ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.П. Горшунова Б.А. Спиридонов

В.А. Небольсин

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2012

УДК 620.197

Горшунова В.П. Коррозия и защита металлов: учеб. пособие / В.П. Горшунова, Б.А. Спиридонов, В.А. Небольсин. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 131 с.

В учебном пособии рассматриваются теоретические вопросы, связанные с коррозией металлов и способами защиты от коррозии. Представлен практический материал по методам защиты металлических конструкций.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям подготовки бакалавров 210400 «Радиотехника», 211000 «Конструирование и технология электронных средств», 220400 «Управление в технических системах», 140400 «Электроника и электротехника», 210100 «Электроника и наноэлектроника», 223200 «Техническая физика», дисциплине «Химия».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле «Коррозия металлов.doc».

Табл. 7. Ил. 39. Библиогр.: 4 назв.

Рецензенты: кафедра химии Воронежской государственной лесотехнической академии (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф.

Л.И Бельчинская);

канд. техн. наук, доц. О.Н. Болдырева

© Горшунова В.П., Спиридонов А.Б., Небольсин В.А., 2012

© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012

ВВЕДЕНИЕ

Учение о коррозии металлов возникло на границе двух наук - металловедения и электрохимии. На электрохимическую природу коррозионных процессов указывалось еще в начале прошлого столетия (теория локальных элементов де ля Рива, 1830 г.) Одна­ко коррозия металлов как самостоятельное научное направление сформировалось значительно позднее, в 20—30-е годы нашего столетия благодаря фундаментальным работам Акимова и его школы, Эванса и др. Этому в немалой степени способствовали успехи, достигнутые к тому времени теоретической электрохими­ей, физической химией, металлографией, физикой твердого тела, а также целым рядом инженерных дисциплин, связанных непосредствен­но или косвенно с коррозионными процессами.

Успехи в области теории коррозии позволили научно подойти к разработке разнообразных методов борьбы с ней. В наши дни решение разнообразных проблем коррозии ме­таллов способствует, по словам известного американского спе­циалиста по коррозии Г. Улига, «снижению огромных экономиче­ских потерь и ужасающей утечки природных ресурсов, вызывае­мой разрушением металла».

Пособие состоит из трех глав. В первой главе даны основы метал­ловедения, включая вопросы строения, структуры и свойств сплавов. Вторая глава посвящена теоретическим вопросам коррозии металлов. Представлены основные виды коррозии – химическая и электрохими­ческая коррозия. Рассмотрены основные кинетические закономерности процессов. Уделено внимание атмосферной, морской и почвенной коррозии. Описаны основные методы защиты от коррозии, в том числе все варианты электрохимической защиты, а также обработка коррозионной среды. В третьей главе приведены особенности коррозионных процессов в нефтегазовом комплексе и методы предотвращения коррозии, причем обращено внимание на рациональный выбор материалов с целью защиты от коррозии. Таким образом, пособие поможет подготовить будущего специалиста к решению научных и инженерных задач в об­ласти коррозии металлов, которые он может встретить в своей практической деятельности.

Глава 1. Основы металловедения

1. Кристаллизация и структура металлов

   1. Строение металла

Металлы составляют группу элементов, объединенных ря­дом характерных свойств. Металлы пластичны, обладают вы­сокой электропроводностью и теплопроводностью, имеют по­ложительный температурный коэффициент электросопротивле­ния и своеобразный металлический блеск. Эти физические свойства объясняются строением металлов, их атомно-кристаллической структурой. Все без исключения металлы в твердом состоянии кристалличны. Напомним, что кристаллическое состояние характеризуется строгой закономерностью во взаим­ном расположении атомов, которые образуют пространствен­ную кристаллическую решетку.

Основная и определяющая особенность металлов — наличие так называемой металлической связи между атомами кристал­лической решетки. Валентные электроны металлов (обычно не больше трех на внешнем энергетическом уровне), будучи отно­сительно слабо связанными с ядром атома, образуют своего рода электронный газ, заполняющий пространство между ионами. Каждый тип кристаллической решетки может быть охарактеризован элементарной кристаллической ячейкой, кото­рая многократно повторяется в решетке кристалла. Размеры кристаллической ячейки соизмеримы с размерами атомов и ис­числяются ангстремами.

Для металлов характерны два типа кристаллической ре­шетки — кубическая и гексагональная. Кубическую решетку имеют металлы группы железа (железо, никель, β-кобальт), благородные металлы (платина, золото, серебро) и медь, а также алюминий, хром, свинец, β-титан. Следует подчеркнуть, что простую кубическую решетку (рис. 1,а) имеет только один металл — α-полоний, все остальные металлы обладают плотноупакованными решетками — объемноцентрированной (ОЦК) (рис. 1,б) или гранецентрированной (ГЦК) (рис. 1,в). Гексагональная решетка характерна для цинка, кадмия, магния, α-кобальта, α-титана. И в этих случаях решетка является не простой, а плотноупакованной. Кроме атомов, расположенных в углах шестигранной призмы (рис. 2), имеются еще три атома внутри призмы — в плоскости, равноудаленной от горизонтальных кристаллографических плоскостей, и по одному в центрах этих плоскостей.

Рис. 1. Элементарные кубические ячейки:

а — простая; б — объемноцентрированная; в — гранецентрированная

Причина плотной упаковки атомов заключается в реализа­ции стремления системы к минимальной свободной энергии связи.

Р ис.2.Гексагональная

плотноупакованная элементарная

ячейка

Компактность упаковки определяется коэффициентом компактности, и координацион­ным числом.

Если представить себе атомы решетки в виде со­прикасающихся шаров, то коэф­фициент компактности можно оп­ределить как отношение объема атомов-шаров к общему объему. Таким образом, чем больше пу­стот между шарами, тем меньше коэффициент компактности.

По­добная модель условна, но наг­лядна. Координационное число выражает количество ближай­ших равноудаленных атомов (а точнее ионов) по отношению к любому атому, лежащему в уз­ле решетки. Чем выше коорди­национное число, тем плотнее упаковка атомов в решетке. В табл. 1 даны параметры компакт­ности типов решеток, характер­ных для металлов.

Каждый металл определяется каким-то одним типом ре­шетки. При наличии полиморфизма, однако, модификации ме­талла могут относиться к различным типам решетки. Так, α -железо имеет объемноцентрированную кубическую, ячейку,

а γ - железо — гранецентрированную кубическую; α - титан имеет гексагональную ячейку, а β - титан — объемноцентрированную кубическую.

Таблица 1

Параметры компактности некоторых типов кристаллических решеток

Тип решетки	Коэффициент компактности	Координа­ционное число
Кубическая простая	0,52	6
Кубическая объемноцентрированная	0,68	8
Кубическая гранецентрированная	0,74	12
Гексагональная плотноупакованная	0,74	12

Характерной особенностью кристаллов вообще и металлов в частности является анизотропия, или векториальность, свойств. Анизотропией называется зависимость химических, физических и механических свойств от направления осей моно­кристалла. Например, предел прочности искусственно выра­щенного монокристалла меди при изменении направления при­ложенных сил возрастает от 14 до 35 кг/мм². В то же время предел прочности образца обычной пирометаллургической меди составляет величину порядка 23 кг/мм² независимо от того, в каком направлении приложено напряжение растяжения. Чем объяснить такое несоответствие?

Дело в том, что образец реального металла состоит из мно­жества беспорядочно ориентированных кристалликов непра­вильной формы, называемых кристаллитами. Такое строение металла называется поликристаллическим. Из-за хаотического расположения осей кристаллов происходит усреднение некото­рых свойств, и как следствие наблюдается кажущееся исчезно­вение анизотропии. Такое явление носит название квазиизотро­пии, т. е. ложной изотропии.

Другой особенностью кристаллического строения является наличие плоскостей скольжения, или плоскостей спайности в кристаллах. Это означает, что при механическом воздействии на кристалл его деформация или разрушение происходят не хаотично, а только по строго определенным плоскостям, харак­терным для данного типа кристаллической решетки. Например, для простой кубической решетки плоскости скольжения указа­ны на рис. 3.

Наконец, третьей особенностью кристаллических тел явля­ется их способность зарождаться и расти из жидкой фазы под действием охлаждения или постоянного электрического тока. В последнем случае процесс, как известно, называется электро­кристаллизацией и распространяется только на металлы и не­которые оксиды металлов.