Химическая стойкость металлических материалов

Применительно к металлическим материалам чаще используется термин не химическая стойкость, а стойкость к коррозии. Вообще, термин коррозия включает все возможные взаимодействия. Например, измельчающее действие волн на береговые валы, дамбы и обшивку судов (истирание за счёт трения и растворения в воде), действие воздуха и воды на сплавы железа (химическое окисление), растрескивание и осыпание краски (сочетание действия солнечного света, воздуха и воды), разъедание стекла (трение небольшими частицами наряду с растворяющим действием воды), разрушение ракетных сопел (высокая температура и очень активная среда).

Различают два основных вида коррозии – химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характеризуется разрушением металла непосредственно под действием компонентов окружающей среды. Примерами коррозии такого рода служат разрушение лопаток турбин, находящихся в контакте с горячими топливными газами, коррозия греющих элементов электрических печей, коррозия технологического оборудования под действием таких газов, как Н₂S, Н₂, СО, СО₂, Сl₂, NН₃, перегретого водяного пара, нефти и продуктов её переработки, расплавленной серы и т.п. Из всех видов химической коррозии наибольшее значение с точки зрения наносимого ущерба имеет газовая коррозия, т.е. окисление металлов в атмосфере сухих газов при высокой температуре.

Электрохимическая коррозия встречается значительно чаще, возникает в растворах электролитов и характеризуется разделением в пространстве окислительного и восстановительного процессов. Видами электрохимической коррозии являются атмосферная, подземная, морская, биологическая, коррозия под действием блуждающих токов и др.

Вода и кислород, если судить по причиняемому ими ущербу, - два наиболее коррозионно-активных вещества. Вслед за ними идут хлорид натрия NaCl и углекислый газ СО₂. Рассмотрим вначале один из наиболее распространённых типов коррозии – ржавление железа и его сплавов.

Железо – блестящий металл, сверкающий почти так же, как серебро. Но мы редко видим его таким, хотя железные предметы, если их тщательно отполировать и хранить в сухом месте, неограниченно долго остаются блестящими. И это несмотря на то, что знак энергии Гиббса реакции взаимодействия железа с кислородом отрицателен. Однако, если на этих предметах оставить следы пальцев или подвергнуть действию воздуха и воды, они в этих местах быстро покрываются ржавчиной. Не случайно нумизматы дотрагиваются до своих сокровищ исключительно пинцетом. Действительно, энергия Гиббса реакции 2Fe + 3H₂O = Fe₂O₃ + 3H₂ составляет –54,9 кДж. Эта и схожие с ней реакции протекают самопроизвольно и то, что DG^o этих реакций отрицательна, является причиной коррозии. Это относится не только к железу. И только в реакции золота с кислородом энергия Гиббса положительна (+44 кДж /моль). Золото, наряду с платиной, серебром и ртутью, встречается в природе в самородном состоянии, т.е. не в виде соединений. Эти вещества в нормальных условиях с кислородом не взаимодействуют.

Ржавчина не имеет определённой стехиометрической формулы, но её состав можно записать как Fe₂O₃ ^· n H₂O. В настоящее время природа ржавчины точно не известна, не известен точно и характер процесса ржавления. Однако экспериментально хорошо установлены следующие факты:

1. Реакция ускоряется, если в воде присутствуют индифферентные электролиты – индифферентные в том смысле, что они не входят в суммарное уравнение реакции;

2. Реакция ускоряется некоторыми анионами, например, Cl^-1;

3. Реакция замедляется в присутствии анионов РО₄^3-, CrO₂^-1 и др.;

4. Кислоты катализируют реакцию, основания замедляют её;

5. Напряжённое железо корродирует быстрее, чем монокристаллы;

6. Железо, закрытое от поверхностей раздела с воздухом и водой, например, под головками заклёпок, корродирует быстрее, чем железо на границе с воздухом и водой.