отчет
.docxМинистерство образования и науки Российской Федерации
ФГ БОУ ВПО УГНТУ
Кафедра ТНА
Отчет принял: С.Е. Черепашкин
ОТЧЕТ
по учебной практике
на тему: «Методы коррозионных исследований»
Выполнил: СТГР МК-10-01
Мустафина Гузель Ришатовна
Уфа 2011
Газовая коррозия – коррозия металлов в газах при высоких температурах. Этот вид коррозии является частным случаем химической коррозии и возможен только в условиях, исключающих протекание электрохимических процессов. Характерная способность газовой коррозии – отсутствие на поверхности металла влаги. Газовая коррозия металлов имеет место при работе многих металлических деталей и аппаратов (двигателей внутреннего сгорания, элементов электронагревателей, газогенераторов, при термической обработке металла и т. д.). На скорость газовой реакции влияют целый ряд факторов, и прежде всего такие, как температура и состав газовой среды. При повышении температуры скорость коррозии заметно увеличивается. Особенно сильной коррозии подвергаются металлы и сплавы в условиях высоких температур в среде таких газов, как хлор, хлористый водород, сернистые соединения, окислы азота, окись углерода.
В случае окисления металлов и сплавов при высоких температурах в металлической фазе протекает диффузия растворившихся в металле компонентов, точечных дефектов в форме вакансий и легирующих компонентов. Эти процессы могут проявляться как каждый в отдельности, так и в различных сочетаниях.
В основе внутреннего окисления лежит формирование продукта реакции внутри металлической фазы, отличившегося по физико-химическим свойствам от исходного металла. Внутреннее окисление происходит при условии растворимости окислителя в металле, причем подвижность растворенного окислителя в металле должна быть больше, чем подвижность электроотрицательного компонента сплава. При этом скорость диффузии окислителя растет параболически.
Зона внутреннего окисления возникает в сплавах, имеющих легирующую добавку. Так, в сплаве железо — никель окалина состоит из окислов железа, и поверхность сплава более инертна к коррозии, поэтому в металлической фазе возникают два противоположно направленных потока частиц разных металлов (Ni и Fe) и одновременно происходит диффузия кислорода в глубь сплава. Если сплав окисляется полностью внутри, т. е. без поверхностной окалины, то образуются две зоны: внутренняя, состоящая из основного металла без включения легирующего элемента, и внешняя, состоящая из основного металла и включений легирующего элемента и окислителя.
Внутреннее окисление при отсутствии внешней пленки обычно происходит в сплавах на основе золота, серебра, никеля и др. При этом глубина зоны окисления увеличивается пропорционально квадратному корню из времени и зависит от молярной доли легирующего компонента в сплаве. Такое окисление наблюдается при 850°С.
Внутреннее окисление при образовании внешней пленки происходит в сплавах типа Cu — Be, Cu — Аl, Cu — Zn, Ni-Cr и др. При 800-1000°С внешняя пленка растет за счет диффузии к поверхности ионов более благородного металла. Например, образование слоя ВеО в сплаве Cu - Be препятствует диффузии катионов меди к внешней части пленки, но благодаря наличию пор окисление меди может происходить путем переноса кислорода в газовой фазе через поры.
В сплавах Ni — Cr частицы внутреннего окисла Cr2O3 выходят во внешнюю пленку. Дальнейшее взаимодействие окисла с поверхностной пленкой, состоящей из NiO, происходит за счет растворения ионов Cr3+ в решетке NiO и выпадения NiCr2O4 или путем реакции в твердой фазе с образованием того же соединения. Внутренние окислы обычно выпадают в форме сферических частиц или длинных параллельных пластинок, ориентированных перпендикулярно к внешней поверхности и распределенных в ней равномерно.
Для изучения механизма высокотемпературного окисления применяют изотопы, в частности для цветных металлов 35S. Исследуемый металл сначала окисляют в среде без радиоактивных изотопов. Через определенное время в окислительную среду вводят изотоп и окисляют до образования окалины определенной толщины. Если окислительный процесс происходит благодаря диффузии металла, направленной наружу, то радиоактивный изотоп обнаруживается только в тонких наружных слоях. Когда окисление направлено от металла (например, от меди под тонким слоем золота), изотоп обнаруживается в наружном и внутренних слоях окалины.
Основными способами защиты сплавов от газовой коррозии металла являются рациональный подбор состава сплава, создание защитных поверхностных слоев, предварительная обработка сплавов в окисляющих средах в условиях пониженных температур.
Методы исследования процессов коррозии
О развитии коррозионных процессов при эксплуатации техники можно судить, выполняя непосредственные измерения коррозионных эффектов (глубины, площади повреждения, массы продуктов коррозии и т. п.) или фиксируя изменения в результате коррозии некоторых характеристик металла (механической прочности, электропроводности и т. п.), или осуществляя дистанционно-периодические проверки эксплуатационных факторов (температурно-влажностного режима, концентрации загрязнений в воздухе и т. п.) и работоспособности узлов и агрегатов (приборов) машин.
При исследовании коррозии условия эксплуатации можно моделировать на образцах металлов с учетом значимых факторов (лабораторные испытания), деталях и узлах на коррозионно-климатических станциях или микологических площадках на опытных образцах техники (испытания в природных условиях). Испытания могут быть длительными и ускоренными. Иногда применяют экспресс-методы.
Сведения о методах коррозионных испытаний и критериях оценки коррозионных эффектов приведены показаны на рис. 1. Кратко рассмотрим те из них, которые находят применение при эксплуатации машин, оборудования и сооружений.
При эксплуатации машин применяют визуальный метод, он позволяет установить изменение микрогеометрии поверхности металла и защитного покрытия, адгезию последнего (вздутия, растрескивание, отслаивание), вид коррозионного разрушения. Его используют для оценки сплошной коррозии и некоторых видов местной коррозии: пятнами, точечной и др. Местную коррозию оценивают по глубине поражений и занимаемой ими площади поверхности. Обычно для оценки коррозионного эффекта используют десятибалльную шкалу коррозионной стойкости.
Недостаток разработанных ранее шкал – расхождение в значениях коррозионных баллов. Разработана универсальная шкала оценки состояния металлоконструкций, по которой коррозионное состояние оценивают соответствующей группой стойкости (0–V) или в баллах (0–10). Элементы конструкции, не подвергающиеся коррозии в данных условиях эксплуатации, относят к нулевой группе (совершенно стойкие) и оценивают в 0 баллов. При интенсивном протекании коррозионных процессов разрушения металлов относят к пятой группе (совершенно нестойкие) и оценивают в 10 баллов.
О начальных стадиях общей коррозии блестящих металлических поверхностей можно судить по изменению коэффициента отражения света, замеряя величину фототока с помощью фотоэлектрических блескомеров ФБ-2, ФМ-58 и др.
Металлографические методы позволяют обнаруживать начальные стадии структурной коррозии. Их применение возможно в условиях эксплуатации металлоконструкций без отбора образцов.
Химические и электрохимические методы позволяют идентифицировать состав металла элементов конструкции и продуктов коррозии, определить кислотность среды, оценить качество покрытий, выявить анодные и катодные зоны в условиях неравномерной и местной коррозии металлов, гетерогенные включения в металле, выходящие на его поверхность, используя капельный способ с применением соответствующего раствора или наложением влажной индикаторной бумаги.
Методы механических испытаний состоят в сравнение механических свойств металла до и после коррозии. Они включают испытания на растяжение, изгиб, ударную вязкость. В особых случаях определяют другие механические свойства металла (предел выносливости, текучести и др.).
Иногда баки, трубопроводы и т. п. испытывают на прочность воздухом и водой. При таких испытаниях фиксируют предельные значения давления рабочего тела (воздуха, жидкости), по которым рассчитывают усилия разрушения конструкции для сравнения со стандартными.
Испытания позволяют установить влияние условий эксплуатации и коррозионных процессов на прочностные и другие физико-механические характеристики элементов конструкции.
Известны следующие критерии оценки коррозионных эффектов:
-
очаговый показатель коррозии kп – число коррозионных очагов, возникающих на единице металлической поверхности за определенный промежуток времени в данных условиях эксплуатации;
-
глубинный показатель коррозии kр – характеризует среднюю или максимальную глубину коррозионного разрушения металла за определенное время эксплуатации изделий, например, мм/год; для измерения питтингов может быть использован индикатор повышенной чувствительности;
-
показатель склонности металла к коррозии kс – срок эксплуатации (испытания) до начала коррозионного процесса, ч (сут). Начало коррозионного процесса определяют состоянием поверхности металла, при котором коррозионное поражение достигло 1 % площади;
-
показатель изменения массы металла kт – уменьшение или увеличение массы металла во время эксплуатации (испытания) за счет потерь или роста продуктов коррозии, г/(м2*ч);
-
механический показатель коррозии, например прочностной, характеризующий изменение предела прочности металла за время эксплуатации, %;
-
электрический показатель коррозии, например токовый, соответствующий скорости коррозионного процесса мА/см2, или показатель изменения электросопротивления поверхности металла за время эксплуатации, %.
рисунок 1 Классификация коррозионных испытаний
Разнообразие факторов коррозионных процессов и механизмов их протекания требует индивидуального подхода к выбору метода коррозионных испытаний и оценки коррозионных эффектов.
Методы ускоренных испытаний должны учитывать условия эксплуатации, в частности, основные значимые факторы. Ускорения коррозионного процесса при этом нельзя достичь за счет изменения его механизма, например, введением более агрессивного компонента другой природы. Режим испытания необходимо подобрать таким образом, чтобы обеспечивалась высокая скорость коррозии в течение всего периода испытаний.
Ускорение процесса атмосферной коррозии может быть достигнуто созданием условий периодической конденсации влаги на поверхности изделий, повышением концентрации коррозионного компонента. Ускорение процесса микробиологической коррозии может быть достигнуто применением температурного (влажностного) режима, питательной среды и штаммов микроорганизмов, вызывающих при эксплуатации наиболее интенсивные разрушения.
Использование для ускорения коррозии повышенной температуры допустимо при учете других факторов. Фактор температуры влияет на время контакта электролита с металлом, при этом коррозионные эффекты могут быть низкими в области воздействия высоких температур (Средняя Азия). Поэтому применение температурного фактора с целью ускорения процесса коррозии возможно с учетом фактора увлажнения поверхности.
Результаты ускоренных испытаний могут быть использованы для прогнозирования реальных коррозионных процессов только в том случае, если есть адаптированные модели последних. Следует избегать методов прямой экстраполяции по коэффициентам жесткости.
Экспресс-методы исследования коррозионных процессов при эксплуатации и ремонте машин занимают особое место.
Своевременное обнаружение коррозии металлов, находящихся в контакте с агрессивной средой, в частности определение склонности металла к межкристаллитной коррозии (МКК) и выявление ее начальных стадий, имеет большое значение для безаварийной эксплуатации оборудования, например, в химической промышленности. Перспективен экспресс-метод коррозионного испытания сталей типа 12Х18Н9Т на склонность к МКК кипячением в 65 %-ной азотной кислоте. Склонность к МКК оценивают химическим путем (фотоколориметрическим или спектрофото-колориметрическим анализом раствора). Если отношение перешедших в раствор ионов трехвалентного железа к ионам шестивалентного хрома составляет 1 : 4,5, сталь не склонна к МКК; если это отношение 1 : (4,5 ... 20) – склонна или имеет начальную стадию разрушения по механизму МКК, не определяемую визуально. Основное преимущество метода – возможность использования для анализа металлической стружки, взятой с поверхности конструкций вблизи ожидаемых зон разрушения металла.
Разработан метод определения склонности и начальных стадий МКК металлографическим путем непосредственно на элементах металлических конструкций, находящихся в эксплуатации или изъятых из изделий при проведении технического обслуживания. Шлифы делают в продольном сечении. После шлифования, обезжиривания и травления поверхности определяют расположение границ зерен. Замкнутые границы зерен характеризуют склонность металла к МКК или ее начало.
Для выявления структуры металла на поверхности элементов конструкций, находящихся в эксплуатации, разработана специальная ячейка. Устройство выполнено в виде накидной шайбы под объектив микроскопа. Внутреннее пространство разделено тонкой стеклянной перегородкой, изолирующей объектив микроскопа от электролита и имеющей два штуцера для прокачивания электролита и уплотняющую прокладку, обеспечивающую плотное прилегание к поверхности испытуемого узла. Устройство позволяет наблюдать процесс во времени. Для ускорения процесса травления испытуемый узел подключают к положительному полюсу источника постоянного тока.
Поверхности коррозионно-стойких сталей полируют электронатиранием с предварительным нанесением на поверхность пленки раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ). При интенсивном образовании продуктов коррозии производят травление электронатиранием кислым и щелочным раствором.
Для определения коррозионного состояния (диагностики) и своевременного выявления возможных коррозионных отказов находящиеся в эксплуатации машины периодически проверяют. В каждый момент времени состояние конструкции можно характеризовать коррозионным эффектом (КЭ), определяющим стойкость металлов и покрытий к воздействующим факторам. При этом необходимо знать, укладывается ли КЭ в пределы допустимых или выходит из них. Выход фактических значений КЭ за пределы допустимых значений – признак опасного коррозионного состояния.
Для дистанционных проверок возможно применение устройства с датчиком емкостного типа. Таким устройством осуществимы дистанционные замеры влажности поверхности металла и рН пленки влаги.
Дистанционное определение коррозионного состояния в перспективе дает возможность проводить ускоренные испытания с постановкой управляемого эксперимента и моделирования отдельных стадий процесса коррозии. Создание и внедрение устройств для автоматических измерений параметров коррозионных процессов позволит не только решить задачи контроля коррозии, но и шире внедрить методы защиты от коррозии воздействием на среду, автоматическое регулирование параметров электрохимической защиты, дозирование летучих ингибиторов коррозии и биоцидов и т.п.
К методам автоматического измерения параметров процессов коррозии и устройствам для их реализации предъявляют следующие требования:
-
обеспечение достоверных результатов измерений наиболее простым путем;
-
своевременность обнаружения опасного коррозионного состояния;
-
возможность строгого учета и контроля факторов, влияющих на воспроизводимость результатов измерений;
-
избирательность регистрации параметров отдельных видов коррозии, а в отдельных случаях возможность получения интегральных оценок коррозионных эффектов;
-
минимальное влияние измерительной аппаратуры на ход коррозионного процесса;
-
возможность автоматизации сбора и обработки информации. Рекомендуемые методы коррозионных испытаний и показатели оценки различных видов коррозии даны в таблице 1 и 2.
Таблица 1
Классификация методов исследования коррозионных процессов по аппаратному оформлению и оценок коррозионных эффектов
Таблица 2 Классификация и методы определения показателей коррозии
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Методы исследования старения полимерных материалов |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Цель исследования старения полимерных материалов и ЛКП – определение их стойкости против процессов старения и достаточности мер защиты. В задачи исследования входит: определение значимых факторов, оказывающих наибольшее влияние на процессы старения полимерных материалов и ЛКП в данных условиях эксплуатации; выявление механизма (особенностей) изменения свойств материалов и характеристик изделий в результате старения для определения возможности моделирования процесса; оценка эффективности средств и систем стабилизации полимеров и методов защиты их от старения; диагностика состояния узлов, включающих полимерные материалы и ЛКП, на определенных стадиях эксплуатации техники; прогнозирование сроков эксплуатации изделий с учетом количественных характеристик состояния полимеров, входящих в узлы конструкций; решение теоретических вопросов старения полимерных материалов и совершенствование методологии исследований; изыскание новых эффективных стабилизаторов старения, комплексного действия и разработка методов комбинированной и комплексной защиты конструкций техники от коррозии, старения и биоповреждений. Методы исследования старения можно разделить на две группы: испытания в искусственных и в естественных условиях. Первые составляют группу лабораторных испытаний и проводятся преимущественно на образцах материалов и покрытий; вторые объединяют подгруппы: испытания в природных условиях и эксплуатационные испытания, которые проводятся на образцах, узлах и изделиях. Лабораторные испытания подразделяют на имитационные, позволяющие получить модели, подобные эксплуатирующимся объектам с учетом выбранных значимых факторов, и ускоренные, позволяющие проводить испытания в более жестких условиях и получить менее точные модели, но в более короткий период времени. Испытания в природных условиях объединяют испытания на климатических станциях, испытания с использованием гелиоустановок, комбинированные и комплексные. Эксплуатационные испытания могут подразделяться на испытания при опытной эксплуатации (специально выделенные объекты) и испытания, проводимые непосредственно во время эксплуатации объектов, при этом их разделяют на динамические, статические и переменные. Все перечисленные группы подразделяют на виды испытаний с учетом характера их проведения и ожидаемых результатов (рис. 2). Лабораторные испытания имеют следующие цели: определение стойкости полимеров к влиянию искусственно создаваемых факторов по отдельности или при их совместном воздействии, в том числе при имитации влияния климатических факторов; установление характера влияния компонентного состава полимеров, технологических, конструктивных и других особенностей на стойкость к старению; выявление сравнительной стойкости к старению различных полимеров и модификаторов при идентичных условиях испытаний; определение ориентировочного срока службы данного полимера в конкретных условиях испытания; достижение перечисленного в сжатые сроки (при ужесточении факторов). Могут быть поставлены и более узкие цели: определение теплостойкости, светостойкости, влагостойкости, климатической стойкости; определение роли масштабного фактора и др. В качестве методов исследования процесса старения рекомендуется использовать: а) гравиметрический метод (по изменению массы образца); б) метод балльной оценки (по изменению внешнего вида, площади и глубины разрушения полимера); в) определение проницаемости Р (по исследованию коэффициентов диффузии D и растворимости S); г) метод механических испытаний (по изменению прочностных и деформационных характеристик); д) методы изменения физико-химических свойств полимеров: спектральный; радиоактивных изотопов; электропроводности; диэлектрической проницаемости; измерения микротвердости; е) методы регистрации движущихся границ вещества в полимере: авторадиографический; оптический; люминесцентного анализа; кислотно-основных индикаторов химического анализа; ж) определение адгезии покрытий. При проведении климатических испытаний учитываются интегральные показатели температуры, влажности, светового потока за цикл испытаний. Комбинированные методы выполняются с учетом попеременного или одновременного воздействия набора климатических и других факторов. Наибольшее значение имеют комплексные испытания, так как они позволяют объединить реально протекающие процессы, например, коррозии и старения, биоповреждений и старения, а также перечисленные совместно. Однако методология их проведения достаточно сложна и требует предварительного анализа и обоснования. При проведении испытаний целесообразно использовать основные показатели процессов старения и критерии оценки стойкости полимерных материалов. Характерный показатель процесса старения – показатель свойства полимерного материала, по изменению величины которого контролируют процесс. Скорость старения – основной количественный показатель процесса, выражающий изменение характерного показателя старения в единицу времени. Коэффициент старения – безразмерная величина, определяемая относительным изменением показателя старения полимера в фиксируемый интервал времени. Основной критерий, характеризующий способность объектов сохранять свойства в определенных (заданных или требуемых) пределах в условиях воздействия факторов старения, – стойкость к старению. Кроме этого, важнейшими критериями стойкости полимеров к старению являются эксплуатационная пригодность и срок сохранения свойств. Эксплуатационная пригодность – состояние, при котором полимерный материал обеспечивает работоспособность изделия, а показатели соответствуют значениям, установленным в технической документации. Срок сохранения свойств – продолжительность хранения и эксплуатации объекта в условиях, установленных технической документацией, до нарушения эксплуатационной пригодности. Кроме этого, различают следующие виды (качественные и количественные показатели) стойкости к старению: климатическая (термическая, радиационная) стойкость, свето-, морозо-, влаго-, водостойкость и т. д. (в соответствии с классификацией процессов старения по факторам среды). Они характеризуют стойкость объектов старения к соответствующему виду старения (климатическому, термическому и т. п.).
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рисунок 2 Классификация испытаний процессов старения
Оценку стойкости полимерных материалов к старению осуществляют качественно или количественно. Качественная оценка проводится по балльной системе. Известны системы от трехбалльной (по изменению массы и механических показателей) до десятибалльной (по срокам службы полимерных материалов и покрытий). Количественная оценка проводится по изменению основных показателей процессов старения в соответствующих единицах измерения при использовании определенных методов исследования.
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|