Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка качества материалов. Учебное пособие
.pdf
St
St
A
5. ОЦЕНКА КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ
МАТЕРИАЛОВ
Оценка коррозионной стойкости металлов. Коррозионные
испытания позволяют определить влияние различных факторов
(физико-химических, технологических, эксплуатационных) на
скорость коррозии металла, т.е. определить его коррозионную
стойкость. Коррозионную стойкость металлов можно оценить по
следующим показателям:
а) по изменению массы металла при коррозии, отнесенной к
единице поверхности и единице времени. Эту величину называют
массовым показателем коррозии
mm
−
n
V
8760
ρ
нк
(73)
(74)
,
(75)
4
10826−⋅= ,
,
(76)
К
= ,
масс
где mн и mк – соответственно начальная и конечная масса образца
металла; S – площадь поверхности образца; t – время коррозии;
б) по объему выделяющегося или поглощаемого при коррозии
газа (Н2, О2), отнесенному к единице поверхности металла и единице
времени (объемный показатель)
К
= ,
об
где Коб – объемный показатель коррозии; V – объем выделяющегося
(поглощаемого) газа, см3;
в) по уменьшению толщины образца металла, выраженной в
линейных единицах и отнесенной к единице времени. Это показатель
коррозии, характеризующий среднюю глубину разрушения металла за
единицу времени (мм/год) – глубинный показатель
К
масс
=
П
1000
где ρ – плотность металла, г/см3; 8760 – число часов в году.
Такой показатель удобен для технических расчетов при
определении толщины стенки аппарата или трубопровода;
г) по плотности коррозионного тока
Кi
масскор
101
где n – степень окисления металла, переходящего в раствор; А –
атомная масса металла; 26,8 – постоянная Фарадея, А·ч.
Для количественной и качественной оценок коррозионной
стойкости металлов по ГОСТ 13819-68 установлена десятибалльная
шкала коррозионной стойкости (табл.16).
Для количественной оценки коррозионной стойкости металлов
можно использовать любое свойство или характеристику металла,
которые существенно и закономерно изменяются при коррозии. Так,
межкристаллитную коррозию можно оценить по относительному
изменению механических (прочностных) или физических
(электрическая проводимость) свойств.
Таблица 16
Десятибалльная шкала для оценки общей коррозионной
стойкости металлов
Группа стойкости Скорость коррозии металла, мм/год Балл
Совершенно стойкие <0,001 1
0,001-0,005 2 Весьма стойкие
0,005-0,01 3
0,01-0,05 4 Стойкие
0,05-0,1 5
0,1-0,5 6 Понижено стойкие
0,5-1,0 7
1,0-5,0 8 Малостойкие
5,0-10,0 9
Нестойкие >10,0 10
Оценка коррозионной стойкости неметаллов. Несмотря на
большое количество коррозионностойких металлов и сплавов, эти
конструкционные материалы в ряде производств не могут
удовлетворить растущие потребности промышленности, как с
качественной, так и с количественной стороны. Применение
неметаллических материалов во многих случаях является более
эффективным.
Оценку стойкости неметаллических материалов принято
задавать в виде трехбалльной шкалы в зависимости от степени
набухания или изменения прочностных параметров (табл.17).
102
Таблица 17
Система оценки стойкости неметаллических материалов
Оценка Набухание, % Изменение прочности и
относительного удлинения, %
Стойкие (С) Менее 5 Менее 10
Относительно
стойкие (ОС)
Нестойкие (Н) Более 10 Более 20
Основные правила коррозионных испытаний можно
сформулировать следующим образом: испытуемый образец должен
иметь точную характеристику (химический состав, структуру,
происхождение) и предельно простую форму (для механических
испытаний форма должна быть стандартной).
При лабораторных испытаниях используются образцы
следующих размеров: для листовых материалов 25×50 мм; для
цилиндрических образцов диаметр 10-20 мм, высота 40 мм; для
дисков диаметр 30 мм, толщина 5-10 мм. Для испытаний берется не
менее 3-4 одинаковых образцов, поверхность которых перед
испытанием тщательно очищается. Для сокращения времени,
необходимого для проведения коррозионных испытаний, применяют
ускоренные методы: металлы испытывают в условиях более жестких,
чем обычные эксплуатационные.
Определение скорости коррозии по изменению электрического
сопротивления образцов основано на том, что продукты коррозии
металла имеют электрическую проводимость значительно (на
несколько порядков) меньшую, чем металл. Поэтому коррозия будет
вызывать рост электрического сопротивления испытуемого образца.
При таких испытаниях измеряют изменение отношения
электрического сопротивления образца R к его начальному значению
бычно за R0 принимают электрическое сопротивление образца,
R0. О
покрытого коррозионно-стойким лаком. При коррозии отношение
R/R0 увеличивается.
ассовый показатель коррозии связан с изменением
М
электрического сопротивления металла следующим соотношением
5-10 10-20
103
(
)
К
масс
975
=
( )
1
−
R/RR
0
−+
1
,
tR/RR
0
(77)
где R – электрическое сопротивление, Ом; t – время, ч.
Сопротивление образцов измеряют с помощью электрической
схемы равновесного моста.
Если коррозия неравномерна, то по изменению электрического
сопротивления тонкого образца можно определить глубинный
показатель коррозии, но для этого необходимо определить потери
массы металла
m/m
0
,
R/R
0
(78)
где D0 – и
D
П
0
t
∆
−=
14830
∆
сходный диаметр образца, мм; t – время испытаний, ч;
∆m/m0 – относительная потеря массы образца; ∆R/R0 – относительное
изменение сопротивления образца.
Пример 1.
Масса образца металла (плотность 9,70 г/см3) с поверхностью
10,0 см2 в процессе коррозионных испытаний изменилась на 5,8395 г.
Время испытаний составило 48 часов. Определите глубинный
показатель коррозии П (мм/год) и оцените коррозионную стойкость
металла по десятибалльной шкале.
Последовательность решения задачи
Сначала находим массовый показатель коррозии
К
−
нк
=
масс
=
St
г 5,8395
2
ч 48см 10,0
⋅
2
),/(,
чсмг0120
⋅=
mm
затем находим глубинный показатель коррозии
8760
П
масс
=
1000
=
ρ
2
)/(,К
⋅
ч/год8760чсмг0120
⋅⋅
3
г/см9,701000
=
см/год,0110
,
по
полученному значению П = 0,11 мм/год в таблице 16 находим, что
металл относится к понижено стойкой группе (6 баллов).
Пример 2.
Объем выделившегося водорода в процессе коррозионных
104
A
56
испытаний образца площадью 15 см2 в течение 27 часов составил
100 см3. Определить объемный показатель коррозии.
Последовательность решения задачи
3
см 100
2
нк
ч 27см 15
⋅
=
===
23
)./(,
чсмсм250
⋅=
г 0,5
2
ч 18см 12,5
⋅
2
002010826
2
⋅=
),/(,
чсмг0020
109110826
⋅=⋅⋅⋅=⋅=
744
−−−
.А,,,,
.Ом,
об
V
==
St
К
Пример 3.
Вычислить плотность коррозионного тока, если изменение
массы стального образца составило 500 мг за 18 часов испытаний
(металл – углеродистая сталь, размер плоского образца –
стандартный).
Последовательность решения задачи
Сначала находим массовый показатель коррозии
mm
К
масс
−
=
St
затем находим плотность коррозионного тока
Кi
n
масскор
Пример 4.
Методом поляризационных диаграмм были определены
коррозионный ток исследуемого материала (0,015 А) и потенциал
коррозии (250 мВ). Найдите поляризационное сопротивление. Как оно
изменится, если после введения добавки в агрессивную среду
величина тока коррозии уменьшится в два раза?
Последовательность решения задачи
U
R 716
0,250
I
,0150
Согласно этому уравнению уменьшение тока в 2 раза приведет к
увеличению сопротивления в 2 раза.
Атмосферная коррозия – это разрушение металлов во влажных
средах при температуре окружающей среды. При этом преобладают
электрохимические гетерогенные процессы на границе раздела фаз
105
«поверхность металла – тонкий слой влаги, сконденсировавшейся на
поверхности металла». Гетерогенный электрохимический процесс
атмосферной коррозии часто сопровождается кислородной
деполяризацией, но в условиях промышленной атмосферы,
содержащей различные агрессивные газы, коррозионный процесс
может протекать и за счет водородной деполяризации. На скорость
процесса атмосферной коррозии влияют характер атмосферы,
продолжительность воздействия, состав металла и состояние его
поверхности. Влажность, температура и степень загрязнения
атмосферы влияют на качество и состав образующихся на
поверхности металла пленок влаги, причем в таких слоях становится
возможным возникновение концентрационной поляризации.
Наиболее агрессивны среды, сильно загрязненные
промышленными отходами – СО2, SO2, NO2, NH3, HCl, ч
солей, угольной пылью; менее активны чистые и сухие
континентальные атмосферы. О влиянии состава атмосферы на
скорость коррозии можно судить и по следующим данным: в сельской
атмосфере скорость коррозии стали составляет 100-250 г/(м2·год), а в
промышленной атмосфере 450-500 г/(м2·год), для цинка
соответственно 7-20 и 40-80 г/(м2·год).
В промышленных районах атмосферная коррозия может
интенсифицироваться под действием так называемых кислотных
дождей, основными агрессивными составляющими которого являются
H2SO4 и HNO3. Выделяющийся в атмосферу SO2 растворяется в каплях
воды с образованием сернистой кислоты H2SO3, которая подвергается
фотохимической реакции в каплях под действием ультрафиолетового
излучения с образованием сернокислотного тумана. Присутствующие
в водяных каплях ионы марганца или железа служат катализаторами
этого процесса. Образование сернокислотного тумана ускоряется в
результате окислительного действия Н2О2 и озона. Кислотные дожди
(рН<4) легко вызывают коррозию сплавов алюминия, железа, цинка.
В зависимости от влажности атмосферы различают несколько
видов атмосферной коррозии: мокрую, влажную и сухую коррозию.
Мокрая атмосферная коррозия наблюдается при капельной
конденсации влаги на поверхности металла при относительной
влажности воздуха, равной 100%. Так корродируют металлические
астицами
106
конструкции под воздействием дождя, снега, тумана, т.е. прямого
попадания влаги. Влажная атмосферная коррозия возникает при
влажности в атмосфере ниже 100% и сопровождается адсорбционной,
капиллярной и химической конденсацией на поверхности металла.
Адсорбционная конденсация – это процесс образования тончайшего
слоя молекул воды, связанных с поверхностью металла
адсорбционными силами. В зависимости от состояния металлической
поверхности на ней при влажности немного ниже 100% может
адсорбироваться слой влаги в несколько десятков молекулярных
слоев. Основные этапы процесса конденсации:
а) образование пленки мономолекулярного адсорбционного слоя
воды;
б) осаждение мельчайших капелек воды при понижении
температуры;
в) образование сплошной пленки влаги по всей поверхности
металла.
В случае шероховатой или запыленной поверхности образуется
молекулярный слой воды. Химическая конденсация влаги (хемосорбция
воды) – это процесс дальнейшего развития адсорбционной конденсации.
Для этого процесса характерно образование гидроксидов. Капиллярная
конденсация преимущественно проходит в зазорах, щелях и пр.
Сухая атмосферная коррозия проходит при относительной
влажности <60%, т.е. под действием кислорода воздуха. В этом случае
наблюдается лишь потускнение поверхности металла вследствие
образования пленки из продуктов коррозии. Процесс разрушения в
случае сухой атмосферной коррозии подобен химическому процессу
роста оксидных пленок на поверхности металла. Пленка на металле в
условиях сухой атмосферной коррозии растет очень медленно и рост
ее быстро прекращается, однако сухая атмосферная коррозия при
появлении на металлической поверхности тончайших пленок влаги
переходит во влажную атмосферную коррозию, а при попадании
брызг – в мокрую атмосферную коррозию.
На скорость атмосферной коррозии влияют свойства
образующихся продуктов коррозии, в частности их гигроскопичность.
Так, гигроскопичные продукты коррозии меди и никеля в атмосфере,
загрязненной сернистыми газами, способствуют интенсивному
107
поглощению влаги поверхностью металла и дальнейшему усилению
коррозии. Негигроскопичные продукты коррозии алюминия хорошо
предохраняют металл от дальнейшего разрушения даже при наличии в
атмосфере диоксида серы.
На скорость атмосферной коррозии влияет контакт металлов,
электродные потенциалы которых неодинаковы.
При конструировании пользуются стандартными правилами для
определения возможного контакта металлов. Допустимы такие
контакты, при которых скорость коррозии анода составляет
0-50 г/(м2·год), относительно допустимы – при скорости
50-150 г/(м2·год), не допустимы, если скорость коррозии превышает
150 г/(м2·год).
Все металлы условно разделены на пять групп: I группа –
магний; II –
стали, свинец, олово; IV – никель, хром, хромистые стали,
хромоникелевые стали; V – медно-никелевые сплавы, медь, серебро.
Допустимым считается контакт металлов, входящих в одну и ту же
группу. Металлы каждой последующей группы усиливают коррозию
металлов предыдущей группы. Внутри группы металлы подвергаются
коррозии, находясь в контакте с металлами, расположенными в
группе за ними.
Меры по защите металлов от атмосферной коррозии зависят от
конструктивных и эксплуатационных особенностей машин и
аппаратов, но основное их назначение – затормозить анодный и
катодный процессы. Традиционно применение сплавов устойчивых в
атмосферных условиях и защитных покрытий. Среди временных мер
защиты: масла и смазки, осушители, инертные атмосферы, летучие
ингибиторы коррозии.
Пример.
Можно ли использовать алюминиевые заклепки для соединения
стальных элементов конструкции?
Последовательность решения задачи
Алюминий относится к II г
Следовательно, использовать такие заклепки нельзя, так как сталь
будет усиливать коррозию алюминия.
цинк, алюминий, кадмий; III – железо, углеродистые
руппе, а сталь – к IV группе.
108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время области применения материалов уже
сформировались. Сталь является основным материалом в
машиностроении, станкостроении, производстве военной техники,
транспортных средств, строительных конструкций, в производстве
оборудования для пищевой промышленности, упаковочных
материалов и т.д. Алюминий, отличающийся низкой плотностью,
наиболее широко применяется при производстве транспортных
средств, строительных конструкций, упаковочных материалов, в
электротехнической промышленности. Пластмассы получили
широкое применение в производстве упаковочных материалов,
мебели, пищевого оборудования и посуды, электротехнических
изделий, бытового оборудования и т.д.
Дальнейшее развитие производства и технический прогресс
будут вносить изменения в эти области. Причиной таких изменений
станет конкуренция разных материалов и появление новых отраслей
техники и промышленности, требующих новых материалов;
разработка материалов с новыми свойствами.
Таким образом, все массовые материалы имеют
сформировавшиеся устойчивые области использования, которые не
совпадают. В некоторых случаях возможно использование для одних
и тех же целей нескольких материалов, что создает конкуренцию,
приводящую к повышению их качества и эффективности применения.
Необходимо отметить, что объемы производства и потребности
экспорта и импорта главных конструкционных материалов и
состояние рынка этих материалов в отдельных странах будут
определяться, прежде всего, показателями их экономического
развития. Так, в развивающихся странах основным конструкционным
материалом будет цемент, а потребление стали, алюминия и
пластмасс будет низким. В развитых странах, наоборот, при низком и
даже сокращающемся потреблении цемента будет расти применение
пластмасс, а в некоторых странах – алюминия. Удельное потребление
стали будет сохраняться на достигнутом уровне.
Область применения и масштабы использования
промышленных материалов определяются их инженерно-
109
техническими свойствами, экономическими и экологическими
показателями их производства и применения. Влияние инженернотехнических свойств промышленных материалов определяется тем,
насколько материалы отвечают требованиям технической задачи и
организации промышленного производства. На основе изучения
опыта предприятий, конструкторских и исследовательских
организаций и судя по состоянию рынка материалов можно сделать
вывод о том, что основное значение придается механическим
(прочность, упругость, деформируемость, жесткость) и термическим
(температуроустойчивость) свойствам. В отдельных случаях важное
значение могут иметь плотность (удельная масса), коррозионная
стойкость, возможность формообразования и ряд других свойств.
Анализ данных показывает, что разная физическая природа групп
материалов определяет существенное различие их свойств. Они
отличаются прежде всего по прочности, упругости и вязкости.
Металлы, обладающие высокой вязкостью разрушения, имеют более
высокий модуль упругости, однако уступают керамике по
нормативной прочности. Эти различия затрудняют замену одного
материала, например металла, другим, например полимером. Наличие
значительного количества единичных характеристик затрудняет
анализ и сопоставление различных материалов. Понятно, что для
решения такого рода задач необходимо, чтобы оценка материалов
была комплексной. Сейчас существует множество различных методов
оценки качества промышленной продукции. Однако, как показывает
анализ, специальных работ, посвященных комплексной оценке качества промышленных материалов, явно недостаточно.
Ряд работ посвящен разработке статистических критериев
качества материалов. В некоторых в качестве такого критерия
предлагается принять вероятность выхода значений механических
характеристик за нижнюю границу, установленную ГОСТ. При этом
обращается внимание на проблему по установлению экономически
выгодного и практически реализуемого уровня механических свойств,
зафиксированного в ГОСТ. Нахождение оптимальной нижней
границы представляет собой сложную задачу, однозначного решения
которой до настоящего времени не существует. Кроме того,
предлагаемые статистические критерии не отражают физической
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]