Методи визначення швидкостi корозiйного руйнування металiв

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся  Гончара

Хімічний  факультет

Кафедра фізичної та неорганічної хімії 
 
 

КУРСОВА РОБОТА 

МЕТОДИ  ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ КОРОЗІЙНОГО  РУЙНУВАННЯ МЕТАЛІВ 
 
 

Виконала:

студентка ІІІ курсу

група ХФ-08-2

Тріленко  Оксана Сергіївна 

Науковий  керівник:

старший викладач

Медведєва Ірина Анатоліївна 

Робота  здана:______________ 

Робота  перевірена:__________ 
 

Дніпропетровськ

2011

РЕФЕРАТ 

Курсова робота: 38 сторінок;  11 рисунків; 1 таблиць;   12 джерел.

Об'єктом  дослідження є корозійне руйнування металів

Мета  роботи ознайомитись з можливими методами визначення швидкості корозійного руйнування металів.

Перелік ключових слів: КОРОЗІЯ, ВИДИ КОРОЗІЙНОГО РУЙНУВАННЯ, МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ КОРОЗІЙНОГО РУЙНУВАННЯ МЕТАЛІВ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

RESUME

     The graduation research of the 3^th year student Trilenko O (Dnepropetrovsk national university named after Oles Gonchar, Faculty of chemistry, department of Physical chemistry).

     Term paper: page 39,   bibliography 12, fig. 11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗМІСТ 

Вступ

1. Корозія металів…………………………………………………………………6

2. Класифікація корозійних процесів……………………………………………7

3. Види  корозійного руйнування………………………………………………..10

4. Кількісна  оцінка корозії………………………………………………………11

5. Вибір показника корозії та методи визначення швидкості корозійного руйнування металів……………………………………………………………...12

      5.1. Об’ємний метод………………………………………………………13

      5.2. Ваговий (масовий) метод…………………………………………....17

     5.3. Визначення глибини проникнення корозії ………………………..18

     5.4. Визначення корозії по зміні механічних властивостей…………..21

     5.5. Визначення корозії по зміні відбивній здатності поверхні металу..

     ……………………………………………………………………………..22

     5.6. Визначення корозії по зміні електричного опору……………......24

5.7. Оцінка швидкості в залежності від часу до появи першого корозійного вогнища або певної площі корозії ……………………...26

5.8. Потенціостатичний метод…………………………………………..28

5.9. Оцінка достовірності розрахункових значень струму корозії констант Тафеля по кривизні поляризаційних кривих поблизу потенціалу корозії………………………………………………………..29

 5.10. Розрахунок по даним поляризаційних вимірів………………....33

5.11. Комп’ютерна обробка поляризаційних кривих…………………35

6. Кількісна  обробка експрементальних результатів……………………….  37

Висновки………………………………………………………………………....38

Список  використаних джерел та літератури…………………………………..39 
 
 

ВСТУП 

     Корозія металів відбувається безперервно  і завдає величезних збитків. Підраховано, що прямі втрати заліза від корозії становлять близько 10 % його щорічної виплавки. Внаслідок корозії металеві вироби втрачають свої цінні технічні властивості. Тому важливе значення мають методи захисту металів та сплавів від корозії. Вони досить різноманітні. Тому важливим є і визначення швидкості корозійного руйнування металів щоб добре підбирати способи захисту металів від корозії. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. КОРОЗІЯ  МЕТАЛІВ 

      Корозія металів в переважній більшості  протікає без підведення енергії  від якого-небудь зовнішнього джерела. Таку особливість корозії легко зрозуміти, якщо врахувати, що підлягають корозії звичайні метали, котрі зустрічаються в природі не як самородки   (золото, платина), а як відповідні мінерали і руди. На виробництво цих металів з природних сполук витрачається значна кількість енергії, яка накопичується в металах у виді вільної енергії Гіббса і робить їх термодинамічно нестійкими, хімічно активними речовинами. Внаслідок корозійного руйнування метали переходять в оксиди, сульфіди, карбонати і інші,  властиві їм природні сполуки, і  втрачаються  безповоротно.

      Отже, корозію можна визначити як окислювально-відновний процес (DG<0) руйнування металів, який протікає самовільно під впливом навколишнього середовища, що відбувається з виділенням енергії (DН>0) і розсіюванням речовини ( D S >0). Механічне руйнування внаслідок фізичних причин не називається корозією і відоме як ерозія, стирання або знос. У деяких випадках хімічний вплив супроводжується фізичним руйнуванням і називається корозійною ерозією, корозійним зносом або фреттинг-корозією. Термін «іржавління» означає  корозію тільки заліза і його сплавів [9]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2. КЛАСИФІКАЦІЯ КОРОЗІЙНИХ ПРОЦЕСІВ 

   Залежно від зміни поверхні металу (геометричного характеру корозійного руйнування) розрізняють такі типи корозії (Рис. 2.1):

    1) суцільна, або рівномірна

   2) нерівномірна

   3) структурно-виборча

   4) плямами

   5) виразками

   6) піттинг

   7) міжкристалітна

   8) транскристалітна

    9) підповерхнева.

   За  механізмом реакції взаємодії металу з корозійно-агресивним середовищем розрізняють два основних типи корозії: хімічну і електрохімічну (Рис.2.1.). Окремо виділяють біологічну корозію, що відбувається під впливом продуктів життєдіяльності бактерій і інших мікроорганізмів; радіаційну корозію, що протікає під впливом радіоактивного випромінювання, і деякі інші.

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Під хімічною корозією розуміють руйнування металів окисленням в навколишньому  середовищі без виникнення електричного (корозійного) струму в системі.

     До хімічної корозії належать:

     а) газова корозія, 

     б) корозія в рідинах.

   Газова  корозія найбільш поширена різновидність хімічної корозії, спостерігається у роботі металевих конструкцій, контактних і інших апаратів, арматури печей, деталей двигунів внутрішнього згоряння, термічній обробці, гарячому прокаті, куванні і т.д. Найбільш поширений випадок газової корозії - взаємодія металу (Дме) з киснем, що протікає за схемою: 

х Ме + ½  у О₂   ↔   Ме_х О _у                                                      2.1

                Рідинна корозія протікає частіш за все в рідинах-неелектролітах: спиртах, бензолі, хлороформі, гасі, бензині .

   Електрохімічна  корозія – просторово розділений окислювально-відновний процес руйнування металів, що протікає в середовищі електроліту з виникненням всередині системи електричного (корозійного) струму. Таким чином, електрохімічна корозія принципово відрізняється від хімічної тим, що:

    1) процеси окислення і відновлення  просторово роз’єднані;

    2) всередині системи виникають  корозійні струми.

   Концентраційна корозія, виникаюча внаслідок градієнта деполяризатора на окремих дільницях металу (Рис. 2.2). Якщо на поверхні металу (наприклад, заліза) знаходиться крапля води, то концентрація кисню в поверхневих і у внутрішніх шарах неоднакова. Згідно з рівнянням Нернста, виникає різниця потенціалів: середня, більш активна частина пластинки стає анодом, зовнішня  - катодом.

   Роботу концентраційного гальванічного елемента:

              А (-) Fе│Н₂О, О₂│Fе    К(+)                                2.2

можна зобразити у виді  схеми:

          анод (Fe): Fe⁰ – 2 ē → Fe²⁺                     2

          катод (Fe): О₂ + 2Н₂О + 4ē → 4 ОН ^-      1

          

або сумарно:       2Fe + О₂ + 2Н₂О → 2 Fe (ОН)₂                                                 2.3

     Електрохімічна  корозія під дією блукаючих струмів - електрокорозія, зустрічається порівняно рідше, однак може привести до небезпечного корозійного руйнування. Джерелом виникнення блукаючих струмів у ґрунті є рейкові колії трамвайних і електричних залізниць, в яких рейки виконують роль зворотного провідника для струму, електрозварювальні апарати, працюючі від постійного струму, установки катодного захисту, електролізери, установки для гальванопокриття [6]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. ВИДИ  КОРОЗІЙНОГО РУЙНУВАННЯ 

     Корозія, залежно від природи металу, агресивного  середовища і інших умов, приводить  до різних видів руйнувань. На (Рис. 3.1) представлені розрізи зразку металу, що показують можливі зміни рельєфу поверхні в результаті корозії.

     

     Рис.3.1. Схематичне зображення різних видів корозії:

     А – рівномірна корозія;

  Б – корозія плямами;

  В, Г – корозія виразками;

     Д – точкова корозія (пітинг);

     Е – підповерхнева корозія;

     НН  – вихідна поверхня металу;

     КК  – рельєф поверхні, змінений унаслідок  корозії.

     Нерівномірна  корозія значно небезпечніша, ніж  рівномірна. Нерівномірна корозія, при  порівняно невеликій кількості  окисленого металу, викликає велике зменшення перетину в окремих місцях. Виразкова або точкова корозія можуть привести до утворення крізних отворів, наприклад в листовому матеріалі, при малій втраті металу [7]. 
 
 

     4. КІЛЬКІСНА ОЦІНКА КОРОЗІЇ 

     Швидкість загальної корозії оцінюють по спаду металу з одиниці площі (К), або за швидкістю проникнення корозії, тобто по однобічному зменшенню товщини незайманого металу (П). При рівномірній корозії:

     П = 8,75К/r                                                   4.1

     де r — щільність металу в г/см³. При нерівномірній і місцевій корозії оцінюється максимальне проникнення. Встановлена 10-бальна шкала загальної корозійної стійкості (див. Табл. 4.1). У особливих випадках корозія може оцінюватися і по ін. показникам (втрата механічної міцності і пластичності, зростання електричного опору, зменшення відбивної здатності і т. д.), які вибираються відповідно до вигляду корозії і призначення виробу або конструкції [8].

     “ Таблиця  4.1. 10-бальна шкала для оцінки загальної корозійної стійкості металів ”

 
 

     5. ВИБІР ПОКАЗНИКА КОРОЗІЇ ТА МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТІ КОРОЗІЙНОГО РУЙНУВАННЯ МЕТАЛІВ 

     Методи  оцінки корозії пов'язані з наявністю  як якісних, так і кількісних методів. Методи якісної оцінки грають істотну, хоча і допоміжну роль, дозволяючи отримати уявлення про характер і інтенсивність процесу корозії.. При прискорених випробуваннях, а також в лабораторних  дослідженнях поважно правильно вибрати не лише метод випробування, але і показник корозії. Найбільш широкого поширення при оцінці корозійної стійкості матеріалів   набули   наступні показники корозії:

1. Зміна маси зразків (ваговий метод).
2. Зміна кількості водню, що виділився в процесі корозії , або кількості поглиненого кисню (об'ємний метод).
3. Визначення глибини проникнення корозії.
4. Зміна в результаті корозії механічних властивостей зразків.
5. Зміна в результаті корозії відбивної здатності поверхні металу.
6. Зміна в результаті корозії електричного опору зразків.
7. Визначення часу до появи першого вогнища корозії.
8. Визначення вогнищ корозії, з’явившигося за даний проміжок часу.
9. Визначення часу, необхідного для появи корозії на певній частині поверхні (10 або 50%).
10. Визначення кількості металу, що перейшов в розчин в процесі корозії [3].

 
 
 
 
 
 
 

     5.1. ОБ’ЄМНИЙ МЕТОД 

     Суть  цього методу полягає у визначенні об'єму газу, що виділяється або  поглинається в процесі корозії. Якщо корозія протікає з водневою деполяризацією, тоді виділяється водень; якщо з кисневою деполяризацією –  йде поглинання кисню. Об'єм газу, що виділився або поглинений в процесі корозії за одиницю часу, віднесений до одиниці поверхні зразка, називається об'ємним показником корозії. Швидкість корозії пропорційно об'єму газу, що виділився.

     Для виміру об'єму  водню що виділився, наприклад при корозії магнієвих сплавів в розчинах NaCl, Al та інших сплавів в кислих розчинах, приміняють прибори -  водневі корозіметри  ( Рис. 5.1.1) . В наповнений розчином прибор встановлюють зразок і вимірюють об'єм водню за допомогою бюретки, що виділяється, встановленого над зразком так, як це показано на (Рис.5.1.1 ). Спочатку звіти проводять часто ( через 0,5 ;1;2;5 хв., потім 10,30 хв. 1, 2,  5 год. і т.д. ).

       
 
 
 
 
 
 

     “ Рис. 5.1.1. Водневий корозіметр найпростішої конструкції. ”

     При вимірах встановлюють умовний нуль - час, необхідний для приміщення зразка в розчин. При масових корозійних випробуваннях зручніше користуватися корозіметром, запропонованим Акимовим, зовнішній вигляд якого представлений на  ( Рис.5.1.2.) Прилад складається з комплекту мірних градуйованих бюреток 3, кожна з яких має вузьку і широку частини і відповідно два ступені відліку. Внизу кожна бюретка закінчується невеликим дзвоном із скляним гачком для підвішування зразків.

       
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.5.1.2. Вдосконалений водневий корозіметр

     Всі бюретки за допомогою розбірного тримача 2, що забезпечує їх швидкий  підйом і опускання, укріплені в  штативі 4. Бюретки сполучені гумовим  шлангом з водоструминним насосом  і заповнюються розчином через кран 1.

     Результати  випробувань представляють у вигляді кривих корозія — час або швидкість корозії — час. Швидкість корозії при цьому виражають в см³/(см²·год). Для розрахування втрат металу (по масі) по кількості водню, що виділився, користуються формулою :

     K_{(по масі)} = (2А/nV_H) К _{(об’ємна)}                                                 5.1.1.

     Де   K_{(по масі)} – кількість металу, що перейшла в розчин за час випробування, г

     А — атомна маса металу, г;

     n – валентність іона металу;

     V_H  - 23804 см³ — об’єм 1 моля водню при 17° С і тиску 1 бар;

     К _{(об’ємна)} – об’єм  водню, що виділився за час випробування, см³.

     Для випадку розчинення магнію і його сплавів формула має вигляд :

     K_{(по масі)} = 1·10^-3 · К _{(об’ємна)}                                                     5.1.2.

     В описаному корозіметрі кількість виділившигося газу визначається по величині витисненого об'єму розчину в градуйованій бюретці.

     У всіх випадках при визначенні корозії по кількості поглиненого кисню необхідно стежити за тим, щоб випробування не проводилися при недоліку кисню. Для цієї мети необхідно періодично оновлювати атмосферу в реакційному посуді. Звичайне оновлення виробляють з таким розрахунком, щоб кількість поглиненого кисню не перевищувала 10% загального запасу кисню в посудині. Це легко визначити, знаючи об'єм судини і об'єм поглиненого кисню в процесі корозії за даний проміжок часу.

     Прилад, приведений на (Рис. 5.1.3.), дозволяє проводити  випробування не лише при зануренні в електроліт, але і при періодичному змочуванні зразків електролітом і просто  у  вологій атмосфері. Спеціальний пристрій  у вигляді скляного поплавка 9, на якому підвішуються зразки 8, періодично при замикані   ланцюзі   електромагніту 11 занурюється  в електроліт, а при 3 виключенні   струму   знов спливає. Виміри  проводяться по пересуванню   краплі розчину 4   в   манометричній трубці 3. Пробка 5 і кран 7 служать для періодичного освіження атмосфери.

       
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 5.1.3. Прилад для визначення швидкості корозії по кількості поглиненого кисню в умовах періодичного змочування електролітом і у вологій атмосфері.

Одночасно в такому приладі  може випробовуватись до восьми однакових зразків розміром 20 ^X 30 мм. При вимірі корозії об'ємними методами можуть виникати помилки унаслідок зміни температури, наявності змішаних процесів деполяризацій і зміни тиску. При застосуванні об'ємних методів необхідно ретельне термостатування, а вплив зміни тиску (при точних вимірах) враховувати, приводячи виміряну кількість газу до нормальних умов.

     Якщо  корозія супроводиться одночасним поглинанням кисню і виділенням водню, конструкція приладу ускладнюється, в нім має бути передбачена можливість прожигу водню, що досягається таким чином. У кришку судини упаюють платинові контакти, сполучені з платиновою спіраллю, що знаходиться усередині приладу. Через спіраль пропускається так. Стикаючись з розжареною спіраллю, водень який знаходиться в судині згорає. Якщо метал утворює оксиди або гідрооксиди одної валентності, кількість поглиненого кисню легко перерахувати і кількість металу, що руйнується; якщо ж в процесі корозії утворюються з'єднання з різною мірою окислення, наприклад в заліза, то необхідно визначити долю цих з’єднань в продуктах корозії.

      При прискорених випробуваннях оцінку корозії об'ємними методами при змішаному характері деполяризації, очевидно, застосовувати недоцільно, тому опис таких приладів не приводиться [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     5.2. ВАГОВИЙ ( МАСОВИЙ ) МЕТОД 

     Цей метод являється найбільш простим  та надійним, так як він безпосередньо  вказує на кількість металу, зруйнованого корозією. Цей метод використовують у тих випадках, якщо корозія має більш рівномірний характер, і зазвичай приміняють при вивченні корозії цинку та міді.

     Якщо  – m₀ початкова маса зразку, m₁ – маса зразку після корозії, F – поверхність зразку і t – час, то швидкість дифузії K можна визначити з співвідношення :

     К = (m₀ - m₁)/ F t                                                5.2.1

     Швидкість корозії зазвичай виражають в  г/(м²·год) або мг/(см²·год). При визначені цього показника важливо чітко видалити продукти корозії. Іноді вони видаляються простим механічним дійством ( щіткою ). Якщо продукти корозії видаляються погано, то приміняють спеціальні електроліти, які розчиняють продукти корозії, не реагуючи при цьому з металом.

     При вагових методах можна користуватися  простим методом, так після зняття продуктів корозії, висушування і звішування зразку на нього накладається шматок кальки і роблять замальовку всіх місць, піддавшихся корозії. Замальовані частини кальки вирізають та зважують на аналітичних вагах. Знаючи масу одиниці площі кальки, можна легко розрахувати полощу, зайняту корозією.

     В деяких випадках корозію можна визначати  по збільшенню маси зразків. Однак цим  методом можна користуватись  лише у тих випадках, коли продукти корозії добре щеплені з поверхнею  металу і є впевненість в тому, що вони в процесі не будуть осипатись. Метод дає непрямі результати, так як визначення істинної корозії  необхідно знати склад продуктів корозії, який на жаль не завжди відомий [1]. 
 
 

     5.3. ВИЗНАЧЕННЯ ГЛИБИНИ ПРОНИКНЕННЯ КОРОЗІЇ 

     Коли  корозія носить виключно нерівномірний характер, що спостерігається, наприклад, на алюмінієвих сплавах і неіржавіючих сталях, показник зміни маси металу має бути доповнений глибинним показником, який характеризує дійсну глибину проникнення корозії.

     Існує ряд приладів для виміру глибини  корозії. Найбільш точні — оптичні прилади. При достатньому навику глибина корозійної поразки може бути визначена за допомогою звичайного мікроскопа методом фокусування оптичної схеми спочатку на плоскість, співпадаючу з верхнім краем виразки, а потім на плоскість дна виразки. По різниці відліків на мікроскопічному гвинті судять про глибину пітингу.

     Останнім  часом для визначення глибини  проникнення корозії застосовують подвійний мікроскоп В. П. Лінника, принцип дії якого заснований на створенні оптичного перетину поверхні, що підлягає дослідженню [4]. Оптична схема цього приладу приведена на (Рис.5.3.1.) Мікроскоп має два тубуса А і В, змонтованих під кутом φ до нормалі Ca₁. Тубус В є звичайним мікроскопом з об'єктивом О₁ в окуляром К. Останній встановлюється так, щоб точка зображення а₂ об'єктиву О₁, лежала в його фокальній площині.

     Тубус А служить для напряму вузького пучка світла на поверхню НН. Для цього в плоскості зображення об'єктиву 0₂ є щілина, що світиться а. Якщо вузький пучок світла направити на дзеркально відполіровану поверхню, то зображення а- щілини а спроектуєте в крапці а₂. В окулярі К ми побачимо зображення щілини а, співпадаюче з оптичною віссю.

     

     Рис. 5.3.1. Оптична схема подвійного мікроскопу В.П.Лінника.

     Таким чином, маючи в полі зору корозійну  язву, разом з нею можна спостерігати хвилясту лінію, що точно повторює профіль язви в перевернутому вигляді. (Рис.5.3.2.)

      На цьому приборі можна вимірювати корозійні ураження в границях від 10 до 100 мкм. При наявності спеціальної оптики границі вимірів можуть бути розширені від 1-2 мм до 0,01-3 мкм.