Теория коррозионных процессов

Теория коррозионных процессов

Коррозия (от лат. corrosio – разъедание) — это процесс самопроизвольного разрушение твёрдых тел, вызванное химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой. Распространённый и наиболее знакомый всем нам вид коррозии – ржавление железа. Кроме коррозии, металлические (в частности, строительные) конструкции подвергаются действию эрозии — разрушению поверхности материала под влиянием механического воздействия, её 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.  Не следует путать понятия «коррозия» и «ржавчина», если коррозия — это процесс, то ржавчина один из его результатов. 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 металла и некоторых его сплавов в результате коррозии. Коррозионному разрушению подвержены также бетон, строительный камень, дерево, другие материалы, коррозия полимеров называется — деструкцией. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

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.

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. Поглощённая 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, то есть 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 замедляется.

Классифицируются коррозионные процессы:

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

Коррозия, 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 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 не электропроводных 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⁺ = H₂) и восстановление растворённого кислорода (4е + O₂ + 4H⁺ = 2H₂O или 4е + O₂ + 2H₂O = 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 плёнки 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). Контактная коррозия — соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих замкнутый гальванический элемент. 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 других организмов, и радиационную коррозию — при воздействии радиоактивного излучения.

Для установления скорости коррозии металла в данной среде обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла.

 Показатели скорости коррозии:

• Показатель изменения массы

Показатель изменения массы — изменение массы образца в результате коррозии, отнесённое 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 плёнки продуктов коррозии.

Если состав продуктов коррозии известен, то можно сделать пересчёт 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.

• Объёмный показатель коррозии

К — объём поглощённого или выделившегося в процессе газа V отнесённый к единице поверхности металла и единице времени. К= об. V / s объем газа обычно приводят к нормальным условиям. Применительно к электрохимической коррозии когда процесс катодной деполяризации осуществляется за счёт 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 объём выделившегося Н в процессе коррозии, отнесённый к Su. Кислородный показатель коррозии — это объем поглощённого в процессе О, отнесённый к Su.

• Показатель сопротивления

Изменение электрического сопротивления образца металла за определённое 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, то есть 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 объёмного к глубинному возможен при равномерной коррозии.

Виды коррозии:

• Газовая коррозия
• Атмосферная коррозия
• Коррозия при неполном погружении
• Коррозия по ватерлинии
• Коррозия при полном погружении
• Коррозия при переменном погружении
• Подземная коррозия
• Биокоррозия
• Коррозия внешним током
• Коррозия блуждающим током
• Контактная коррозия
• Коррозия при трении
• Фреттинг-коррозия
• Сплошная коррозия
• Равномерная коррозия
• Неравномерная коррозия
• Местная коррозия
• Подповерхностная коррозия
• Точечная коррозия
• Коррозия пятнами
• Сквозная коррозия
• Послойная коррозия
• Нитевидная коррозия
• Структурная коррозия
• Межкристаллитная коррозия
• Избирательная (селективная) коррозия
• Графитизация чугуна
• Обесцинкование
• Щелевая коррозия
• Ножевая коррозия
• Коррозионная язва
• Коррозионное растрескивание
• Коррозия под напряжением
• Коррозионная усталость
• Предел коррозионной усталости
• Коррозионная хрупкость

10-бальная шкала для оценки общей коррозионной стойкости металлов

 Потеря массы и толщины цинкового покрытия за год эксплуатации  при атмосферных условиях окружающей среды ISO 12944-2 и ISO 9223

Примечание: в прибрежных районах с теплым влажным климатом потери массы или снижение толщины могут превышать границы категории С5-М.

Категории коррозии в воде и почве