кроме того, через несколь­ко лет цинковые номера настолько сильно раз­рушились, что возникла проблема их замены.

IV группа: активирование или пассивирование поверхности материала. Четвертое направление защиты от коррозии — это покрытие одного металла другим, более ус­тойчивым к коррозии. Так, иногда части техни­ческих устройств покрывают никелем или хро­мом. Они выглядят очень привлекательно и ус­тойчивы к коррозии.