- •Глава 1. Основы металловедения
- •Кристаллизация и структура металлов
- •Строение металла
- •1.1.2. Кристаллизация металла
- •1.1.3. Изменение структуры металла
- •1.1.4. Изучение структуры металла
- •1.2. Строение сплавов
- •1.2.1. Правило фаз
- •1.2.2. Сплав - механическая смесь
- •1.2.3. Сплав - твердый раствор
- •1.2.4. Сплав - химическое соединение
- •1.2.5. Тройные сплавы
- •1.2.6. Электролитические сплавы
- •1.3. Свойства сплавов
- •Глава 2. Коррозия металлов
- •2.1. Определение и методы исследования коррозии
- •2.1.1. Классификация коррозионных процессов
- •2.1.2. Методы оценки коррозии
- •2.1.3. Методы коррозионных исследований
- •2.2. Химическая коррозия
- •2.2.1. Внешние факторы газовой коррозии
- •2.2.2. Оксидные пленки
- •2.2.3. Методы защиты от газовой коррозии
- •2.2.4. Коррозия в неэлектролитах
- •2.3. Электрохимическая коррозия
- •2.3.1. Причины возникновения коррозии
- •2.3.2. Коррозионная диаграмма Эванса
- •2.3.3. Коррозия с водородной и кислородной деполяризацией
- •2.3.4. Влияние внешних факторов на скорость коррозии
- •2.3.5. Влияние внутренних факторов на скорость коррозии
- •2.3.6. Атмосферная коррозия
- •2.3.7. Морская коррозия
- •2.3.8. Подземная коррозия
- •2.3.9. Электрокоррозия
- •2.4. Методы защиты от электрохимической коррозии
- •2.4.1. Обработка коррозионной среды
- •2.4.2. Катодная защита
- •2.4.3. Протекторная защита
- •2.4.4. Анодная защита
- •Глава 3. Коррозионные процессы в нефтегазовом комплексе и методы предотвращения коррозии
- •3.1. Особенности эксплуатации металлов в процессе транспортировки и хранения нефти, нефтепродуктов и газа
- •3.2. Коррозия металлов при контактировании с нефтепродуктами
- •3.3. Рациональный выбор конструкционных материалов
- •3.4. Применение органических покрытий с целью предотвращения коррозии газонефтепроводов
- •3.5. Методы электрохимической защиты трубопроводов
- •3.6. Защита трубопроводов от блуждающих токов
- •3.7. Методы защиты трубопроводов от внутренней коррозии
- •Глава 1. Основы металловедения…………………….4
- •Глава 2.Коррозия металлов……………………………...41
- •Глава 3. Коррозионные процессы в нефтегазовом комплексе и методы предотвращения коррозии……………………………………………….……109
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
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
Кристаллизация и структура металлов
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.