– физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.

Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» – «грызу» (позднелатинское «corrosio» означает «разъедание»).

Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.

В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:

Fe + 6 H 2 O (влага) + 3 O 2 (воздух) = 4 Fe (OH ) 3

Гидроксид железа(

III ) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(III ). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления. В результате железный предмет может быть полностью разрушен.

Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.

Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку – выталкивает ее с поверхности, и металл быстро превращается в белые хлопья метагидроксида алюминия:

4Al + 2H 2 O + 3O 2 = 4AlO(OH) Амальгамированный алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода: Al + 4 H 2 O = 2 AlO (OH ) + 3 H 2

Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.

Иногда при коррозии металлов происходит не окисление, а восстановление некоторых элементов, содержащихся в сплавах. Например, при высоких давлениях и температурах карбиды, содержащиеся в сталях, восстанавливаются водородом.

Разрушение металлов в присутствии водорода обнаружили в середине девятнадцатого века. Французский инженер Сент Клэр Девиль изучал причины неожиданных разрывов орудийных стволов. При их химическом анализе он нашел в металле водород. Девиль решил, что именно водородное насыщение явилось причиной внезапного падения прочности стали.

Много хлопот доставил водород конструкторам оборудования для одного из важнейших промышленных химических процессов – синтеза аммиака. Первые аппараты для этого синтеза служили лишь десятки часов, а затем разлетались на мелкие части. Только добавление в сталь титана, ванадия или молибдена помогло решить эту проблему.

К коррозии металлов можно отнести также их растворение в жидких расплавленных металлах (натрий, свинец, висмут), которые используются, в частности, в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

По стехиометрии реакции, описывающие коррозию металлов, довольно просты, однако по механизму они относятся к сложным гетерогенным процессам. Механизм коррозии определяется, прежде всего, типом агрессивной среды.

При контакте металлического материала с химически активным газом на его поверхности появляется пленка продуктов реакции. Она препятствует дальнейшему контакту металла и газа. Если сквозь эту пленку происходит встречная диффузия реагирующих веществ, то реакция продолжается. Процесс облегчается при высоких температурах. В ходе коррозии пленка продукта непрерывно утолщается, а металл разрушается. Большие убытки от газовой коррозии терпит металлургия и другие отрасли промышленности, где используются высокие температуры.

Наиболее распространена коррозия в средах электролитов. В некоторых технологических процессах металлы контактируют с расплавами электролитов. Однако чаще всего коррозия протекает в растворах электролитов. Металл не обязательно должен быть полностью погружен в жидкость. Растворы электролитов могут находиться в виде тонкой пленки на поверхности металла. Они нередко пропитывают окружающую металл среду (почву, бетон и др.).

Во время строительства метромоста и станции «Ленинские горы» в Москве в бетон добавляли большое количество хлорида натрия, чтобы не допустить замерзания еще не схватившегося бетона. Станция была сооружена в кратчайшие сроки (всего за 15 месяцев) и открыта 12 января 1959. Однако присутствие хлорида натрия в бетоне вызвало разрушение стальной арматуры. Коррозии оказались подвергнуты 60% железобетонных конструкций, поэтому станция была закрыта на реконструкцию, продолжавшуюся почти 10 лет. Лишь 14 января 2002 состоялось повторное открытие метромоста и станции, получившей название «Воробьевы горы».

Использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог и тротуаров также приводит к ускоренному разрушению металлов. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации. Подсчитано, что только в США применение солей для борьбы со снегопадами и гололедом приводит к потерям на сумму около 2 млрд. долл. в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд. долл. на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов.

В средах электролитов коррозия обусловлена не только действием кислорода, воды или кислот на металлы, но и электрохимическими процессами. Уже в начале 19 в. электрохимическую коррозию изучали английские ученые Гемфри Дэви и Майкл Фарадей. Первая теория электрохимической коррозии была выдвинута в 1830 швейцарским ученым Де ла Ривом. Она объясняла возникновение коррозии в месте контакта двух разных металлов.

Электрохимическая коррозия приводит к быстрому разрушению более активных металлов, которые в различных механизмах и устройствах контактируют с менее активными металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений правее. Использование медных или латунных деталей в железных или алюминиевых конструкциях, которые работают в морской воде, существенно усиливает коррозию. Известны случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками.

По отдельности алюминий и титан устойчивы к действию морской воды, но если они контактируют в одном изделии, например в боксе для подводной фототехники, алюминий очень быстро разрушается, и бокс протекает.

Электрохимические процессы могут протекать и в однородном металле. Они активизируются, если есть различия в составе зерна металла в объеме и на границе, неоднородное механическое напряжение, микропримеси и т.д. В разработке общей теории электрохимической коррозии металлических материалов участвовали многие наши соотечественники, в том числе Владимир Александрович Кистяковский (1865–1952) и Александр Наумович Фрумкин (1895–1976).

Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.

Коррозия может возникать и под влиянием радиационного излучения, а также продуктов жизнедеятельности бактерий и других организмов. С развитием бактерий на поверхности металлических конструкций связано явление биокоррозии. Обрастание подводной части судов мелкими морскими организмами также оказывает влияние на коррозионные процессы.

При одновременном воздействии на металл внешней среды и механических напряжений все коррозионные процессы активизируются, поскольку при этом понижается термическая устойчивость металла, нарушаются оксидные пленки на поверхности металла, усиливаются электрохимические процессы в местах появления трещин и неоднородностей.

Коррозия приводит к огромным безвозвратным потерям металлов, ежегодно полностью разрушается около 10% производимого железа. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна в России работает впустую – весь выплавляемый металл превращается в ржавчину. Разрушение металлических конструкций, сельскохозяйственных и транспортных машин, промышленной аппаратуры становится причиной простоев, аварий, ухудшения качества продукции. Учет возможной коррозии приводит к повышенным затратам металла при изготовлении аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ и т.д. Это увеличивает общие убытки от коррозии. Немалые средства приходится тратить на противокоррозионную защиту. Соотношение прямых убытков, косвенных убытков и расходов на защиту от коррозии оценивают как (3–4):1:1. В промышленно развитых странах ущерб от коррозии достигает 4% национального дохода. В нашей стране он исчисляется миллиардами рублей в год.

Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения. Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (5 в. до н. э.) и древнеримского ученого Плиния Старшего (1 в. до н. э.) уже есть упоминания о применении олова для предохранения железа от ржавления. В настоящее время борьбу с коррозией ведут сразу в нескольких направлениях – пытаются изменить среду, в которой работает металлическое изделие, повлиять на коррозионную устойчивость самого материала, предотвратить контакт между металлом и агрессивными веществами внешней среды.

Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов в подавляющем большинстве случаев невозможно. На практике для снижения коррозионной активности среды из нее стараются удалить наиболее реакционноспособные компоненты, например, снижают кислотность водных растворов и почв, с которыми могут контактировать металлы. Одним из методов борьбы с коррозией железа и его сплавов, меди, латуни, цинка, свинца является удаление из водных растворов кислорода и диоксида углерода. В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от хлоридов, которые стимулируют локальную коррозию. Для снижения кислотности почвы проводят известкование.

Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии. Для железа, меди, никеля, цинка она составляет 50–70%. Иногда для сохранности изделий, имеющих историческую ценность, их температуру искусственно поддерживают выше точки росы. В закрытых пространствах (например, в упаковочных коробках) влажность понижают с помощью силикагеля или других адсорбентов. Агрессивность промышленной атмосферы определяется, в основном продуктами сгорания топлива (см . ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ). Уменьшению потерь от коррозии способствует предотвращение кислотных дождей и устранение вредных газовых выбросов.

Разрушение металлов в водных средах можно замедлить при помощи ингибиторов коррозии, которые в небольших количествах (обычно менее 1%) вводят в водные растворы. Они способствуют пассивированию поверхности металла, то есть образованию тонкой и плотной пленки оксидов или других малорастворимых соединений, которая препятствует разрушению основного вещества. Для этой цели применяют некоторые соли натрия (карбонат, силикат, борат) и другие соединения. Если бритвенные лезвия погрузить в раствор хромата калия, они хранятся намного дольше. Часто используют органические ингибиторы, которые более эффективны, чем неорганические.

Один из способов защиты от коррозии основывается на разработке новых материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью. Постоянно ведутся поиски заменителей коррозирующих металлов. Пластмассы, керамика, стекло, резина, асбест и бетон более устойчивы к воздействию окружающей среды, однако по многим другим свойствам они уступают металлам, которые по-прежнему служат основными конструкционными материалами.

Благородные металлы практически не поддаются коррозии, но для широкого применения они слишком дороги, поэтому их используют лишь в наиболее ответственных деталях, например для изготовления некорродирующих электрических контактов. Высокой коррозионной стойкостью обладают никель, алюминий, медь, титан и сплавы на их основе. Их производство растет довольно быстро, однако и сейчас наиболее доступным и широко используемым металлом остается быстро ржавеющее железо. Для придания коррозионной стойкости сплавам на основе железа часто используют легирование. Так получают нержавеющую сталь, которая, помимо железа, содержит хром и никель. Самая распространенная в наше время нержавеющая сталь марки 18–8 (18% хрома и 8% никеля) появилась в 1923. Она вполне устойчива к воздействию влаги и кислорода. Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране были выплавлены в 1924 в Златоусте. Сейчас разработано много марок таких сталей, которые, помимо хрома и никеля, содержат марганец, молибден, вольфрам и другие химические элементы. Часто применяют поверхностное легирование недорогих железных сплавов цинком, алюминием, хромом.

Для противостояния атмосферной коррозии на стальные изделия наносятся тонкие покрытия из других металлов, более устойчивых к воздействию влаги и кислорода воздуха. Часто используются покрытия из хрома и никеля. Поскольку хромовые покрытия нередко содержат трещины, их обычно наносят поверх менее декоративных никелевых покрытий. На защиту жестяных консервных банок от коррозии в органических кислотах, содержащихся в пищевых продуктах, расходуется значительное количество олова. Долгое время для покрытия кухонной утвари использовали кадмий, однако теперь известно, что этот металл опасен для здоровья и кадмиевые покрытия используются только в технике.

Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена. Внутренние поверхности стальных труб и резервуаров защищают дешевыми покрытиями из цемента.

Чтобы лакокрасочное покрытие было более надежным, поверхность металла тщательно очищают от грязи и продуктов коррозии и подвергают специальной обработке. Для стальных изделий используют так называемые преобразователи ржавчины, содержащие ортофосфорную кислоту (Н 3 РО 4) и ее соли. Они растворяют остатки оксидов и формируют плотную и прочную пленку фосфатов, которая способна на некоторое время защитить поверхность изделия. Затем металл покрывают грунтовочным слоем, который должен хорошо ложиться на поверхность и обладать защитными свойствами (обычно используют свинцовый сурик или хромат цинка). Только после этого можно наносить лак или краску.

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коррозией является электрохимическая защита. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды.

Другой вариант такой защиты применяют для сравнительно небольших стальных конструкций или дополнительно покрытых изоляцией металлических объектов (например, трубопроводов). В этом случае используют протектор – анод из сравнительно активного металла (обычно это магний, цинк, алюминий и их сплавы), который постепенно разрушается, оберегая основной объект. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода. Протекторная защита широко распространена; например, в США на производство протекторов ежегодно расходуется около 11,5 тыс. т алюминия.

Защита одного металла другим, более активным металлом, расположенным в ряду напряжений левее, эффективна и без наложения разности потенциалов. Более активный металл (например, цинк на поверхности железа) защищает от разрушения менее активный металл.

К электрохимическим методам борьбы с коррозией можно отнести и защиту от разрушения конструкций блуждающими токами. Одним из способов устранения такой коррозии является соединение металлическим проводником участка конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом, по которому движется трамвай или электропоезд.

Елена Савинкина

ЛИТЕРАТУРА Фримантл М. Химия в действии . В 2-х ч. М., Мир, 1991
Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения . М., Химия, 1994

Коррозия металлов - самопроизвольное разрушение металлов вслед­ствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Коррозионный процесс - гетерогенный (неоднородный), протекает на границе раздела металл - агрессивная среда, име­ет сложный механизм. При этом атомы металла окисляются, т.е.J теряют валентные электроны, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с ее компонентами и образуют продукты коррозии. В большинстве случаев коррозия металлов пройм ходит неравномерно по поверхности, имеются участки, на которых возникают локальные поражения. Некоторые продукты коррозии, образуя поверхностные пленки, сообщают металлу коррозионную стойкость. Иногда могут появляться рыхлые продукты коррозии, имеющие слабое сцепление с металлом. Разрушение таких пленок вызывает интенсивную коррозию обнажающегося металла. Коррозия металла снижает механическую прочность и меняет другие свойства его. Коррозионные процессы классифицируют по видам коррозионных разру­шений, характеру взаимодействия металла со средой, условиям про­текания.

Коррозия бывает сплошная, общая и местная. Сплошная коррозия протекает по всей поверхности металла. При местной коррозии поражения локализуются на отдельных участках поверхности.

Рис. 1Характер коррозионных разрушений:

I – равномерное; II - неравномерное; III - избирательное; IV - пятна; V - язвы; VI - точками или питтингами; VII - сквозное; VIII - нитевидное; IX - поверхностное; X - межкристаллитное; XI - ножевое; XII - растрескивание

Общая коррозия подразделяется на равномерную, неравномер­ную и избирательную (рис. 1).

Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерная - на различных участках поверхности металла с неодинаковой скоростью. При избирательной кор­розии разрушаются отдельные компоненты сплава.

При коррозии пятнами диаметр коррозионных поражений большой глубины. Для язвенной коррозии характерно глубокое поражение участка поверхности ограниченной площади. Как правило, язва находятся над слоем продуктов коррозии. При точечной (питтинговой) коррозии наблюдаются отдельные точечные поражения поверхности металла, которые имеют малые поперечные размеры при значительной глубине. Сквозная - это местная коррозия, вызывающая разрушение металлического изделия насквозь, в виде свищей. Нитевидная коррозия проявляется под неметаллическими покрытиями и виде нитей. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, пи преимущественно распространяется под поверхностью металла, вызывая его вспучивание и расслоение.

При межкристаллитной коррозии разрушение сосредоточено по границам зерен металла или сплава. Этот вид коррозии опасен тем, что происходит потеря прочности и пластичности металла. Ножевая коррозия имеет вид надреза ножом вдоль сварного соединения в сильно агрессивных средах. Коррозионное растрескивание протекает при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих остаточных или приложенных механических напряжениях.

Металлические изделия в определенных условиях подвергаются коррозионно-усталостному разрушению, протекающему при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и переменных I механических напряжений.

По характеру взаимодействия металла со средой различают хими­ческую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия - раз­рушение металла при химическом взаимодействии с агрессивной сре­дой, которой служат неэлектролиты - жидкости и сухие газы. Электрохимическая коррозия - разрушение металла под воздействием электро­лита при протекании двух самостоятельных, но взаимосвязанных процессов - анодного и катодного. Анодный процесс - окислительный, проходит с растворением металла; катодный процесс - восстановительный, обусловлен электрохимическим восстановлением компонентов среды. Современная теория коррозии металлов не исключает совместного протекания химической и электрохимической коррозии, так как в электролитах при определенных условиях возможен перенос массы металла по химическому механизму.

По условиям протекания коррозионного процесса наиболее часто встречаются следующие виды коррозии:

1) газовая коррозия, протекает при повышенных температурах и полном отсутствии влаги на поверхности; продукт газовой корро­зии - окалина обладает при определенных условиях защитными свой­ствами;

2) атмосферная коррозия, протекает в воздухе; различают три вида атмосферной коррозии: во влажной атмосфере - при относитель­ной влажности воздуха выше 40 %; в мокрой атмосфере - при отно­сительной влажности воздуха, равной 100 %; в сухой атмосфере - при относительной влажности воздуха менее 40 %; атмосферная кор­розия - один из наиболее распространенных видов вследствие того, что основная часть металлического оборудования эксплуатируется в атмосферных условиях;

3) жидкостная коррозия - коррозия металлов в жидкой среде; различают коррозию в электролитах (кислоты, щелочи, солевые раст­воры, морская вода) и в неэлектролитах (нефть, нефтепродукты, ор­ганические соединения);

4) подземная коррозия - коррозия металлов, вызываемая в ос­новном действием растворов солей, содержащихся в почвах и грун­тах; коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена струк­турой и влажностью почвы, содержанием кислорода и других хими­ческих соединений, рН, электропроводностью, наличием микроорга­низмов;

5) биокоррозия - коррозия металлов в результате воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, в биокорро­зии участвуют аэробные и анаэробные бактерии, приводящие к ло­кализации коррозионных поражений;

6) электрокоррозия, возникает под действием внешнего источника тока или блуждающего тока;

7) щелевая коррозия - коррозия металла в узких щелях, зазорах, м резьбовых и фланцевых соединениях металлического оборудования, аксплуатирующегося в электролитах, в местах неплотного контакта металла с изоляционным материалом;

8) контактная коррозия, возникает при контакте разнородных металлов в электролите;

9) коррозия под напряжением, протекает при совместном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений - постоянных растягивающих (коррозионное растрескивание) и пере­менных или циклических (коррозионная усталость);

10) коррозионная кавитация - разрушение металла в результате одновременно коррозионного и ударного воздействий. При этом за­щитные пленки на поверхности металла разрушаются, когда лопаются газовые пузырьки на поверхности раздела жидкости с твердым телом;

11) коррозионная эрозия - разрушение металла вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механического износа;

12) фреттинг-коррозия - локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга;

13) структурная коррозия, обусловлена структурной неоднород­ностью сплава; при этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого-либо компонента сплава;

14) термоконтактная коррозия, возникает за счет температурного градиента, обусловленного неравномерным нагреванием поверхности металла.

Все мы в своей жизни периодически сталкиваемся с различными видами коррозий. Бывают коррозии металла, бетона и некоторых видов пластмасс. Что бы научиться правильно бороться с коррозией первоначально необходимо понять, что же такое коррозия.

Коррозия – это разрушение твердых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой. Даже само слово коррозия произошло от позднелатинского corrosio – разъедание. Особенный ущерб приносит коррозия металлов. Распространенный и наиболее знакомый всем нам вид коррозии – ржавление железа. Термин «коррозия» применим к металлам, бетону, некоторым пластмассам и другим материалам. Кроме коррозии, металлические (в частности, строительные) конструкции подвергаются действию эрозии – разрушению поверхности материала под влиянием механического воздействия. Эрозию провоцируют дожди, ветры, песчаная пыль и прочие природные факторы. Поэтому арки мостов, строительные фермы и другие сооружения надо защищать комплексно. Таким образом, коррозия – это физико-химическое взаимодействие металла со средой, ведущее к разрушению металла. В результате коррозии металлы переходят в устойчивые соединения – оксиды или соли, в виде которых они находятся в природе. Коррозия съедает до 10 процентов производимого в стране металла. Трудно учесть более высокие косвенные потери от простоев и снижения производительности оборудования, подвергшегося коррозии, от нарушения нормального хода технологических процессов, от аварий, обусловленных снижением прочности металлических конструкций и т.п.

Почему коррозия называется коррозией?

Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» – «грызу». Некоторые источники ссылаются на позднелатинское «corrosio» – «разъедание». Не следует путать понятия «коррозия» и «ржавчина». Если коррозия – это процесс, то ржавчина один из его результатов. Это слово применимо только к железу, входящему в состав стали и чугуна. В дальнейшем под термином «коррозия» мы будем подразумевать коррозию металлов. Согласно международному стандарту ISO 8044 под коррозией понимают физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы. РЖАВЧИНА – это слой частично гидратированных оксидов железа, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии. Коррозионному разрушению подвержены также бетон, строительный камень, дерево, другие материалы; коррозия полимеров называется деструкцией.

Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует) называется коррозионной или агрессивной средой. В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют ввиду нежелательный процесс взаимодействия металла со средой.

Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла. Любой коррозионный процесс является многостадийным:

1. Необходим подвод коррозионной среды или отдельных ее компонентов к поверхности металла.
2. Взаимодействие среды с металлом.
3. Полный или частичный отвод продуктов от поверхности металла (в объем жидкости, если среда жидкая).

Известно, что большинство металлов (кроме Ag, Pt ,Cu, Au) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и др., называемые обычно рудами металлов. Ионное состояние более выгодно, оно характеризуется меньшей внутренней энергией. Это заметно при получении металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том, что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приводит к тому, что металл, находящийся в контакте с коррозионно-активной средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии. То есть можно сказать, что первопричиной коррозии является термодинамическая неустойчивость системы, состоящей из металла и компонентов окружающей (коррозионной) среды. Мерой термодинамической неустойчивости является свободная энергия, освобождаемая при взаимодействии металла с этими компонентами. Но свободная энергия сама по себе ещё не определяет скорость коррозионного процесса, т. е. величину, наиболее важную для оценки коррозионной стойкости металла. В ряде случаев адсорбционные или фазовые слои (плёнки), возникающие на поверхности металла в результате начавшегося коррозионного процесса образуют настолько плотный и непроницаемый барьер, что коррозия прекращается или очень сильно тормозится. Поэтому в условиях эксплуатации металл, обладающий большим сродством к кислороду, может оказаться не менее, а более стойким (так, свободная энергия образования окисла у Cr или Al выше, чем у Fe, а по стойкости они часто превосходят Fe).

Классификация коррозионных процессов

По виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объёме металла.

Коррозию, захватившая всю поверхность металла, называется сплошной . Её делят на равномерную и неравномерную , в зависимости от того, одинакова ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна, язвы и точки (питтинг) . Точечные поражения могут дать начало подповерхностной коррозии, распространяющейся в стороны под очень тонким (например, наклёпанным) слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится. Наиболее опасные виды местной коррозии – межкристаллитная (интеркристаллитная) , которая, не разрушая зёрен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зёрна. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции. Близка к ним по характеру ножевая коррозия, словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва при эксплуатации некоторых сплавов в особо агрессивных растворах. Иногда специально выделяют поверхностную нитевидную коррозию, развивающуюся, например, под неметаллическими покрытиями, и послойную коррозию, идущую преимущественно в направлении пластической деформации. Специфична избирательная коррозия, при которой в сплаве могут избирательно растворяться даже отдельные компоненты твёрдых растворов (например, обесцинкование латуней).

По механизму реакций взаимодействия металла со средой (химическая и электрохимическая коррозия).

Коррозия является химической , если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является электролитом (газовая коррозия, коррозия в неэлектропроводных органических жидкостях). Скорость её чаще всего определяется диффузией частиц металла и окислителя через поверхностную плёнку продуктов коррозии (высокотемпературное окисление большинства металлов газами), иногда – растворением или испарением этой плёнки (высокотемпературное окисление W или Mo), её растрескиванием (окисление Nb при высоких температурах) и изредка – конвективной доставкой окислителя из внешней среды (при очень малых его концентрациях).

Коррозия является электрохимической , если при выходе из металлической решётки образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды; окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Такой процесс возможен в тех случаях, когда в окружающей среде существуют два типа реагентов, из которых одни (сольватирующие или комплексообразующие) способны соединяться устойчивыми связями с катионом металла без участия его валентных электронов, а другие (окислители) могут присоединять валентные электроны металла, не удерживая около себя катионы. Подобными свойствами обладают растворы или расплавы электролитов, где сольватированные катионы сохраняют значительную подвижность. Таким образом, при электрохимической коррозии удаление атома из металлической решётки (что составляет суть любого коррозионного процесса) осуществляется в результате двух независимых, но сопряжённых, связанных между собой электрическим балансом, электрохимических процессов: анодного – переход сольватируемых катионов металла в раствор, и катодного – связывание окислителем освобождающихся электронов. Отсюда следует, что процесс электрохимической коррозии можно замедлить не только путём непосредственного торможения анодного процесса, но также воздействуя на скорость катодного. Наиболее распространены два катодных процесса: разряд водородных ионов (2е + 2H + = H 2) и восстановление растворённого кислорода (4е + O 2 + 4H + = 2H 2 O или 4е + O 2 + 2H 2 O = 4ОН -), которые часто называют соответственно водородной и кислородной деполяризацией.

Анодный и катодный процессы с той или иной вероятностью и в той или иной последовательности протекают в любых точках металлической поверхности, где катионы и электроны могут взаимодействовать с компонентами коррозионной среды. Если поверхность однородна, то катодные и анодные процессы равновероятны по всей её площади; в таком идеальном случае коррозию называют гомогенно-электрохимической (отмечая, таким образом, отсутствие какой-либо неоднородности в распределении вероятности электрохимических процессов в любой точке поверхности, что, конечно, не исключает термодинамической гетерогенности взаимодействующих фаз). В действительности на металлических поверхностях существуют участки с различными условиями доставки реагирующих компонентов, с разным энергетическим состоянием атомов или с различными примесями. На таких участках возможно более энергичное протекание либо анодного, либо катодного процессов, и коррозия становится гетерогенно-электрохимической.

По типу коррозионной среды

Некоторые коррозионные среды и вызываемые ими разрушения столь характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы.

Как правило, металлические изделия и конструкции подвергаются действию многих видов коррозии – в этих случаях говорят о действии так называемой смешанной коррозии.

Газовая коррозия – коррозия в газовой среде при высоких температурах.

Атмосферная коррозия – коррозия металла в условиях атмосферы при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита (особенно в присутствии агрессивных газов или аэрозолей кислот, солей и т.д.). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.

Жидкостная коррозия – коррозия в жидких средах. По условиям воздействия жидкой среды на металл этот тип коррозии также характеризуется как коррозия при полном погружении, при неполном погружении, при переменном погружении, имеющие свои характерные особенности.

Подземная коррозия – коррозия металла в грунтах и почвах. Характерной особенностью подземной коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода (основной деполяризатор) к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз).

По характеру дополнительных воздействий

Коррозия под напряжением развивается в зоне действия растягивающих или изгибающих механических нагрузок, а также остаточных деформаций или термических напряжений и, как правило, ведёт к транскристаллитному коррозионному растрескиванию , которому подвержены, например, стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. При знакопеременных нагрузках может проявляться коррозионная усталость, выражающаяся в более или менее резком понижении предела усталости металла в присутствии коррозионной среды. Коррозионная эрозия (или коррозия при трении) представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.). Родственная ей кавитационная коррозия возникает при кавитационных режимах обтекания металла агрессивной средой, когда непрерывное возникновение и «захлопывание» мелких вакуумных пузырьков создаёт поток разрушающих микрогидравлических ударов, воздействующих на поверхность металла. Близкой разновидностью можно считать и фреттинг -коррозию, наблюдаемую в местах контакта плотно сжатых или катящихся одна по другой деталей, если в результате вибраций между их поверхностями возникают микроскопические смещения сдвига.

Утечка электрического тока через границу металла с агрессивной средой вызывает в зависимости от характера и направления утечки дополнительные анодные и катодные реакции, могущие прямо или косвенно вести к ускоренному местному или общему разрушению металла (коррозия блуждающим током ). Сходные разрушения, локализуемые вблизи контакта, может вызвать соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих замкнутый гальванический элемент, – контактная коррозия. В узких зазорах между деталями, а также под отставшим покрытием или наростом, куда проникает электролит, но затруднён доступ кислорода, необходимого для пассивации металла, может развиваться щелевая коррозия, при которой растворение металла в основном происходит в щели, а катодные реакции частично или полностью протекают рядом с ней на открытой поверхности.

Принято выделять также биологическую коррозию, идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и др. организмов, и радиационную коррозию – при воздействии радиоактивного излучения.

Показатель скорости коррозии

Для установления скорости коррозии металла в данной среде обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла. Чаще всего в коррозионной практике используют следующие показатели.

Показатель изменения массы

Показатель изменения массы – изменение массы образца в результате коррозии, отнесенное к единице поверхности металла S и к единице времени (например, г/м ч).

В зависимости от условий коррозии различают:

1. отрицательный показатель изменения массы
К-m=
где m – убыль массы металла за время коррозии после удаления продуктов коррозии.

2. положительный показатель изменения массы К+m=
где m – увеличение массы металла за время вследствие роста пленки продуктов коррозии.

Если состав продуктов коррозии известен, то можно сделать пересчет от К к К и наоборот К-m= К+m (nok A Me / n Me Aok)
где А и М – атомная и молекулярная масса Ме и окислителя соответственно; n и n валентность металла и окислителя в окислительной среде.

Объемный показатель коррозии

К – объем поглощенного или выделившегося в процессе газа V отнесенный к единице поверхности металла и единице времени (например, см/см ч).
К= об. V / s
объем газа обычно приводят к нормальным условиям.
Применительно к электрохимической коррозии когда процесс катодной деполяризации осуществляется за счет разряда ионов водорода, например, по схеме 2Н + 2е = Н, или ионизация молекул кислорода О + 4е +2НО = 4ОН; вводятся соответственно кислородный (К) и водородный (К) показатель соответственно.
Водородный показатель коррозии – это объем выделившегося Н в процессе коррозии, отнесенный к Su.
Кислородный показатель коррозии – это объем поглощенного в процессе О, отнесенный к Su.

Показатель сопротивления

Изменение электрического сопротивления образца металла за определенное время испытаний также может быть использован в качестве показания коррозии (К).
КR = (R/Ro) 100% за время t
где Ro и R – электрическое сопротивление образца соответственно до и после коррозии.
У этого способа есть некоторый недостаток толщина металла во все время испытаний должна быть одинаковой и по этой причине чаще всего определяют удельное сопротивление, т.е. изменение электрического сопротивления на единицу площади образца (см, мм) при длине равной единице. Этот метод имеет ограничения применения (для листового металла не более 3мм). Наиболее точные данные получают для проволочных образцов. Этот метод не пригоден для сварных соединений.

Механический показатель коррозии

Изменение какого-либо свойства металла за время коррозии. Сравнительно часто пользуются изменением предела прочности. Прочностной показатель при этом выражается:
Кo = (в/во) 100% за время t
где в – изменение предела прочности при растяжении после коррозии образца в течение времени; во – предел прочности до коррозии.

Глубинный показатель коррозии

К – глубина разрушения металла П в единицу времени (например, мм/год).
Глубина коррозионного разрушения П может быть средней или максимальной. Глубинный показатель коррозии можно использовать для характеристики как равномерной, так и неравномерной коррозии (в том числе и местной) металлов. Он удобен для сравнения скорости коррозии металла с различными плотностями. Переход от массового, токового и объемного к глубинному возможен при равномерной коррозии.

Химические и физико-химические реакции, возникающие в момент взаимодействия окружающей среды с металлами и сплавами, в большинстве случаев приводят к их самопроизвольному разрушению. Процесс саморазрушения имеет собственный термин - «коррозия». Результатом коррозии является существенное ухудшение свойств металла, вследствие чего изделия из него быстро выходят из строя. Каждый металл обладает свойствами, позволяющими ему сопротивляться разрушению. Коррозийная стойкость или, как ее еще называют, химическое сопротивление материала, является одним из главных критериев, по которым осуществляется отбор металлов и сплавов для изготовления тех или иных изделий.

В зависимости от интенсивности и длительности коррозийного процесса металл может быть подвергнут как частичному, так и полному разрушению. Взаимодействие коррозийной среды и металла приводят к образованию на поверхности металла таких явлений, как окалина, оксидная пленка и ржавчина. Данные явления отличаются друг от друга не только внешним видом, но еще и степенью адгезии с поверхностью металлов. Так, например, в процессе окисления такого металла, как алюминий, его поверхность покрывает пленка оксидов, отличающаяся высокой прочностью. Благодаря этой пленке разрушительные процессы купируются и не проникают вовнутрь. Если говорить о ржавчине, то результатом ее воздействия является образование рыхлого слоя. Процесс коррозии в данном случае очень быстро проникает во внутреннюю структуру металла, что способствует его скорейшему разрушению.

Показатели, по которым осуществляется классификация коррозийных процессов:

• вид коррозийной среды;
• условия и механизм протекания;
• характер коррозийных разрушений;
• вид дополнительных воздействий на металл.

По механизму коррозийного процесса различают как химическую, так и электрохимическую коррозию металлов и сплавов.

Химическая коррозия - это взаимодействие металлов с коррозийной средой, в процессе которого наблюдается единовременное осуществление окисления металла и восстановление окислительного компонента среды. Взаимодействующие между собой продукты не разделены пространственно.

Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металлов с коррозийно-активной средой, представляющей собой раствор электролита. Процесс ионизации атомов металла, а также процесс восстановления окислительного компонента данной коррозийной среды протекают в разных актах. Электродный потенциал раствора электролита оказывает существенное влияние на скорость этих процессов.

В зависимости от типа агрессивной среды существует несколько видов коррозии.

Атмосферная коррозия представляет собой саморазрушение металлов в воздушной атмосфере, либо в газовой атмосфере, отличающейся повышенной влажностью.

Газовая коррозия - это коррозия металлов, происходящая в газовой среде, содержание влаги в которой минимально. Отсутствие влаги в газовой среде не единственное условие, способствующее саморазрушению металла. Также коррозия возможна и при высоких температурах. Наиболее часто встречается данный вид коррозии в нефтехимической и химической промышленности.

Радиационная коррозия представляет собой саморазрушение металла под воздействием на него радиоактивного излучения разной степени интенсивности.

Подземная коррозия - это коррозия, происходящая в почвах и различных грунтах.

Контактная коррозия представляет вид коррозии, образованию которого способствует контакт нескольких металлов, отличающихся друг от друга стационарными потенциалами в конкретном электролите.

Биокоррозия - это коррозия металлов, происходящая под воздействием различных микроорганизмов и их жизнедеятельности.

Коррозия током (внешним и блуждающим) - еще один вид коррозии металлов. Если на металл воздействует ток от внешнего источника, то это коррозия внешним током. Если же воздействие осуществляется посредством блуждающего тока, то это коррозия блуждающего тока.

Коррозийная кавитация представляет собой процесс саморазрушения металлов, возникновению которого способствует как ударное, так и коррозионное воздействие внешней среды.

Коррозия под напряжением представляет собой коррозию металла, причиной появления которой является взаимодействие коррозийно-активной среды и напряжений механического типа. Данный вид коррозии представляет существенную опасность для конструкций из металла, которые подвергаются сильнейшим механическим нагрузкам.

Фреттинг-коррозия — вид коррозии металлов, к которой приводит совокупность вибрации и воздействие коррозийной среды. Чтобы минимизировать вероятность возникновения коррозии при трении и вибрации, необходимо внимательно подходить к выбору конструкционного материала. Также необходимо применять специальные покрытия и по возможности снизить коэффициент трения.

По характеру разрушений коррозия разделяется на сплошную и избирательную.

Сплошная коррозия полностью покрывает поверхность металла. Если скорость разрушений на всей поверхности одинакова, то это равномерная коррозия. Если разрушение металла на различных его участках происходит с разной скоростью, то коррозия называется неравномерной.

Избирательная коррозия подразумевает разрушение одного из компонентов сплава или же одной структурной составляющей.

Местная коррозия , проявляющаяся в виде отдельно разбросанных по поверхности металла пятен, представляет собой углубления разной толщины. Разрушения могут представлять собой раковины или точки.

Подповерхностная коррозия образуется непосредственно на поверхности металла, после чего активно проникает вглубь. Данный вид коррозии сопровождается расслоением изделий из металла.

Межкристаллитная коррозия проявляется в разрушении металла по границам зерен. По внешнему виду металла ее достаточно сложно определить. Однако очень быстро меняются показатели прочности и пластичности металла. Изделия из него становятся хрупкими. Наиболее опасен этот вид коррозии для хромистых и хромоникелевых видов стали, а также для алюминиевых и никелевых сплавов.

Щелевая коррозия образуется на тех участках металлов и сплавов, которые находятся в резьбовых креплениях, различных зазорах и под всевозможными прокладками.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

При соприкосновении с окружающей средой многие металлы, а также сплавы на основе металлов могут подвергаться разрушению за счет химического взаимодействия (ОВР с веществами, находящимися в окружающей среде). Такой процесс называется коррозией .

Различают коррозию в газах (газовая коррозия), происходящую при высоких температурах в отсутствии воздействия влаги на поверхности металлов, и электрохимическую коррозию (коррозия в растворах электролитов, а также коррозия во влажной атмосфере). В результате газовой коррозии на поверхности металлов образуются оксидные, сульфидные и т.д. пленки. Этому виду коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.д.

В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов, так и переходу металла в раствор в виде ионов. Этому типу коррозии подвергаются трубопроводы, находящиеся в земле, подводные части кораблей и т.д.

Любой раствор электролита – водный раствор, а в воде содержатся кислород и водород, способные к восстановлению:

O 2 + 4H + +4e = 2H 2 O (1)

2H + +2e=H 2 (2)

Эти элементы являются окислителями, которые вызывают электрохимическую коррозию.

При написании процессов, происходящих при электрохимической коррозии важно учитывать стандартные электродные потенциалы (ЭП). Так, в нейтральной среде ЭП процесса 1 равен 0,8B, поэтому окислению кислородом подвергаются металлы ЭП которых меньше, чем 0,8B (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до серебра).

ЭП процесса 2 — -0,41В, значит окислению водородом подвергаются только те металлы, потенциал которых ниже, чем -0,41В (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до кадмия).

На скорость коррозии большое влияние оказываю примеси, которые может содержать тот или иной металл. Так, если в металле имеются примеси неметаллического характера, а их ЭП выше, чем ЭП металла, то скорость коррозии существенно повышается.

Виды коррозии

Различают несколько видов коррозии: атмосферную (коррозия во влажном воздухе при н.у.), коррозию в грунте, коррозия при неравномерной аэрации (доступ кислорода к разным частям металлического изделия, находящегося в растворе, неодинаков), контактная коррозия (соприкосновение 2х металлов, с разными ЭП в среде, где присутствует влага).

При коррозии на электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции, которые можно записать соответствующими уравнениями. Так, в кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород (1). В нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией — на катоде происходит восстановление воды (2).

К (катод) (+):2H + +2e=H 2 — восстановление (1)

А (анод) (-): Me — ne →Me n + – окисление

К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — — восстановление (2)

В случае атмосферной коррозии на электродах происходят следующие электрохимические реакции (причем на катоде, в зависимости от среды могут протекать различные процессы):

А (анод) (-): Me→Me n + +ne

К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — (в щелочной и нейтральной среде)

К (катод) (+): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (в кислой среде)

Защита от коррозии

Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металлов покрытиями, в качестве которых чаще всего используют металлы, покрывающиеся на воздухе оксидными пленками, устойчивыми к действию внешней среды; обработка коррозионной среды; электрохимические методы (катодная защита, метод протекторов).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Деталь состоит из сплава железа и никеля. Какой металл будет быстрее разрушаться при коррозии? Запишите уравнения анодного и катодного процессов при атмосферной коррозии. Значения стандартных электродных потенциалов E(Fe 2+ /Fe)= — 0,444В, E(Ni 2+ /Ni)= -0,250В.
Решение	В первую очередь коррозии подвергаются активные металлы (обладающие самыми отрицательными значениями стандартных электродных потенциалов), в данном случае – это железо. О сайте Контакты Реклама Написать нам