Коррозия. Лекция 6 (2012-2013)

Коррозионная характеристика металлов и сплавов 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 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+ + Зе ↔ 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 • qH₂O

где n,m,q — целые числа.

Железо не является коррозионностойким материалом. В атмосферных условиях скорость его коррозии в 5-10 раз превышает скорость коррозии цинка, никеля, меди.

Практически все конструкционные материалы на основе железа в тех или иных количествах содержат в своем составе углерод и соответственно сплавы системы Fе-Fе₃С подразделяются на стали и чугуны в зависимости от содержания в них углерода. К первым относятся сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,03 %. Чугуны имеют в своем составе более 2,03 % С

Структура сталей определяется содержанием в них углерода. В момент полного затвердевания структура сталей, содержащих менее 0,1% С, чисто ферритная (δ-феррит). Полное затвердевание сталей, содержащих 0,1-0,16% С, заканчивается образованием ферритно-аустенитной структуры, содержание δ-феррита в которой изменяется от 0 до 100 % .Стали с содержанием углерода 0,16-0,51 % имеют ферритно-аустенитную структуру, образование которой связано с расходом в процессе охлаждения первоначально образовавшегося δ-феррита. Сплавы, содержащие 0,51-2,03 % С, имеют чисто аустенитную структуру, образование которой начинается с первых моментов затвердевания жидкого металла.

Кроме углерода в состав сталей всегда входят и многие другие химические элементы, как специально вводимые для придания металлу определенных свойств и называемые легирующими, так и неизбежно попадающие в металл из рудных материалов. Такие элементы называются примесными.

Примесные элементы могут образовывать с железом твердые растворы замещения (если их атомный диаметр отличается от атомного диаметра Fe не более, чем на 15 %) или внедрения (если их атомный диаметр составляет не более 0,59 % атомного диаметра Fe). Взаимодействуя друг с другом или с железом, примесные элементы образуют в структуре сталей неметаллические включения — оксиды, сульфиды или оксидосульфиды, количество, химический состав и структура которых определяются технологией выплавки металла.

К сталям обычного качества относятся сталь 1, сталь 2, сталь 3 и т.д., различающиеся содержанием углерода (0,15-0,45 %) и механическими свойствами.

Маркировка качественных сталей — сталь 10, 15, 20 и т.д. соответствует среднему содержанию в них углерода (в сотых долях %).

Стали с содержанием легирующих компонентов не более 3-5 %, объединены в группу углеродистых или низколегированных. Их область применения: основная масса оборудования и металлоконструкций.