Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для магистрантов выс­ших учебных заведений, изучающих дисциплины коррозии, введен­ные в Государственные образовательные стандарты по направлени­ям «Металлургия».

Основная цель курса — формирование у магистрантов системы зна­ний по обоснованию и реализации ресурсосберегающих решений при выборе конструкционных материалов и защите их от коррозии во всех сферах природной и производственной деятельности.

Несмотря на очевидную дифференциацию природных и промыш­ленных условий, разнохарактерность организационно-управленчес­ких структур, различие в специфике трудовых процессов, необходима разработка единой научной методологии, объединяющей следующие основополагающие направления инженерного противокоррозионно­го обеспечения:

• анализ обратимых и необратимых деградационных процессов, протекающих в материалах при различных условиях их экс­плуатации;

• количественная оценка общих и локальных потерь; нормиро­вание способов, средств и критериев получения информации о состоянии объектов;

• создание и выбор коррозионностойких материалов;

• разработка комплекса мероприятий по защите металлов от кор­розии.

Курс «Защита металлов и методы коррозионных испытаний» является комплексной дисциплиной и базируется на знаниях, полученных при изучении фундаментальных химических и общеинженерных дисциплин.

В результате изучения дисциплины» магистранты должны знать:

• основы теории коррозионных процессов в газовых и жидких электропроводящих средах;

• общие сведения о состоянии и изменении свойств конструкци­онных материалов под влиянием техногенных и антропогенных факторов;

• основные источники коррозионного воздействия на конструк­ционные материалы при строительной и производственной де­ятельности, их качественные и количественные характеристи­ки, методы и способы прогнозирования надежности оборудо­вания и последствий коррозионного воздействия;

• комплексного обеспечения защиты материалов от коррозии.

Используя эти знания, магистранты должны уметь:

• оценить характер влияния окружающей или производственной среды на закономерности течения коррозионных процессов;

• выбрать конструкционный материал;

• обосновать конструкцию аппарата и комплекс мероприятий по защите оборудования и транспортных коммуникаций от корро­зионного воздействия окружающей среды.

Глава 1 коррозионная характеристика металлов и сплавов

1. Конструкционные материалы на основе железа

Конструкционные материалы на основе железа — чугуны и ста­ли — являются самыми распространенными конструкционными ма­териалами как по объему их производства, так и по частоте исполь­зования.

Железо существует в двух аллотропических формах, α и γ. α - железо называется ферритом, оно магнитно, имеет ОЦК решетку и стабильно при Т < 910 °С и Т > 1401 °С. Устойчивая при вы­соких температурах форма феррита называется δ-феррит. γ -железо имеет ГЦК решетку, не обладает магнитными свойствами и называ­ется аустенитом. ПДК в воде — 0,1 мг/л. Железо (так же, как хром и марганец) относится к черным металлам. В природе оно всегда существует в окисленной форме (в виде руд), содержащей в своем составе также С, О, S, Mn, Cr, Ni и другие элементы.

Стандартный потенциал для реакции Fe²⁺ + 2е = Fe равен - 0,44 В, а для

реакции Fe³⁺ + 3е =Fe равен - 0,036 В. Однако реально измеряемый на практике потенциал значительно отличает­ся от равновесного.

В присутствии кислорода или других окислителей железо пас­сивируется и его стационарный потенциал приближается к +0,1 В. Если в растворе находится ион водорода или галоидные ионы, потен­циал железа сдвигается в отрицательную сторону и может достигать значений - 0,6 В.

В большинстве сред, за исключением растворов минеральных кислот, при коррозии железа образуются нерастворимые продукты коррозии — ржавчина.

Первичный анодный процесс приводит к образованию ионов двухвалентного железа Fe²⁺. В нейтральных растворах образует­ся гидроксид Fe(II)-Fe(OH)₂, растворимость которого равна 1,64*10^-3 г/л. При наличии в растворе О₂ протекает дальнейшая реак­ция — образование гидроксида трехвалентного железа Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃

Последний имеет растворимость ≈ 4,8 ∙10^-8 г/л, т.е. значительно меньше, чем Fe(OH)₂.

Образование ржавчины происходит в растворе в непосредствен­ной близости от корродирующей поверхности. Ржавчина покрывает металл рыхлым слоем. Она обладает плохим сцеплением с металли­ческой поверхностью и поэтому плохо защищает железо от коррозии. Состав ржавчины может быть переменным и его выражают общей формулой:

nFe(OH)₂ ∙ mFe(OH)₃ ∙ qH₂О,

где n,m,q — целые числа.

Железо не является коррозионно-стойким материалом. В атмо­сферных условиях скорость его коррозии в 5-10 раз превышает ско­рость коррозии цинка, никеля, меди [1].

Практически все конструкционные материалы на основе железа в тех или иных количествах содержат в своем составе углерод. Рас­смотрим диаграмму фазового равновесия Fe-C. Первым исследова­телем указанной диаграммы был Д. К. Чернов, который обнаружил так называемые «критические точки» (температуры): 770°С - маг­нитное превращение (точка Кюри); 910 °С - превращение α→γ; 1401 °С - превращение γ→α(δ); 1534°С - плавление; 3200 °С - кипение. Однако поскольку растворимость самого углерода в желе­зе низка и при превышении предела его растворимости выделяется карбид железа—цементит (Fе₃С), то, как правило, рассматривают не стабильную диаграмму состояний Fe-C, а метастабильную Fe-Fe₃C (рисунок 1.1). На диаграмме соответственно сплошными и пунктирны­ми линиями обозначено метастабильное и стабильное равновесие. Линии АВ, ВС, CD являются линиями солидус, линии АН, HN, JE — ликвидус. Линии NH, NJ, ES, E^IS^I, GO, GS, GP, OS, PK, P'K', PQ, МО, очерчивают области равновесий, имеющих место в твердой фа­зе. Линии HJB, E'C'F, ECF являются линиями эвтектического, а ли­нии P'S'K' и PSK — эвтектоидного равновесия. Указанным линиям соответствуют следующие температуры (таблица 1.1.)

Таблица 1.1 - Температуры, соответствующие линиям эвтектического и эвтектоидного равновесия в системе Fe-Fe₃С

Температура	Линия на диаграмме Fe-Fe 3С
	HJB	E'C'F	CF	P'S'K'	PSK
t,°С	1493	1153	1147	738	723

Содержания углерода, соответствующие основным точкам на диа­грамме Fe-Fe₃C, приведены в таблице 1.2.

Рисунок 1.1 - Полная диаграмма состояния системы Fe-C

Таблица 1.2 - cодержание углерода, отвечающее характерным точкам на диаграмме Fe-Fe₃C

Концентрация	Точка на диаграмме Fe-Fe3C
	В	С	CI	Н	J	Е	Е'	S	S'	Р	Q	О
С, масс.%	0,53	4,30	4,25	0,10	0,16	2,06	2,03	0,80	0,69	0,025	0,006	0,50