Введение
Коррозия стали и цветных металлов принципиально отличается от
коррозионных процессов в неметаллических строительных материалах.
Большинство так называемых драгоценных металлов, особенно сталь, в большей степени подвержены коррозии, чем неметаллические материалы.
Средняя скорость коррозии основных металлов в условиях средне
европейского климата представлена в табл. 2.1 Из таблицы видно, что наибольшие потери наблюдаются для обычных сталей.
Приведённые данные являются усредненными. Загрязнение, воздуха, особенно вблизи химических заводов, приводит к значительному ускорению
процессов коррозии. В результате коррозии происходят необратимые
изменения - уменьшение площади сечения и снижение прочности, а
также часто изменение внешнего вида поверхности металла.
Химическая коррозия
Химическую коррозию стали вызывают сухие газы и жидкости, не
имеющие характера электролитов, например органические соединения или
растворы неорганических веществ в органических растворителях, Химическая
коррозия не сопровождается возникновением электрического тока. Она основана
на реакции между металлом и агрессивным реагентом. Этот вид коррозии
протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи с этим
химическая коррозия менее опасна, чем электрохимическая.
Продукты коррозии могут образовывать на поверхности металла
плотный защитный слой, затормаживающий её дальнейшее развитие, или
же пористый слой, не защищающий поверхность от разрушающего
воздействия среды. В этом случае процесс коррозии продолжается до
полного разрушения материала или период времени пока будет действовать
агрессивная среда. Наиболее часто на практике встречается газовая
коррозия стали, вызванная воздействием О2 , SO2 , H2S, CI, НС1, NO3 ,CO2 ,CO и H2 .
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия происходит при взаимодействии
металлов с жидкими электролитами, в основном растворами кислот,
оснований и солей. Механизм процесса коррозии зависит от структуры
металла, а так же от типа электролита. Сталь, как всякий металл, имеет
кристаллическое строение, при котором атомы располагаются в
соответствующем порядке, образуя характерную пространственную решетку.
Кристаллы железа имеют строение, значительно отличающиеся от
идеальной схемы, так как имеются пустоты, не занятые атомами металла,
трещины, включения примесей к газов .
Металлы обладают хорошей электропроводностью, что
обусловлено наличием свободных электронов, движение которых создает
электрический ток. Числу свободных электронов соответствует
эквивалентное число ион-атомов, т.е. атомов, утративших один или
более электрон. В случае возникновения на концах металлического
стержня разности потенциалов электроны движутся от полюса с высшим
потенциалом к противоположному полюсу. Металлы, обладающие
электронной проводимостью, являются проводниками первого рода, а
электролиты которые имеют ионную проводимость проводниками второго
рода.
Каждый металл имеет так называемую термодинамическую
устойчивость, т е. способность ион-атомов переходить в раствор
электролита. При погружении какого-либо металла в чистую воду определенное
число положительных ионов отрывается от металла и переходит в раствор,
оставляя на поверхности металла соответствующее число электронов. В
результате этого металл, погруженный в воду, имея избыток свободных
электронов, получает отрицательный электрический заряд, а на границе
раздела фаз образуется двойной электрический слой.
Положительные ионы (благодаря притяжению зарядов с
противоположным знаком) удерживаются вблизи поверхности металла.
Возникает поле электрических сил, которое притягивает к металлу ионы,
находящиеся в растворе. Однако накопление ионов металла приводит к
затормаживанию его дальнейшего растворения. Через некоторое время при
определенном потенциале наступает подвижное равновесие.
Если металл погружается не в чистую волу, а в раствор, могут быть
следующие случаи:
1. Энергия гидратации раствора недостаточна для нарушения связи
между ион-атомами и электронами, При этом на поверхности металла
будут накапливаться катионы из раствора, а поверхность приобретает
положительный заряд. На границе металл - раствор устанавливается
равновесие, а процесс коррозии прекращается.
2. Возможен переход ион-атомов в раствор, так как энергия гидратации
больше чем энергия связи в металла. При этом коррозионный процесс
протекает беспрепятственно.
Металл, погруженный в электролит, является единичным электродом.
Однако абсолютная величина разности потенциалов поверхности металла и
соприкасающегося с ним слоя раствора (а следовательно, и склонность
металла, из которого выполнен электрод, к коррозии) не поддается
измерению. Поэтому за электрод с условным нулевым потенциалом
принимается водородный электрод, относительно которого определяются
потенциалы всех металлов. Это так называемые нормальные
потенциалы. Водородный электрод состоит из пластины, покрытой
платиновой чернью, погруженной в раствор НС1 и омываемой водородом.
Нормальный потенциал может быть положительным или отрицательным. Он
определяется при составлении элемента, одним электродом которого является
водородный электрод, а другим - металл, погруженный в раствор соли этого
металла при температуре 25' С и нормальном давлении. Величина
потенциала зависит не только от типа металла, но и от концентрации
раствора, температуры и давления. Все металлы в соответствии с их
нормальными потенциалами, определенными по отношению к водородному
электроду, образуют определенный ряд. Этот ряд позволяет определить
разность потенциалов, которая возникает между двумя металлами,
погруженными н абсолютно чистую, дистиллированную воду.
По положению металла в ряду потенциалов можно сделать вывод о том,
что, например, железо при Контакте с медью будет подвергаться
ускоренной коррозии. В присутствии же цинка коррозии будет
подвергаться не железо, а цинк. Электролитом в этих случаях служить даже
следы влаги.
Величина потенциалов, возникающих на электроде зависит не только
от металла, из которого выполнен электрод, по в еще большей степени от
процессов, имеющих место на электроде.
Как можно видеть, в зависимости от типа и содержания растворённых в
воде солей изменению подвергаются не только нормальные потенциалы, но
даже положение металла в ряду потенциалов.
Коррозия при действии вод, не содержащих кислород.
Коррозия стали в воде зависит от количества кислорода, имеющего доступ
к поверхности металла.
[pic]
В воде, не содержащей кислорода, коррозия протекает следующим
образом : ион-атомы железа переходят в раствор, в результате чего на аноде
происходит потеря металла, а его поверхность приобретает отрицательный
заряд: Fе, Fе2++2е. Электроды от анода движутся к катоду, В воде
носителями тока являются водородные ионы Н+ и гидроокисные ионы ОН- ,
появляющиеся в результате диссоциации воды. Ионы железа, которые
перешли в раствор, соединяются с гидроокисными анионами, образуя плохо
растворимый гидрат закиси железа:
Водородные катионы соединяются с электронами, и на катоде
выделяется атомарный водород Н++е=Н. 0н образует на поверхности
металла защитный слой, уменьшающий скорость коррозии стали (так
называемая водородная деполяризация).
В некоторых случаях атомарный водород соединяется в молекулы газа
Н+Н — Н2. Пузырьки водорода растут и отрываются от электрода, как только
достигнут такой величины, чтобы преодолеть поверхностное натяжение. В
этом случае эффект защитного слоя исчезает.
Если сталь соприкасается с раствором с рН>7, водород выделяется в
атомарном виде, а следовательно, создаются условия, способствующие
образованию защитного слоя. Из растворов же с рН