Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Оборудование и материалы для производств неорганических веществ. Учебно-методическое пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Рис. 1. Коррозиометр. Прибор для определения скорости коррозии

Металл

(мате-

риал)

Электролит и его

концен-

трация

Площ.

поверх-

ности,

S , см

Вре-

мя,

τ, мин

Начальная мас-

са,

, г

Ко-

неч-

ная

масса,

mк, г

Объем выдел.

водорода

мл/см

Относит.

объем

выдел.

водорода,

см3/см2

1 2 3 4 5 6 7

по объему выделившегося водорода: 1 – емкость с кислотой;

2 – образец металла; 3 – воронка; 4 – измерительная бюретка;

5 – кран

Измерения объема выделившегося газа проводят с помощью бюретки (4), нижняя часть которой соединена с воронкой (3), опущенной в стакан (1). Раствор наливают в стакан и с помощью водоструйного насоса или груши засасывают его в бюретку до определенной метки через кран (5). Затем бюретку отключают от насоса. Подготовленные образцы в стеклянном держателе помещают под воронку и проводят измерения показаний уровня жидкости в бюретке через определенные промежутки времени.

После окончания испытаний образцы хорошо промывают проточной и дистиллированной водой, высушивают и взвешивают на тех же аналитических весах и с той же точностью. Раствор из бюретки выливают.

Результаты измерений заносят в таблице.

Таблица

Результаты измерений

По результатам работы необходимо:

пас

76,8×=K

10002,110××

VМ

1. Вычислить массовые потери (г/м

·ч):

. (4)

2. Вычислить глубинный показатель коррозии (мм/год):

, (5)

где 8,76 – коэффициент для перехода от измерения весового показателя скорости коррозии в расчете на 1 ч к глубинному показателю в рас-

чете на 1 год (24 ч · 360 = 8760 ч); К – скорость коррозии, г/(м ρ – плотность, г/см

(см. приложение).

·ч);

В том случае, если в процессе испытаний металл перешел в пассивное состояние, необходимо определить время коррозии, а массовые потери разделить не на все время испытаний, а на то, в течение которого происходило растворение.

3. Построить графики:

а) объем водорода, отнесенный к единице поверхности (V / S

мл/см2) от времени испытаний, мин;

б) изменение относительного объема водорода во времени (∆V/S·τ, мл/см

·мин), время в мин.

Для построения первого графика необходимо объем водорода, полученный за каждый отсчет, разделить на поверхность образца. Для построения второго графика необходимо найти разницу показаний относительного объема водорода между ближайшими отсчетами и разделить на время между отсчетами.

4. По общему объему водорода, выделившемуся за время опыта, можно вычислить массовые потери в граммах (в случае сплавов условно принимается, что происходит растворение основного компонента).

Потери массы, г:

, (6)

где

)273(760

273

+×

××

, (7)

где М – атомная масса металла; Vo – объем выделившегося водорода, приведенный к нормальным условиям; N – степень окисления металла; V

– измеренный объем водорода, мл; Р – давление, мм рт. ст.;

T – температура раствора, °С.

5. По окончании исследований дать заключение о стойкости образцов и влиянии изучаемых факторов на нее.

Контрольные вопросы

1. Понятие коррозии. Виды коррозии.

2. Электрохимическая коррозия. Механизм процесса.

3. Влияние различных факторов на коррозию металлов.

4. Классификация коррозионностойких материалов.

5. Металлические конструкционные материалы. Их выбор химического оборудования.

6. Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость металлов.

7. Методы исследования коррозионной стойкости металлов.

для

Лабораторная работа 3

ЖАРОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: изучить окисление металлов при высоких темпе-

ратурах и их устойчивость газовой коррозии.

Общие сведения

Жаростойкость – это способность металлических материалов противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или иных газообразных сред при высоких температурах. Жаростойкость наряду с жаропрочностью является основным критерием пригодности материалов для эксплуатации при высоких температурах.

Жаростойкость одного и того же металла зависит от многих внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся температура, состав газовой среды, скорость ее движения, парциальное давление окислителя. Внутренними факторами являются химический состав металла, который определяет кристаллическую структуру и защитные свойства образующихся оксидов, а также структура и чистота обрабатываемой поверхности.

Известно, что большинство металлов, соприкасаясь с воздухом, образуют на поверхности продукты коррозии, представляющие собой оксидные соединения. Окисление металлов в газах начинается уже при обычной температуре и на воздухе, но в большинстве случаев не выявляется внешне, а только сопровождается образованием тонких оксидных пленок или адсорбционных слоев.

При повышении температуры увеличивается скорость химических процессов и усиливается газовая коррозия, пленки на поверхности металла начинают утолщаться за счет взаимной диффузии металла и реагента через ранее образовавшийся слой продуктов коррозии. Толщина слоя оксидных соединений на поверхности металла колеблется в широких пределах – от очень малой, мономолекулярной, до относительно большой, порядка нескольких микрометров.

При окислении железа кислородом при высоких температурах возможно образование различных соединений. Оксидная пленка на железе имеет слоистый характер. На границе металл–воздух образуется монооксид железа (FeO), который устойчив при температурах более

570 °С. При низких температурах он не образуется, а при медленном охлаждении распадается с выделением железа. Затем следует промежуточный слой монооксида-оксида железа Fe3O4 (магнетит). На внешней поверхности пленки находится высший оксид Fe2O3 (гематит). Гематит при нагревании более 1100 °С частично разлагается, а при температуре плавления железа полностью диссоциирует на железо и кислород.

Скорость газовой коррозии зависит от многих факторов: температуры, длительности воздействия газовой среды на металл, природы и химических свойств металла и газа (большей частью кислорода воздуха), а также свойств образовавшихся продуктов коррозии (оксидов металла). Образующаяся оксидная пленка может защищать металл от дальнейшего окисления. Такие пленки бывают плотными, сплошными, устойчивыми в агрессивной среде, хорошо сцепляются с основным металлом и имеют близкий к нему коэффициент теплового расширения. Если продукты коррозии рыхлые, пористые, то они не затрудняют доступ газа и не замедляют, а усиливают коррозию.

Скорость образования пленок на металле определяется скоростью взаимной двусторонней диффузии через пленку агрессивной среды к металлу и атомов металла по направлению к внешней среде. Если пленки обладают защитными свойствами, то по мере их роста скорость коррозии уменьшается. Чем более высокими защитными свойствами обладает пленка, тем меньше скорость двусторонней диффузии реагентов через нее, а следовательно и скорость ее роста.

Окисление металлов описывается различными законами. Если на поверхности металла образуются несплошная пленка или летучие продукты коррозии, то окисление обычно происходит по прямолинейному закону. Окисление большинства металлов, применяемых в технике, описывается по параболическому закону. Но при наличии трещин в окалине, что может иметь место при циклическом нагреве и охлаждении, окисление протекает по логарифмическому закону. В таких случаях кривая окисления получается ступенчатой.

Однако окисление металлов по тому или иному закону в чистом виде обычно не происходит. При изменении температуры наблюдается изменение закона окисления почти для всех металлов. При низких температурах окисление металла часто происходит по логарифмическому закону, при более высоких – по параболическому. Наличие примесей в металле также может сильно изменить свойства поверхности металла и характер его реакций с кислородом.

Кроме того, при длительном испытании некоторых металлов

AeK-=

(хром, алюминий, кремний) и сплавов, содержащих эти металлы (при определенных температурах) наблюдается искажение основного закона окисления – кривые окисления обращаются в прямые линии, почти параллельные оси времени. Процесс газовой коррозии практически прекращается, и константа скорости окисления становится близкой к нулю. Отклонение от того или иного закона находится в тесной связи со строением образующихся продуктов окисления, с их прочностью и сплошностью.

Из технических газов одними из самых агрессивных являются хлор и хлористый водород, так как при повышении температуры хлориды многих металлов становятся летучими. В этом случае на поверхности металла отсутствует защитный слой и металл окисляется с высокой скоростью по прямолинейному закону.

С повышением температуры интенсивность окисления металлов и сплавов сильно возрастает, так как повышается скорость диффузии, что приводит к увеличению константы скорости окисления. Температурная зависимость константы скорости окисления подчиняется экспоненциальному закону.

, (1)

где А – константа, зависящая от металла и среды; Е – энергия активации, зависящая от температуры металла и среды, Дж/моль; R – газовая постоянная, Дж/моль·К; Т – абсолютная температура, К.

Для улучшения механических и технологических свойств сталей в их состав вводят легирующие добавки. Для повышения жаростойкости сталей в железо вводят в основном хром, алюминий, кремний. Повышение жаростойкости сталей объясняется образованием на их поверхности плотных сплошных тонких пленок, состоящих из оксидов легирующих элементов.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называется жаропрочностью. Жаропрочные стали и сплавы предназначены для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и другого оборудования, работающего под нагрузкой при высоких температурах. Жаропрочность сталей обеспечивается легированием никелем, хромом, молибденом, титаном, вана-

дием, вольфрамом и другими тугоплавкими металлами. Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С.

Скорость газовой коррозии часто определяют по изменению массы испытуемого образца, отнесенной к единице поверхности и к определенному промежутку времени. Если в результате коррозии получается хорошо держащаяся на поверхности металла окалина, то наблюдается увеличение массы образца, если же продукты окисления не удается сохранить полностью, то окалину удаляют и определяют потерю массы образца. Удаление окалины вносит некоторые погрешности в результаты исследований.

Изучение кинетики окисления металлов можно производить различными методами:

1. Путем непрерывного нагрева и взвешивания испытуемого ме-

талла в процессе выдержки при заданной температуре.

2. Путем периодического нагрева образцов, выдерживания их течение определенного времени при заданной температуре и охлаждения до начальной температуры с последующим взвешиванием.

Наиболее точные результаты дает первый метод. Однако, так как на практике оборудование часто эксплуатируют в условиях непрерывной смены температуры, второй метод также представляет интерес.

Необходимые принадлежности

1. Испытуемые образцы различных металлов.

2. Муфельная печь с регулируемой температурой.

3. Аналитические весы с разновесами.

4. Тигли.

5. Масштабная линейка.

6. Наждачная бумага.

7. Фильтровальная бумага.

Проведение работы и обработка результатов

Испытуемые образцы зачищают наждачной бумагой, протирают фильтровальной бумагой и измеряют их размеры масштабной линейкой. Одновременно с подготовкой образцов следует включить печь и нагреть ее до заданной температуры.

При определении газовой коррозии периодическим (статическим) методом каждый образец взвешивают и укладывают в отдель-

ный, предварительно прокаленный до постоянной массы тигель, снова взвешивают вместе с тиглем на аналитических весах. После того как печь будет нагрета до заданной температуры в нее устанавливают образцы с тиглем и выдерживают необходимое время. Далее осторожно извлекают из печи, охлаждают и повторно взвешивают на тех же весах образцы с тиглем и без него. Первое взвешивание производят через 1– 2 мин. Каждое последующее взвешивание рекомендуется производить через 10–15 мин в течение часа.

Для проведения непрерывных (динамических) испытаний необходимо пользоваться обычными аналитическими весами, у которых левая чашка снята и заменена платиновой или нихромовой проволокой с укрепленным тиглем на конце. Тигель установлен над печью шахтного типа. Образец укрепляют на конце проволоки в тигле и опускают в печь, предварительно нагретую до заданной температуры, которая измеряется с помощью термопары. Печь закрывается крышкой, в которой есть отверстие, через которое пропущена проволока. Необходимо следить, чтобы проволока не прикасалась к крышке, а образец – к стенкам печи. В ходе испытаний изменяется масса образца, которую уравновешивают разновесами, помещенными на правую чашу весов. Для повышения чувствительности следует использовать образец с большей поверхностью, например пластины размером 10×15×1 мм. Взвешивая образец через определенные промежутки времени определяют скорость коррозии. Для ускорения взвешивания образцов в печи их предварительно можно взвесить на технических весах. Вследствие того, что определяется изменение веса, нулевую точку весов не устанавливают.

Первые измерения проводят через 1–2 мин после внесения образца в печь, считая, что образец сильно не окислится, а лишь примет температуру печи. Каждое последующее взвешивание следует производить через одинаковые интервалы времени (10–15 мин) в течение одного часа. Продолжительность измерений при каждой температуре сохраняется одинаковой.

После завершения измерений при данной температуре образец следует вынуть из печи, осмотреть и, если возможно, изучить и описать состав и структуру оксидной пленки. Данные занести в отчет. Затем нужно печь разогреть до более высокой температуры (согласно заданию). После достижения этой температуры в печь вносится новый образец того же металла и производятся аналогичные измерения.

Полученные результаты сводятся в таблицу.

Таблица

Образца

Площадь

поверх-

ности,

S, м

Темпе-

ратура в

печи,

Т,

Началь-

ная

масса

обр.,

н,

Конечная

масса

обр.,

, г

Изм.

массы

обр., ∆m, г

Отно-

сит.

изме-

нение

массы

обр.,

P, г/м

Наблю-

дения

1 2 3 4 5 6 7

PD=

Результаты эксперимента

Условия опыта: Состав (марка) материала ___________, размеры________, мм, газовая фаза____.

Относительное изменение массы образца отпределяется по формуле

, (2)

где ∆m – изменение массы пластины при обжиге, г; S – площадь по-

верхности, м

По результатам работы необходимо:

1. Установить закон окисления.

Чтобы установить закон окисления необходимо прострои

ть

графики в координатах относительное изменение массы – время: р – τ;

– τ и р – lgτ.

Если график в координатах р – τ отвечает прямой линии, то это означает, что окисление происходит по прямолинейному закону.

Если прямая линия получается для графика в координатах р

– τ,

то это значит, что окисление происходит по закону параболы.

График в координатах р – lgτ представляет прямую линию, если окисление металла следовало логарифмическому закону.

2. Определить значение константы скорости окисления К

при

каждой температуре:

– для металлов, окисляющихся по прямолинейному закону К =Р/τ;

– для металлов окисляющихся по параболическому з

акону

К = Р2/τ;

– при логарифмическом законе окисление К = Р/lg τ.

Определив значение К при различных температурах, можно вы- числить величины Е и А и, таким образом, получить уравнение окис- ления данного металла. Имея такое уравнение можно с известной точ-

ностью определить срок службы металла при любых температурах

AK -= lnln

)

(lnln

TTR

KK -=-

3,2)lg(lg

RKK

×-

KA += lnln

3,2

lglg +=

(в пределах исследованных и близких к ним).

Расчет величин энергии активации Е и константы А (уравне- ние 1) производится следующим образом. Обозначим константы скорости окисления, полученные при температурах t но, через К

, К2, К3. Для удобства расчета уравнение (1) представим

после логарифмирования. Тогда

, (3)

где i есть Т

= t1+ 2730; Т2 = t2+ 2730; Т3 =t3 + 2730.

Таким образом, для определения двух неизвестных имеются три уравнения.

Значения Е можно определить по разности логарифмов кон- станты окисления. Например:

, t2, t3 соответствен-

(4)

или

. (5)

Для проверки следует произвести такие же расчеты, используя разности InК

– InK3 и InК2 – InК3.

Из полученных трех значений Е нужно взять среднее. Если опы- ты и расчеты были произведены тщательно, то эти величины должны быть близки между собой. Вычислив Е, можно определить значение константы А из уравнения

(6)

или

. (7)

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 97 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]