Коррозионные среды и влияние дополнительных факторов
Воздействие на коррозионную систему дополнительных факторов, таких как механические нагрузки, ионизирующее излучение, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и т.д., может приводить к изменению физико-химических свойств металла, пленки продуктов коррозии, химического состава окружающей среды, изменяя скорость коррозии, способствуя более интенсивному разрушению металла.
Коррозионно-механическое разрушение металлов
Металлические изделия, работающие в условиях одновременного воздействия коррозионной среды и механических напряжений, подвергаются более сильному разрушению. Различают внешние механические напряжения, которые могут быть статическими и переменными, и внутренние, возникающие в металле при его термической обработке, например при сварке.
В зоне действия растягивающих или изгибающих механических нагрузок меняется структура поверхностного слоя металла, что вызывает изменение электродного потенциала отдельных участков. Потенциал растянутого слоя металла будет уменьшаться (анодный участок), а сжатого увеличиваться (катодный участок). Кроме того, возможно разрушение защитных пленок. Это приводит к образованию коррозионных трещин с последующим разрушением конструкции, вызванным концентрациями напряжения в этих трещинах.
Коррозионные процессы при механических нагрузках протекают через три последовательные стадии: инкубационный период, когда отсутствуют видимые разрушения; период образования очагов коррозии; период быстрого масштабного разрушения.
Выделяют следующие основные виды коррозионно-механического разрушения металла:
-коррозионное растрескивание – разрушение металла вследствие возникновения трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды;
-коррозионная усталость – снижение предела усталостной прочности при одновременном воздействии переменных (периодических) нагрузок и коррозионной среды;
-фреттинг-коррозия – повреждение соприкасающихся металлических деталей, совершающих небольшие периодические смещения относительно друг друга, вследствие механического разрушения защитных оксидных пленок и увеличения скорости коррозии (болтовые, заклепочные и другие соединения);
-коррозионная эрозия (коррозия при трении) – ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.);
-кавитационная коррозия, возникающая при кавитационных режимах обтекания металла жидкой агрессивной средой, когда непрерывное возникновение и "cхлопывание" мелких вакуумных пузырьков создаёт поток разрушающих микрогидравлических ударов, воздействующих на поверхность металла.
Водородная коррозия
При контакте металла со средой, содержащей газообразный водород (Н2), возможен особый тип коррозии – водородное охрупчивание металла. В этих условиях снижается пластичность металла, что может приводить к разрушению отдельных деталей. Такое изменение свойств связано с растворением водорода в металле, протеканием химических реакций восстановления компонентов металла, образованием газовых полостей внутри поликристалла.
При коррозии, например, стали, находящейся в контакте с газообразным водородом, протекают следующие процессы:
-сорбция молекул водорода на поверхности металла с последующей его диссоциацией на атомарный водород: Н2 ® 2 Н;
-диффузия атомов водорода в объем металла;
-химические реакции атомарного водорода с компонентами металла:
восстановление углерода Fe3C + 4 H ® 3 Fe + CH4,
восстановление оксида FeO + 2 H ® Fe + H2O,
образование гидридов металлов Fe + n H ® FeHn,
рекомбинация 2 Н ® Н2.
-образование газовых полостей. Продукты восстановления (CH4, H2O) и рекомбинации атомарного водорода (Н2) адсорбируются на дефектах структуры, образуя внутри поликристалла газовую фазу («пузыри»). Это вызывает возникновение больших внутренних напряжений и приводит к необратимой потере пластичности металла (хрупкости).
Необходимо отметить, что водородное охрупчивание металла может происходить вследствие протекания на его поверхности катодной реакции восстановления ионов водорода при электролизе или электрохимической коррозии.
Радиационная коррозия
Коррозия металлических изделий, работающих в полях ионизирующего излучения, например, деталей ядерно-энергетических установок, как правило, протекает с большей скоростью, чем без воздействия радиации. Так, скорость коррозии нержавеющих сталей в зависимости от состава коррозионной среды может возрастать в 1,5÷100 раз.
Увеличение интенсивности коррозионных процессов обусловлено протеканием в системе радиационно-химических реакций. Ионизирующее излучение вызывает изменение как структуры и физико-химических свойств металла и оксидной пленки, так и окислительно-восстановительных свойств коррозионной среды вследствие ее радиолиза.
Степень воздействия ионизирующего излучения на коррозию металлов определяется:
-видом излучения (a; b; g; нейтроны, осколки деления), поглощенной энергией (поглощенная доза), интенсивностью облучения (мощность поглощенной дозы);
-природой металла, составом и структурой оксидной пленки;
-химическим и фазовым составом коррозионной среды (жидкость, кипящая жидкость, газ и т.д.).
Контрольные вопросы.
1. Классификация коррозионных процессов.
2. Химическая коррозия. Законы роста оксидной пленки.
3. Факторы, влияющие на скорость газовой коррозии.
4. Электрохимическая коррозия. Анодные и катодные реакции.
5. Коррозионные среды и влияние дополнительных факторов.
Библиографический список
1. Хаускрофт К., Констебл Э. Современный курс общей химии. М.: Мир, 2002. Т.1,2.
2. Теоретические основы общей химии / А.И. Горбунов, А.А. Гуров, Г.Г. Филиппов, В.Н. Шаповал; МГТУ им. Н.Э. Баумана. М., 2001. 720 с.
3. Общая химия / Под ред. Е.М. Соколовой, Г.Д. Вовченко, Л.С. Гузея. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980, 726 с.
4. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. СПб: Химия, 1995. 624с.
5. Курс общей химии / Под ред. Н.В.Коровина М.: Высшая школа, 1981. 431с.
6. Полинг Л. Общая химия. М.: Мир, 1964. 583 с.
7. Физическая химия / Под ред. К.С. Краснова. М.: Высшая школа, 2001. Кн.1 – 512 с., Кн. 2 – 319 с.
8. Стремберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. М.: Высшая школа, 2001. 527 с.
9. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. М.: Высшая школа, 1990. 416с.
10. Слесарев В.И. Химия – основы химии живого.. СПб.: Химиздат, 2000. 767 с.
11. Пиментел Г, Спратли Р. Как квантовая химия объясняет химическую связь. М.: Мир, 1973. 331 с.
12. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1993.
13. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества. М.: Высшая школа, 1978. 304 с.
14. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь. М.: Мир, 1974. 296 с.
15. Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. М.: Химия, 1969. 432 с.
16. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М., 1973. 55 с.
17. Постников В.С. Физика и химия твердого состояния. М.: Металлургия, 1978. 544 с.
18. Хенней Н. Химия твердого тела. М.: Мир, 1971. 223 с.
19. М.Х. Карапетьянц Химическая термодинамика. М.: Химия, 1975. 584 с.
20. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. М.: Мир, 2002. 461с.
21. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1984. 463 с.
22. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций. М.: Высшая школа, 1988. 391 с.
23. Пикаев А.К. Современная радиационная химия: В 3 т. М.: Наука, 1985.
24. Франк–Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 491 с.
25. Челышев В.П., Шехтер Б.И., Шушко Л.А. Теория горения и взрыва. М.: МО СССР, 1970. 521 с.
26. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия, 1983. 232 с.
27. Антропов, Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1969. 512 с.
28. Багоцкий, В.С., Скундин, А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
29. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. 472 с.
30. Семенова, И.В. и др. Коррозия и защита от коррозии. М, Физматлит, 2002. 336 с.