Для чего нужно изучать коррозию металла

МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

Муниципальное
казённое общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №2
имени маршала Советского Союза Крылова Н. И. ЗАТО п. Солнечный Красноярского
края»

• VII
  научно-практическая конференция школьников «Я познаю мир»
• Направление:
  физика
• Секция:
  физико-математические науки и
• информационные технологии
• Научно-исследовательская
  работа
• «Коррозия
  металлов»
• Авторы
  работы:
• 1. Ирков
  Даниил Константинович
• МКОУ «CОШ № 2», 8Д
  класс
• 2.
  Мулярчик Кирилл Дмитриевич
• МКОУ «CОШ № 2», 8Д
  класс
• 3.
  Столбикова Дарья Алексеевна
• МКОУ «CОШ № 2»,
  8Д класс
• Руководитель работы:
• Новинская
  Елена Алексеевна

МКОУ «СОШ
№2»,                                                                          учитель
физики и
астрономии                                                                           
novinskaja.elena@mail.ru

ЗАТО
п. Солнечный, 2019

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………..….……3-4

1. Теоретическая
часть

1.1. История
изучения коррозии металлов…………………………………………………..……….5

1.2. Причины и
виды коррозии……………………………………………………………….……..5-6

1.3. Методы защиты
металлов от коррозии……………………………………………….………..6-7

2. Практическая
часть

2.1. Получение
эффекта коррозии (опыт с гвоздём)………………………………..……….…..….…7

2.2.  Исследование
способов защиты металла от коррозии……………………….…………….……7

3. Заключение ……………………………………………………………………….…………………….8

Список
используемой литературы…………………………………………………………..…..……8

Приложения

Приложение
1……………………………………………………………………………….……….….9

Приложение 2………………………………………………………………………………..……..…10

Приложение
3………………………………………………………………………………………….11

Приложение
4………………………………………………………………………………….…….…11

Приложение
5………………………………………………………………………………….………11

Приложение 6………………………………………………………………………………….…..12-13

1. Введение
2. «Люди
   издавна гадали:
3. Как
   металлы уберечь?
4. И
   теорию создали —
5. Вот
   о ней как раз и речь!»

Окислительно-восстановительные процессы
играют исключительно важную роль в современной технике. Например, получение
электрической энергии с помощью химических источников тока, металлургические
процессы, электролиз. Однако некоторые окислительно-восстановительные процессы
приносят вред человечеству.

Одним из них является коррозия.  Коррозия разрушает
различные наземные и подземные металлические сооружения, турбинные и ракетные
двигатели, подводные части судов, паровые котлы, проложенные в земле
трубопроводы, линии электропередач, железные дороги, нефтепроводы.

В результате
коррозии ухудшаются электрические и магнитные свойства металлов, изменяются
размеры сделанных из них деталей, нарушается герметичность аппаратов.
Коррозионный процесс может полностью вывести из строя точные приборы — часы,
аналитические весы и другие.

Ежегодно потери металлов от коррозии составляют
10-15% от их выпуска и исчисляются миллиардами рублей. Гибнет труд людей,
затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов.

Кроме того, снижается производительность и срок работы оборудования, повышается
его аварийность, нарушаются технологические процессы. В связи с этим
исследование механизма процесса коррозии и разработка методов защиты от неё
имеют больше значение.

Также мы обратили внимание, что ржавые
изделия, детали, конструкции и прочие промышленные материалы встречаются и в
повседневной жизни. Так, нами был замечен эффект коррозии на автомобилях (приложение
1), металлических заборах (приложение 2), дорожных знаков (приложение
3). Кроме того, мы наблюдали содержание ржавчины в водопроводной воде (приложение
4).

Проблемы коррозии постоянно обостряются
из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их
эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции,
становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения .

Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более
высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому
вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более
актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому
единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления.

Поэтому,
изучив процесс коррозии, условия его появления и последствия для окружающего
мира, мы решили выяснить, как его можно предотвратить или замедлить.

• Цель работы:
  узнать, что такое коррозия, понять сущность данного процесса и влияние его на
  окружающий мир, и попытаться выявить методы защиты от коррозии.
•  Гипотеза: если изучить
  процессы коррозии и разобраться в причинах её возникновения, то данное явления
  можно предотвратить и взять под контроль. 
• Задачи:

1. Ознакомиться с историей открытия и
исследования коррозии.

2. Изучить виды коррозии и причины ее
возникновения.

3. Провести ряд опыты по наблюдению
появления ржавчины и способам защиты от неё.

1. Для решения поставленных задач были
   использованы следующие методы исследования:
2. ·      наблюдение
3. ·      изучение
   и обобщение
4. ·      эксперимент
5. ·      анализ
6. ·      фото-
   и видеосъемка
7. 1.
   Теоретическая часть

Коррозия металлов — физико-химическое
воздействие металлических материалов и окружающей среды, которое приводит к
понижению выносливости и прочности материала, вплоть до его разрушения. При
коррозии железа и сталей во влажной атмосфере обычно образуются оксиды железа в
виде ржавчины.

• Пример — кислородная коррозия железа
  в воде:
• 4Fe+6H2O+3O2=4FE(OH)3
• Гидроксид железа Fe(OH)3 и является
  тем, что называют ржавчиной.

1.1.
История изучения коррозии металлов

      Люди издавна интересовались
вопросами защиты от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (5 век до нашей
эры) и древнеримский ученый Плиний Старший (1 век до нашей эры) упоминают о
применении олова для защиты железа от ржавчины.

      Средневековые алхимики мечтали о
получении нержавеющего железа. Уже в двадцатых годах 19 века электролитическую коррозию
изучают химик Гемфри Дэви и физик Майкл Фарадей. С тех пор во многих странах
мира было выполнено очень много работ по коррозии различных металлических
материалов. Однако правильной, научно обоснованной теории электрохимической
коррозии не было.

Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 году швейцарским
ученым Де ла Ривом, оказавшаяся неверной, согласно которой подвергаться
коррозии может лишь такой материал, в котором есть инородные включения.

В
начале тридцатых годов 20 века, советский ученый Александр Наумович Фрумкин,
изучая амальгамы металлов, показал, что активный металл амальгамы растворяется
в кислотах, хотя амальгама – это однородное вещество.

      В 1935 году Алексей Иванович Шултин
объяснил коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов. Он рассмотрел
механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость.

В
том же 1935 году Ярослав Васильевич Дурдин так же высказал обоснованную им
мысль о растворении металлов в кислотах без наличия инородных включений в них.
Таким образом, советские ученые, в первую очередь Шултин А.И. и Дурдин Я.В.

,
сформулировали теорию электрохимической коррозии металлических материалов.

1.2.
Причины и виды коррозии

По характеру взаимодействия металла и
среды коррозию принято делить на химическую и электрохимическую. В обоих
случаях протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металл
окисляется, а присутствующий в агрессивной среде окислитель восстанавливается.

Но при химической
коррозии электроны переходят от металла к окислителю непосредственно,
при электрохимической коррозии окислительно-восстановительная реакция
разбивается на полуреакции окисления и восстановления и электроны переходят
по металлу от восстановителя к окислителю.

Химическая коррозия протекает в
средах не проводящих электрический ток (в газах, нефти, бензине, керосине и т.
д.) при высоких температурах. когда не возможна конденсация водяного пара. Ей
подвергается арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки
газовых турбин, аппаратура химической отрасли промышленности

Электрохимическая коррозия протекает в
присутствии влаги. Распространена она значительно шире, чем химическая. Ей подвергаются
подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические
сооружения и конструкции под водой и в атмосфере, проложенные в грунте
трубопроводы, оболочки кабелей.

Рассмотрение механизмов действия
химической и электрохимической коррозии показывает, что большого различия между
ними не существует. Иногда возможен постепенный переход химической коррозии в
электрохимическую и, наоборот.

1.3.
Методы защиты металлов от коррозии

1) Анодная защита — покрытие металла более
активным металлом. Например, в гальванической
паре Zn – Fe (оцинкованное железо) защищено железо, в
паре Zn –Cu защищена медь. К днищам кораблей прикрепляют
протекторы – слитки металла более активного, чем обшивка днища корабля. Чаще
всего это – протекторная защита с помощью цинка.

Катодная защита – защита менее активным
металлом (луженое железо). Например, покрытие железа оловом (луженое железо).

2) Отделение металла от агрессивной
среды (окраска, смазка, покрытие лаками, эмалями). Ученые создали новое
стеклокристаллическое покрытие, которое отличается стойкостью и способностью
работать при более высокой, чем металлы, температуре

3) Использование замедлителей коррозии –
ингибиторов. Чаще это органические вещества или неорганические соли (нитрат
натрия, хроматы стронция, свинца, цинка).

4) Электрозащита – нейтрализация
тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в
противоположном направлении. Защищаемую конструкцию присоединяют к катоду
внешнего источника тока, а анод заземляют.

Так обычно защищают трубы нефтепровода,
газопровода, ни в коем случае нельзя перепутать полюса тока, ошибки должны быть
исключены.

5) Пассивация металлов – это
образование на поверхности металла плотно прилегающего оксидного слоя,
защищающего от коррозии. Например, железо пассивируют погружением изделия в
концентрированную азотную кислоту. Пассивированное железо перестает взаимодействовать
с кислотами с выделением водорода. Устранить пассивацию можно разрушением
пленки.

6) Изготовление сплавов, стойких к
коррозии. В результате снижения содержания углерода в нержавеющей стали до 0,1%
стало возможным изготовлять из неё листовой прокат (коррозийнно-стойкая сталь).

2.
Практическая часть

Изучив сущность коррозии и её основные
свойства, мы решили провести несколько опытов по выявлению причин и условий
появления ржавчины, а также по изучению способов защиты от воздействия
коррозии.

2.1.
Получение эффекта коррозии (опыт с гвоздём)

Опыт проводился в хорошо проветриваемом помещении.
Для его проведения нам понадобился металл (железный гвоздь). С помощью
распылителя опрыскиваем его значительным количеством перекиси водорода. Затем
посыпаем металл солью.

Делать это необходимо, пока перекись еще влажная.
Процесс ржавления начинается практически сразу. После этого гвоздю нужно высохнуть
естественным образом, на свежем воздухе. Таким образом, с помощью искусственной
коррозии нами был получен ржавый гвоздь.

Результат опыта представлен в приложении
5.

2.2. 
Исследование способов защиты металла от коррозии

Опыт проводился с целью изучить народные
средства по удалению ржавчины, которые безопасны и могут быть использованы в
быту.

Мы взяли пять железных ржавых гвоздей и
столько же пластиковых стаканов. В стаканах находились средства, которые, по
нашему мнению, могли бы справиться с коррозией металла. Стакан №1 — с кетчупом,
№2 — с лимонной кислотой, №3 — с уксусом, №4 — средство от ржавчины, №5 —
Кока-кола. Помещаем в каждый стакан по одному гвоздю, оставляем на сутки.

1. По результатам опыта (приложение 6), самыми
   эффективными средствами оказались: средство от ржавчины (в состав которого
   входят различные сильные кислоты: соляная, ортофосфорная, серная, кремниевая и
   другие), уксус (за счёт содержания в нём концентрированной уксусной кислоты,
   разъедающей ржавый налет), кетчуп (благодаря разбавленной уксусной кислоте,
   входящей в его состав). 
2. 3.
   Заключение
3. Таким образом, при выполнении
   исследовательской работы, мы выяснили, что коррозия — явление, приносящее не
   только экономический ущерб, но также отрицательно влияющее на здоровье
   человека, приносящее ему материальный ущерб и негативно отражающееся на
   состоянии окружающей среды.

Было обнаружено, что с процессом коррозии,
то есть разрушением изделий из металла, мы сталкиваемся в повседневной жизни.

В
ходе исследований, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась — коррозия
действительно подконтрольна, зная процессы и причины её возникновения.

Также, с
помощью опытов выявилось, что защитить металлы от коррозии можно доступными
народными средствами. В эпоху современной промышленности, проблема коррозии до
сих пор остается актуальной.

Список 
используемой литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Коррозия

Физика коррозии. Часть вторая.

http://notehspb.ru/o_korrozii/korroziia_zheleza

http://abouthist.net/metally-2/korroziya-zheleza.html

http://ximik.biz/prakticheskaya-himiya/69-korroziya-metalla

http://chemlib.ru/books/item/f00/s00/z0000037/st083.shtml

https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/klassy-neorganicheskikh-veshchestv-14371/metally-15154/re-3801c99f-317b-4cc9-a916-0bb75ff5906a

• Приложения
•  Приложение 1
• 
• 
• Приложение 2
• 
• 
• Приложение
  3
• Приложение
  4
• Приложение
  5
• Приложение 6
• 

Коррозия металла — причины возникновения и методы защиты

Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы.

Коррозия безвозвратно разрушает металл, превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год.

Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года.

Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?

Что такое коррозия металлов

Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия).

Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе2O3·H2О).

Химическая коррозия

Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка.

Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл.

А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину.

Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.

Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики.

Электрохимическая коррозия

Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)).

Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).

Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд.

Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла.

В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге).

Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг.

Другие причины коррозии металла

Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.

Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.

Меры защиты металлов от коррозии

Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.

Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.

Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)).

Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями

Неметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой.

Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке.

Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик.

Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.

В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.

Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов

Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом).

Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность.

Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов.

Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных).

Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем).

Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия.

Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив.

Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах.

Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне).

Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу.

Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок

Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности.

Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза.

Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла.

Меры противодействия электрохимической коррозии

Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами.

Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию.

С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность.

Защита от блуждающих токов

Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:

• участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
• трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
• применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
• на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
• на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
• чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.

Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода.

Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию.

Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода.

© Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру

18.03.10

Коррозия металлов — физико-химическое воздействие металлических материалов и окружающей среды, которое приводит к понижению выносливости и прочности материала, вплоть до его разрушения. При коррозии железа и сталей во влажной атмосфере обычно образуются оксиды железа в виде ржавчины.

• Пример — кислородная коррозия железа в воде:
• 4Fe+6H2O+3O2=4FE(OH)3
• Гидроксид железа Fe(OH)3 и является тем, что называют ржавчиной.

История изучения коррозии металлов

Люди издавна интересовались вопросами защиты от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (5 век до нашей эры) и древнеримский ученый Плиний Старший (1 век до нашей эры) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.

Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа. Уже в двадцатых годах 19 века электролитическую коррозию изучают химик Гемфри Дэви и физик Майкл Фарадей. С тех пор во многих странах мира было выполнено очень много работ по коррозии различных металлических материалов.

Однако правильной, научно обоснованной теории электрохимической коррозии не было. Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 году швейцарским ученым Де ла Ривом, оказавшаяся неверной, согласно которой подвергаться коррозии может лишь такой материал, в котором есть инородные включения.

В начале тридцатых годов 20 века, советский ученый Александр Наумович Фрумкин, изучая амальгамы металлов, показал, что активный металл амальгамы растворяется в кислотах, хотя амальгама — это однородное вещество.

В 1935 году Алексей Иванович Шултин объяснил коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов.

Он рассмотрел механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость. В том же 1935 году Ярослав Васильевич Дурдин так же высказал обоснованную им мысль о растворении металлов в кислотах без наличия инородных включений в них. Таким образом, советские ученые, в первую очередь Шултин А.И. и Дурдин Я.В.

, сформулировали теорию электрохимической коррозии металлических материалов.

Причины и виды коррозии

По характеру взаимодействия металла и среды коррозию принято делить на химическую и электрохимическую. В обоих случаях протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металл окисляется, а присутствующий в агрессивной среде окислитель восстанавливается.

Но при химической коррозии электроны переходят от металла к окислителю непосредственно, при электрохимической коррозии окислительно-восстановительная реакция разбивается на полуреакции окисления и восстановления и электроны переходят по металлу от восстановителя к окислителю.

Химическая коррозия протекает в средах не проводящих электрический ток (в газах, нефти, бензине, керосине и т. д.) при высоких температурах. когда не возможна конденсация водяного пара. Ей подвергается арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин, аппаратура химической отрасли промышленности

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии влаги. Распространена она значительно шире, чем химическая. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере, проложенные в грунте трубопроводы, оболочки кабелей.

Рассмотрение механизмов действия химической и электрохимической коррозии показывает, что большого различия между ними не существует. Иногда возможен постепенный переход химической коррозии в электрохимическую и, наоборот.

Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

• Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.
• Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.
• Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

Основные виды коррозии металлов

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить  два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов  — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.

Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить  электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Виды химической коррозии

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла.

Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены.

Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Фактор Пиллинга-Бэдворса

1. Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла
2. α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок),
3. где Vок — объем образовавшегося оксида
4. VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида
5. Мок – молярная масса образовавшегося оксида
6. ρМе – плотность металла
7. n – число атомов металла
8. AMe — атомная масса металла
9. ρок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них  кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

• Оксидные пленки, у которых  1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.
• При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.
• Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс  разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки  результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

1. Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.
2. Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.
3. Водородная деполяризация
4. Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:
5. 2H++2e— = H2 разряд водородных ионов
6. 2H3O++2e— = H2 + 2H2O
7. Кислородная деполяризация
8. Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:
9. O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода
10. O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—
11. Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая  нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород  или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность)  – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая  стабильность) – находятся между водородом  и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород  или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

• Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:
• А: Fe – 2e— = Fe2+
• K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O
• Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным  потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия

1. В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:
2. оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al2O3, ZnO и др.

   );

3. фосфатирование – получение защитной пленки фосфатов (Fe3(PO4)2, Mn3(PO4)2);
4. азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;
5. воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;
6. цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов