Учебный процесс
 | Студенты-электрохимики |
| Студенты-экономисты |
| Магистры |
| Аспиранты |
Общественная работа
| Казанский Общественный Фонд "Выбор" |
| Коалиция "За свободный от табачного дыма Татарстан" |
| ИДПО |
Воспоминания об Илье Николаевиче Андрееве
ВИДЫ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Коррозионные процессы протекают на границе металл–внешняя среда[1]. При этом внешняя среда называется коррозионной. Обычно при рассмотрении любого процесса коррозии возникают два вопроса, почему происходит коррозионный процесс и как он протекает. Иными словами это означает, что должны быть получены термодинамическая и кинетическая характеристики рассматриваемой системы. Установлено, что возможность коррозии и изменения ее скорости определяются совокупностью внутренних и внешних факторов. Внутренние факторы связаны с природой (составом) и состоянием металла, в частности, с его термической и механической обработкой. В зависимости от термообработки металлический сплав может приобретать ту или иную структуру, иметь тот или иной фазовый состав, различную концентрацию компонентов сплава в разных точках зерен – кристаллитов. В результате термических воздействий на поверхности металла могут формироваться слои, находящиеся под действием внутренних напряжений (сжатие, растяжение). Поверхность металла может быть обработана разными способами: резцом, фрезой, шлифовальными кругами и т.д. Способ обработки поверхности металла формирует его шероховатость, влияющую на удержание влаги на поверхности металла, то есть и на условия его коррозии.
Внешние факторы коррозии определяют состав и состояние коррозионной среды, ее температуру, скорость перемещения относительно поверхности металла и другие факторы, могущие значительно изменить скорость процесса, его характер, локализацию и даже механизм.
Определенные сочетания внешних и внутренних факторов приводят к возникновению характерных признаков коррозионных процессов, на основании которых классифицируют все многообразие коррозионных разрушений. Такое деление облегчает разработку средств борьбы с коррозией.
В качестве классификационных признаков коррозии используют механизм коррозионного процесса, геометрические характеристики коррозионных разрушений, условия взаимодействия металла с коррозионной средой, характер дополнительных воздействий на корродирующий металл в процессе его взаимодействия с внешней средой и другие.
 |
|
Рис.1. Схема[2]
некоторых типов гетерогенности поверхности корродирующего металла: а-контакт разнородных металлов, б-дифференциальная аэрация, в-образование щелей и питтингов, г-межкристаллитная коррозия, д-структурно-избирательное разрушение, е-коррозионное растрескивание или коррозионная усталость при приложении нагрузки. |
В зависимости от механизма процесса различают химическую, электрохимическую, биохимическую и некоторые другие виды коррозии[3]. В процессе химической и электрохимической коррозии принимают участие электроны. В обоих этих процессах происходит окисление металлов.
Биохимическая коррозия называется так потому, что в коррозионном процессе непосредственное участие принимают живые организмы, например бактерии, обитающие в почве, морской воде и т.д., или продукты их жизнедеятельности[4].
Различают коррозию[5] общую и местную (локальную); поверхностную и подповерхностную. Общей называется коррозия, проникающая приблизительно на одинаковую глубину по всей поверхности. Сюда относят компонентно- и структурно-избирательные виды коррозии. Если из сплава в процессе коррозионного взаимодействия избирательно удаляется один компонент, – такой вид коррозии называют компонентно-избирательным[6]. Широко известным примером является обесцинкивание латуни (сплав меди с цинком), когда в процессе коррозии из сплава избирательно вытравливается цинк и поверхностный слой сплава «обогащается» медью. Структурно-избирательная коррозия – вид коррозионного взаимодействия сплава с внешней средой, в результате которого в поверхностных слоях металла происходит более интенсивное разрушение одной из структурных составляющих сплава[7]. На рис.1 приведены примеры некоторых случаев локализации коррозионных процессов на поверхности металла.
Локальные виды коррозии могут иметь следующие разновидности: коррозия пятнами – когда глубина коррозионных разрушений меньше, чем размер разрушения вдоль поверхности металлического предмета; коррозия язвами – размеры коррозионных разрушений, направленные вглубь металла, больше, чем размеры разрушений вдоль поверхности; коррозия точечная[8] (питтинговая) близка к коррозии язвами, но глубина разрушений значительно превышает размеры разрушений вдоль поверхности (рис.2); коррозия межкристаллитная – разрушение распространяется вдоль границ зерен сплава (рис.3); коррозия транскристаллитная[9] – разрушение распространяется через тело зерна сплава (рис. 4-6). У некоторых металлов и сплавов при коррозии в специфических условиях проявились только присущие им виды коррозии. Например, алюминиевые сплавы в средах, содержащих галоидные ионы, и особенно в морской атмосфере, оказались подвержены расслаивающей коррозии, которая опасна тем, что развивается без заметного торможения и за относительно короткое время приводит к полному разрушению металла[10].
Классифицируя коррозионные процессы на основе сопоставления условий их протекания, обычно выделяют:
– газовую коррозию – самопроизвольное разрушение металла, находящегося в соприкосновении с газами при такой температуре, когда конденсация влаги на поверхности металла исключается;
– коррозию в жидкостях электропроводящих (морской, речной воде, в кислотах, щелочах, нейтральных растворах солей и рассолах) и неэлектропроводящих (органические жидкости);
– атмосферную коррозию, которая является промежуточным видом двух предыдущих коррозионных процессов. В этом случае непосредственно на поверхности металла находится пленка адсорбированной или конденсированной жидкости, которая соприкасается с внешней стороны с влажным газом, содержащим кислород или другие коррозионные агенты;
– коррозию металла при неполном погружении в жидкость; при этом выделяют несколько зон на поверхности металла, отличающихся характером взаимодействия металла с внешней средой. Первая зона соответствует коррозии в жидкости, вторая – атмосферной коррозии, а третья, особая зона обычно усиленной коррозии, называется коррозией по ватерлинии;
 |
| Рис.2. Питтинг у неметаллического включения на поверхности нержавеющей стали Х17Н14С2 в 2 н. H2SO4 при потенциале –0,15 В в течение 30 мин[11] |
– почвенную коррозию со своим характерным механизмом электрохимической коррозии металла при контакте его с влажной почвой.
 |
| Рис. 3. Состояние поверхности стали Х20Н20 после потенциостатического травления в 1 н. H2SO4 при 40 оС [12] |
Множество своеобразных коррозионных процессов возникает при сочетании физико-химического воздействия на металл коррозионной среды и различных дополнительных воздействий – механических, электрических, радиационных и других. Так, совместное действие на металл коррозионной среды и механических нагрузок вызывает коррозию под напряжением[13]. В этом случае разрушение металла происходит в виде трещин. Такой коррозионный процесс называют еще и коррозионным растрескиванием под напряжением[14]. Примеры такого разрушения сталей приведены на рис. 4 и рис. 5.
 |
| Рис. 4. Коррозионное растрескивание стали 12Х18Н10Т в среде C3Cl6 c фазовой влагой (х120) [15] |
 |
| Рис. 5. Разрушение вследствие коррозионного растрескивания образца холоднотянутой высокопрочной стали С60 в среде инсектицида. Диаметр проволочного образца 5 мм.[16] |
Механические напряжения, способствующие образованию коррозионных трещин, могут возникать по разным причинам: при растяжении или сжатии деталей внешними (приложенными извне) нагрузками, вследствие проявления их внутренних напряжений, возникающих под действием термической обработки металла или в процессе электроосаждения в гальванических покрытиях как следствие процесса электрокристаллизации металла.
Важно отметить, что коррозионное растрескивание может иметь межкристаллитный или транскристаллитный характер, что можно обнаружить при травлении металлографического шлифа (см. рис. 6).
 |
| Рис. 6. Межкристаллитные трещины на образце хромо-марганцевой нержавеющей стали при коррозионных испытаниях в течение 200 ч при постоянной нагрузке (х200) [17] |
При приложении внешних знакопеременных нагрузок возникает своеобразный вид коррозионного процесса, вызывающий растрескивание металла; он именуется коррозионной усталостью.
Внешний ток также может воздействовать на корродирующий металл. Для многих металлов коррозионный процесс усиливается при протекании тока анодного направления через границу соприкосновения металла с коррозионной средой. Протекание катодного тока в некоторых случаях приводит к уменьшению скорости разрушения этих металлов. Однако есть металлы, для которых протекание и катодного тока сопровождается увеличением скорости разрушения. Эти металлы подвержены «катодной коррозии».
Существует группа металлов и условий, при которых протекание через границу анодного тока приводит к уменьшению скорости растворения металла. Это уменьшение происходит при превышении некоторого критического значения плотности тока, вследствие чего металл переходит в пассивное состояние. С этим замечательным свойством металлов связаны многие методы защиты от коррозии. Это явление используют и при создании коррозионно-стойких сплавов.
Внешние токи могут возникнуть по разным причинам. Чаще всего через границу соприкосновения металла с коррозионной средой протекают «блуждающие токи» и тогда такой вид коррозии называют коррозией под действием блуждающих токов. Источниками их являются электрифицированные дороги (трамвайные линии), различные электрические установки, линии электропередач.
Разновидностью электрокоррозии является контактная коррозия, когда коррозионный ток генерируется вследствие контакта двух разнородных металлов, находящихся одновременно в соприкосновении с коррозионной средой.
Коррозионный процесс, осложненный трением поверхностей корродирующих металлов, обычно усиливается. Этот вид коррозии носит название «фретинг-коррозия». Одной из причин усиления коррозионного процесса при трении является удаление с поверхности металла продуктов взаимодействия его с коррозионной средой, которые могут проявлять в стационарных условиях защитное действие.
Кавитация (процесс образования и исчезновения пузырьков, происходящий в результате быстрого движения жидкости у поверхности) тоже ускоряет коррозионные процессы, которые при этом называются кавитационной коррозией. Она возникает вследствие воздействия ультразвука или в результате быстрого движения жидкости у поверхности металла, например, у поверхности гребных винтов, лопастей мешалок, насосов и др. При перераспределении скоростей электрохимических реакций по поверхности возникает щелевая коррозия. Щели образуются в результате механической обработки поверхности, неплотного соединения металлических деталей (неполная проварка сварочного шва) или возникают под прокладочными материалами в уплотнениях узлов (болтовые соединения).
Среди перечисленных видов коррозии иногда выделяют так называемые «старые» и «новые». Такое деление связано с тем, что по мере развития техники изменялись не только масштабы коррозионных разрушений, зависящие от количества металла, находящегося в эксплуатации, но вместе с изменением условий его службы происходило «перераспределение ролей» между разнообразными видами коррозии.
К наиболее «старым» видам коррозии относится общая коррозия, характеризующаяся относительно равномерным проникновением коррозионного разрушения вглубь металла. Для этого вида коррозии характерно относительно небольшое изменение прочности конструкции при довольно больших коррозионных потерях металла. По мере развития техники изделия из металлов стали подвергаться все большим механическим, тепловым и другим нагрузкам, усиливающим коррозионные процессы. Для таких условий разрабатывались все более стойкие материалы. Однако сочетание новых внутренних и внешних факторов коррозии породило и новые разновидности коррозионных процессов, новые виды «болезней» металлов. Обычная ржавчина («старая болезнь») перестает быть основной опасностью. На самом деле в последние десятилетия вследствие расширения ассортимента конструкционных сплавов и изменения условий эксплуатации металлических материалов у них появилось много новых «болезней», значительно более коварных. К ним относятся коррозионное растрескивание, питтинговая, щелевая, межкристаллитная[18], ножевая коррозия и некоторые другие виды. Эти новые «болезни» металлов проявляются во многих условиях, но особенно ярко они дают о себе знать при эксплуатации химического оборудования. Нержавеющие и высокопрочные стали и сплавы, широко применяемые в тепловой и атомной энергетике, химической и других отраслях промышленности, оказались подверженными коррозионному растрескиванию. При этом коррозионные потери металла ничтожно малы, а детали машин, иногда целые конструкции, выходят из строя полностью. Вместе с тем трудно не согласиться с автором следующего высказывания. «Все чаще мы говорим или слышим, что в ходе научно-технической революции «обычное» ржавление отступило на задний план перед «новыми» видами коррозии. Объективно («обычное») ржавление – едва ли не самый сложный, многовариантный и многоступенчатый из коррозионных процессов, и в деталях мы представляем его себе не лучше, чем «новейшее» коррозионное растрескивание»[19].
После краткого обзора видов коррозионных поражений металлов полезно познакомиться с некоторыми понятиями о механизме взаимодействия металла со средой в разных ситуациях, обратив внимание на различия при протекании химических и электрохимических коррозионных процессов.
Примечания
[1] Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. М.: Металлургиздат, 1946, 463 с.; Балезин С. А. Отчего и как разрушаются металлы. М., 1971; Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М:. «Металлургия», 1985; Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. Л:. «Химия», 1973; Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., «Металлургия», 1976; Томашов Н. Д., Чернова Г. П. Коррозия и коррозионно-стойкие сплавы. М., «Металлургия», 1973. В этих изданиях можно найти и подробные списки литературы по специальным вопросам коррозии и защиты металлов, которые могут заинтересовать читателя.
[2] По Томашову Н.Д. (Защита металлов,1986, №6, с.865).
[3] Среди многих, не охваченных этими тремя видами коррозии, есть и разрушения металла, происходящие в результате взаимодействия твердых металлов с жидкими (см. Никитин В.И. Физико-химические явления при воздействии жидких металлов на твердые. М.: Атомиздат,1967, 442 с.; Защита металлов, 1984, №4, с.634).
[4] Защита металлов, 1985, №6, с.962.
[5] Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас. Справ. Изд. / Сокол И.Я. и др. М.: Металлургия. 1989. 400 с.
[6] Соросовский образовательный журнал, 2000, №4, с.57.
[7] Металографическое исследование шлифа выявляет структуру именно благодаря неодинаковости поведения кристаллитов различного состава или ориентации при взаимодействии с одним и тем же травителем.
[8] Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозионно-стойкие сплавы. М.: Металлургия, 1973.
[9] Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974; Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей, М.: Металлургия, 1976, 173с.; Погодин В.П. и др. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание нержавеющих сталей в водных средах. М.: Атомиздат, 1970, 422 с.; Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М: Машиностроение. 1976. 200с.; Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. М.: Машиностроение. 1990. 384с.
[10] Защита металлов,1980, № 4, с.422; 2000, № 2, с.195; 2000, № 4, с.438.
[11] Защита металлов,1980, № 6, с.660.
[12] Защита металлов,1979, № 2, с.147.
[13] Романив О.Н. и др. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М.: Металлургия. 1986.
[14] Часто используется аббревиатура КРН (см. например, Газовая промышленность, 2003, № 11, с.67; 2003, № 11, с.73) или СК- стресс-коррозия (см. например, Газовая промышленность, 2003, № 9, с.52)
[15] Защита металлов,1978, №3, с.296.
[16] Защита металлов,1975, №5, с.650.
[17] Защита металлов,1976, №5, с.499.
[18] Чигал В. Межкристаллитная коррозия сталей и сплавов. Л.: Химия, 1969.
[19] Новаковский В.М. Защита металлов,1981, №2, с.242.