Классификация видов коррозии

Технически нецелесообразное разрушение металлов под воздействием внешней среды называется коррозией. Причиной коррозии металлов является их термодинамическая неустойчивость, т. е. возможность самопроизвольного перехода металла в более устойчивое окисленное состояние, в котором он встречается в природе. Химическая энергия реакции коррозионного разрушение металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в окружающем пространстве. Коррозионные процессы протекают необратимо в соответствии со вторым началом термодинамики и являются окислительно-восстановительными процессами.

Убытки от коррозии делятся на: а) прямые, т. е. стоимость металла, подвергшегося коррозионному разрушению; б) косвенные, которые значительно могут превышать прямые потери.

К убыткам от коррозии можно отнести стоимость потерянного продукта, например, газа, нефти, масла через прокоррозировавшие трубы, экологический урон и т. д. Ежегодные потери от коррозии исчисляются многими миллиардами рублей.

По условиям протекания различают следующие виды коррозии:

• 1) газовая (при высоких температурах);
• 2) коррозия в неэлектролитах (органических средах, не проводящих электрический ток);
• 3) атмосферная коррозия в естественной атмосфере воздуха;
• 4) коррозия в электролитах (кислотная, щелочная, солевая, морская, в расплавах);
• 5) почвенная коррозия (ржавление подземных трубопроводов);
• 6) структурная коррозия из-за структурной неоднородности металла;
• 7) биокоррозия при участии продуктов, выделяемых микроорганизмами;
• 8) радиационная коррозия;
• 9) контактная коррозия, вызванная контактом металлов, имеющих разные потенциалы в данном электролите;
• 10) коррозионная кавитация — разрушение металла при одновременном коррозионном и ударном воздействии внешней среды (разрушение лопаток гребных винтов морских судов).

По характеру коррозионного разрушения (по геометрии) различают:

• 1. Сплошная или общая коррозия, ее условно подразделяют на:
  • а) равномерная, она протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла;
  • б) неравномерная — протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла;
  • в) структурно-избирательная коррозия, при которой разрушается преимущественно одна структурная составляющая сплава (обесцинкование латуни).
• 2. Местная коррозия, охватывающая лишь некоторые участки поверхности металла:
  • а) пятнами (латунь в морской воде);
  • б) язвами (коррозия стали в грунте);
  • в) точечная (питтинг) точек 0,1−2 мм (нержавеющая сталь в морской воде);
  • г) сквозная (сквозное разрушение металла);
  • д) подповерхностная начинается с поверхности, но распространяется под поверхностью (луженое железо);
  • е) межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия распространяется оп границам кристаллов. Этот вид особенно опасен, т.к. ведет к быстрой потере прочности и пластичности.

По механизму протекания коррозионного процесса как окислительно-восстановительного, зависящему от характера внешней среды различают:

• а) химическую коррозию;
• б) электрохимическую коррозию.

Скорость коррозии зависит от: характера среды, состояния поверхности, температуры и других факторов.

Химическая коррозия. При химической коррозии металл разрушается за счет химической реакции в средах, не проводящих электрический ток. Это коррозия в газах и парах при высокой температуре в отсутствии влаги (газовая коррозия) или в жидкостях, не проводящих электрического тока (в неэлектролитах). Химическая коррозия возможна, если G<0.

Химическую коррозию в атмосфере кислорода в общем виде можно представить как:

nMe + O2 = MenOm.

Скорость окисления металла зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии окислителя через окисную пленку. Защитное действие пленки тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность.

Сплошность пленки на поверхности металла оценивается фактором Пиллинга-Бедвордса — VOX/VМе, где VOX — объем образовавшегося оксида; VМе — объем металла, израсходованного на образование этого оксида.

Если VOX/VМе<1, пленка не может быть сплошной и защищать металл от коррозии. Такая закономерность наблюдается для щелочных и щелочноземельных металлов. Отмечается линейный закон роста пленки:

где — толщина пленки; k — константа; - время образования окисной пленки.

Если VOX/VМе>1, то пленка сплошная, коррозия будет тормозиться диффузией реагентов через пленку и по мере утолщения оксида рост ее будет замедляться. В этом случае рост пленки соответствует параболическому закону где D — коэффициент диффузии; С[О2] - концентрация кислорода. Характерно для таких металлов как Fe, Co, Ni, Mn, Ti.

Для таких металлов как Al, Zn, Cr установлена логарифмическая зависимость роста пленки во времени (12.5) и VOX/VМе>1 пленки тонкие, сплошные.

В зависимости от температуры для одного и того же окисляющегося металла могут проявляться различные законы роста оксидной пленки. При химической коррозии окисление и восстановление происходят одновременно, в одну стадию без «территориального» разделения.

Электрохимическая коррозия подчиняется законам электрохимической кинетики гетерогенных реакций. Она протекает в средах, проводящих электрический ток: во влажной атмосфере с растворенными в ней газами, в растворах электролитов; в почве и расплавах солей. Термодинамическая возможность электрохимической коррозии с кислородной и водородной деполяризацией определяется прежде всего электрохимической диаграммой воды и наличием гальванической пары элементов.

Согласно теории микрогальванопар, причиной электрохимической коррозии металлов является наличие на их поверхности микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих вследствие неоднородности металла и его контакта с окружающей средой. В отличие от специально изготовляемых в технике гальванических элементов они возникают на поверхности металла самопроизвольно.

Электрохимическое растворение металла состоит из трех основных стадий:

1) анодного процесса Ме — nе- = Меn.

перехода ионов коррозирующего металла в раствор под влиянием гидратации (сольватации) с освобождением электронов;

• 2) омического процесса — перетекания освободившихся электронов от анодных участков к катодным (поляризация);
• 3) катодного процесса — ассимиляции освободившихся электронов каким-либо деполяризатором, находящимся в растворе.

На анодном участке, потенциал которого электроотрицательнее, происходит растворение металла:

Меn+ + n +mH2O = Men+· mH2O + n.

Часть освободившихся электронов перейдет с анода на катод. Происходит поляризация электродов в результате чего К и, А сближаются, что препятствует протеканию коррозионного процесса. Однако в растворе всегда имеются ионы или вещества (деполяризаторы), которые способны отводить электроны с катодных участков. Процесс отвода электронов, с катодных участков называется деполяризацией. Следовательно, электрохимическая коррозия может протекать, если электроны с анодных участков постоянно перетекают на катодный, а с катодного удаляются деполяризаторами.

Очень часто электрохимическая коррозия возникает в результате различной аэрации, т. е. неодинакового доступа кислорода воздуха к отдельным участкам поверхности металла. При коррозии железа под каплей электролита около ее краев, куда кислороду легче проникнуть будет катодный участок, а в центре капли, где толщина капли больше и О2 проникнуть труднее — анодный участок — происходит разрушение металла.

Электрохимическая коррозия особенно опасна при контакте металлов с резко отличающимися значениями электродных потенциалов. Скорость коррозии пропорциональна разности потенциалов окислителя и металла (ЭДС). Чем больше ЭДС, тем больше напряжение и ток, тем больше масса металла будет корродировать согласно закону Фарадея.

Процесс отвода электронов с катодных участков называетсядеполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водороднойикислородной. Тип деполяризации (катодный процесс) зависит отреакции средыраствораэлектролита.

Схема электрохимической коррозии. (Д — деполяризатор) коррозия защит металл Процесс отвода электронов с катодных участков называетсядеполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водороднойикислородной. Тип деполяризации (катодный процесс) зависит отреакции средыраствораэлектролита.

Вкислой средеэлектрохимическая коррозия протекает сводородной деполяризацией. Рассмотрим коррозию железной пластинки с примесями меди во влажнойхлористоводородной атмосфере. В этом случае железо будет анодом (E= -0,44В), а медь — катодом (E°= +0,34В). На анодном участке будет происходить процесс окисления железа, а на катодном — процесс деполяризации ионами водорода, которые присутствуют в электролите:

А:Fe- 2>Fe2± окисление К:2H++ 2>H2- восстановление Схема возникающего короткозамкнутогогальванического элементавыглядит следующим образом:

Fe|HCl|Cu.

Внейтральной и щелочной средахкоррозия протекает скислородной деполяризацией, т. е. роль деполяризатора выполняет кислород, растворенный в воде. Этот вид коррозии наиболее широко распространен в природе: он наблюдается при коррозии металлов в воде, почвеи в незагрязненной промышленными газами атмосфере. Если коррозии во влажном воздухе подвергается железо с примесями меди, то электродные процессы можно записать в виде:

АFe- 2>Fe2± окисление К2H2O + O2+4>4OH— восстановление Схема короткозамкнутого гальванического элемента:

Fe|H2O, O2|Cu.

У поверхности металла в электролите протекают следующие реакции:

Fe2++ 2OH->Fe (OH)2.

4Fe (OH)2+ O2+ 2H2O>4Fe (OH)3.

Основная массачерных металловразрушается вследствие процесса ржавления, в основе которого лежат вышеуказанные реакции.

Коррозия металла в результате неравномерного доступа кислорода. Случаиэлектрохимической коррозии, возникающей вследствие неравномернойаэрациикислородом различных участков металла, очень часто встречаются в промышленности и в подземных сооружениях. Примером может служить коррозия стальной сваи, закопанной в речное дно (рис 8.2).

Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода. Б — техническое сооружение;А — анодный участок;Ккатодный участок.

Часть конструкции, находящаяся в воде, омывается растворенным в ней кислородом и, в случае возникновения условий дляэлектрохимической коррозии, будетвыполнять ролькатода. Другая же часть конструкции, находящаяся в почве, будетанодоми подвергнется разрушению.