Коррозия и её виды. Коррозионно-стойкие стали и сплавы

Материаловедение. Занятие №19.

Разрушение металлов и сплавов в результате хими­ческого или электрохимического воздействия на их по­верхность внешней агрессивной среды называется кор­розией.

Коррозия, как правило, сопровождается образова­нием на поверхности металла продуктов коррозионного разрушения. Так, например, на поверхности сплавов железа в результате коррозии образуется ржав­чина, имеющая бурый цвет. В некоторых же от­дельных случаях коррозия металлов не сопровож­дается образованием таких заметных продуктов раз­рушения и тогда ее появление обнаружить довольно сложно.

Коррозионное разрушение является результатом взаимодействия металла с внешней средой и интенсив­ность его развития зависит от свойств самого металла, а также от природы окружающей среды. Большинство металлов, будучи стойкими в одних средах, довольно легко разрушается при взаимодействии с другими сре­дами. Например, медные сплавы устойчивы во влаж­ной атмосфере, но сильно подвергаются коррозии, если в атмосфере присутствует даже незначительное коли­чество аммиака; тантал и титан при комнатных темпе­ратурах весьма стойки во многих агрессивных средах, но приобретают высокую химическую активность при нагреве их выше 600° С.

Различают несколько видов коррозии: сплошную или равномерную, когда коррозии подвергается вся по­верхность изделия; точечную или местную, если корро­зия развивается на отдельных небольших участках; межкристаллитную коррозию (МКК), когда коррозия распространяется в глубь изделия по границам зерен; коррозия под напряжением — возникновение коррози­онных трещин вследствие одновременного воздействия на металл растягивающих напряжений и агрессивной среды.

Коррозия может протекать вследствие чисто хими­ческих реакций с окружающей средой, а также вслед­ствие электрохимических процессов, происходящих на границе раздела металла с внешней средой. Наиболь­шее количество металла разрушается в результате электрохимической коррозии.

Электрохимической коррозией называют разрушение металлов и сплавов при воздействии на них электролитов. Этот тип коррозии характеризуется протеканием электрического тока, переходом атомов в ионизированное состояние и другими электрохимическими процессами.

Наиболее часто встречающимися на практике элек­тролитами являются водные растворы солей, кислот и щелочей. Таким образом, к электрохимической корро­зии относится корродирование металлических емкостей, трубопроводов, деталей машин и частей стационарных сооружений под действием кислот, морской, речной, грунтовой и других вод. Наиболее распространенной является атмосферная коррозия. Если в электролите находятся два металла с раз­личными электродными потенциалами, то металл с бо­лее отрицательным электродным потенциалом (анод) непрерывно отдает ионы в раствор (растворяется), а образующиеся избыточные электроны непрерывно пере­текают в металл с менее отрицательным электродным потенциалом (катод). Катод в контактной паре не раз­рушается, электроны из него непрерывно удаляются во внешнюю среду.

Все металлы могут быть расположены в ряд в по­рядке убывания их электрохимического потенциала:

Металл ……………….... Au Ag Сu Η NiFe Ζn Αl

Электродный потенциал,В +1,42 +0,80 +0,34 0 -0,23 -0,44 -0,76 -1,66

В технических металлах и сплавах, являющихся те­лами поликристаллическими, микроструктура состоит из зерен одной или нескольких фаз, неметаллических включений и т. п. Эти различные структурные составля­ющие, имеющие разные физико-химические свойства, при контакте с электролитом приобретают неодинако­вые по величине и знаку электродные потенциалы и одни из них станут анодами, а другие — катодами. Та­ким образом, технические металлы и сплавы при воз­действии на них электролитов можно рассматривать как многоэлектродные элементы, состоящие из огромного числа микроскопически малых коррозионных гальвани­ческих пар — микрогальванопар. Чем сильнее отлича­ются электродные потенциалы фаз, находящихся в спла­ве, тем быстрее происходит его коррозионное разруше­ние (в частности, дендритная ликвация именно поэтому снижает стойкость против электрохимической коррозии). Отсюда следует, что высокую коррозионную устойчивость могут иметь либо очень чистые металлы, либо сплавы, имеющие однородную (гомогенную) струк­туру твердого раствора.

Пассивным состоянием называется такое состояние металла (сплава), когда он обнаруживает повышенную коррозионную стойкость (даже практически перестает корродировать) в агрессивной среде. Противоположное состояние, когда этот же металл корродирует, называ­ется активным состоянием. Экспериментальные данные показывают, что переход металла из активного состояния в пассивное связан с повышением его потенциала. Например, железо в обыч­ном состоянии имеет электродный потенциал —0,4 В, в пассивном состоянии его потенциал может повышаться до +1,0 В.

Влияние легирования. Различают две группы коррозионностойких металлов. Одни металлы хорошо сопро­тивляются коррозии вследствие их малой химической активности. Другие же, являясь по своей природе актив­ными элементами, приобретают высокую химическую устойчивость, благодаря явлению пассивности. К пер­вой группе относятся платина, палладий, золото, ко вто­рой — хром, титан, алюминий и др. Для увеличения коррозионной стойкости химически активного металла в него вводят легирующие элементы.

При легировании какого-либо металла другим, более благородным металлом вначале потенциал сплава прак­тически не изменяется. Но при достижении определен­ной концентрации происходит скачок потенциала и кор­розионная стойкость сплава в данной среде также уве­личивается скачком, появляются границы (пороги) устойчивости. Экспериментально было установлено, что такие рез­кие изменения устойчивости наступают при кратном 8 соотношении атомов легирующего элемента к легиру­емому, т. е. n/8, где n — целое число 1, 2, 3... Это соот­ветствует 12, 5; 25; 37,5...% (ат.) легирующего элемента.

Появление границ устойчивости объясняется тем, что при взаимодействии сплава с агрессивной средой часть атомов основного металла переходит в раствор, а остав­шиеся атомы более благородного или легко пассиви­рующего металла образуют на поверхности металла как бы барьер. Этот барьер состоит или из самих ато­мов благородного металла, или из защитных экраниру­ющих пленок. В более активных средах требуется более высокая концентрация устойчивого элемента, т. е. в этом случае границы устойчивости возникают при более высоком значении числа п. Граница устойчивости наблюдается также в сплавах, у которых один из компонентов обладает способностью к самопассивированию. Эта граница наблюдается и в системах, когда один из компонентов в данной агрессивной среде образует защитные экранирующие пленки из нерастворимых соединений. Коррозионная стойкость стали может быть повыше­на, если во-первых, содержание углерода снизить до минимально возможного количества и, во-вторых, ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые растворы, в таком количестве, при котором скачкообраз­но повысится электродный потенциал сплава.

Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, назы­вают нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессивных сред, называют кислото­стойкими.