9

l.2. Ход выполнения работы

В настоящей лабораторной работе изучение газовой коррозии производится при высокой температуре в муфельной печи, температура в которой контролиру-

ется с помощью хромель-алюмелевой термопары, соединенной с цифровым вольтметром. В ходе экспериментов изучается влияние на газовую коррозию тем-

пературы, продолжительности коррозии и природы металла в зависимости от конкретного задания.

В качестве задания к лабораторной работе преподавателем может быть пред-

ложен один из следующих вариантов исследований:

а) при постоянной температуре и продолжительности опыта изучить влияние природы металла на скорость газовой коррозии;

б) исследовать влияние температуры окружающей среды на скорость корро-

зии конкретного металла;

в) исследовать скорость газовой коррозии во времени.

Порядок исследования.

1.Включить печь и нагреть ее до необходимой температуры.

2.Подготовить образцы к испытаниям:

определить площадь исследуемых образцов;

удалить с их поверхности продукты коррозии зачисткой наждачной бума-

гой;

промыть образцы водой, обезжирить этиловым спиртом, высушить, про-

маркировать.

3.Взвесить образцы исследуемых металлов на аналитических весах.

4.Загрузить образцы в печь. Зафиксировать время. При загрузке в печь рас-

полагать образцы в тиглях так, чтобы они не экранировали друг друга.

5.По окончании процесса коррозии достать образцы из печи, охладить и описать их внешний вид.

6.Удалить продукты коррозии в соответствующих растворах или ластиком.

7.После удаления продуктов коррозии образцы тщательно промыть, проте-

10

реть этиловым спиртом, высушить.

8.Взвесить образцы без продуктов коррозии.

9.Экспериментальные данные записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Экспериментальные данные по газовой коррозии

1.3.Обработка экспериментальных данных

1.По количеству прокорродировавшего металла определить массовый пока-

затель коррозии Кm = m/St г/см2 ·ч.

2. Исходя из средней величины Km, полученной при обработке параллель-

ных опытов, определить глубинный показатель коррозии П (П=Кm/g), где g -

плотность металла, г/см3. Выразить глубинный показатель в мм/год и по его вели-

чине в соответствии с таблицей коррозионной стойкости металлов определить жаростойкость металла в исследуемых условиях (таблица П.1 Приложения).

3. Построить график зависимости "скорость коррозии - изменяющийся фак-

тор", пояснить его ход и соответствие с теорией. 4. Сделать выводы.

1.4. Правила техники безопасности

При выполнении работы соблюдать меры безопасной работы с электронагре-

вательными приборами. Загрузка и выгрузка тиглей с образцами в печь произво-

дится с помощью специальных щипцов, руки при этом защищаются перчатками.

Тигли после выгрузки из печи ставятся на мраморную подставку. Перед дальней-

шей работой с образцами их необходимо остудить. Снятие продуктов коррозии производится в чашках Петри, которые располагаются в пластмассовой кювете.

11

После травления образцы погружаются в стакан с водой, также находящийся в кювете, и только затем окончательно промываются в раковине под струей воды.

Использованные для травления кислоты с помощью воронки сливаются обратно в соответствующие колбы. Перед взвешиванием образцы сушатся фильтровальной бумагой и протираются спиртом.

Лабораторная работа 2

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И АНАЛИЗ

КОРРОЗИОННОЙ СИТУАЦИИ

Цель работы: ознакомиться с понятием электрохимической коррозии металлов,

научиться проводить анализ коррозионного процесса исходя из рН и состава кор-

розионной среды.

2.1. Теоретические предпосылки

Процесс электрохимической коррозии наблюдается всегда, когда на поверх-

ности металла появляется электролит. В строительной практике электрохимиче-

ская коррозия - это коррозия металлических конструкций в условиях атмосфер-

ной, подводной и грунтовой коррозии, это коррозия арматуры во влажном бетоне,

коррозия транспорта и т.д. При электрохимической коррозии на поверхности ме-

талла одновременно протекают две электрохимические реакции: реакция иониза-

ции металла (анодная реакция коррозионного процесса), реакция восстановления какого-либо окислителя (лей), присутствующего (щих) в коррозионной среде (ка-

тодная реакция коррозионного процесса).

Корродирующий в электролите металл за счет одновременного протекания на нем двух электрохимических реакций, связанных с переносом электронов,

приобретает потенциал, который называют потенциалом коррозии Е . Этот по-

кор

тенциал измеряют с помощью вольтметра, если имеется электрод сравнения с из-

вестным потенциалом (например, хлорсеребряный электрод сравнения с потен-

12

циалом + 0,201 В).

Катодная реакция коррозионного процесса заключается в восстановлении окислителя, каковым в строительной практике обычно является растворенный в коррозионной среде кислород:

некоторых случаях в коррозионной среде могут присутствовать и другие окисли-

тели (например, SO2, H2S и т.д.).

+

Если в качестве одного из окислителей выступают ионы Н, что обычно ха-

рактерно для кислых сред, тогда коррозия металла сопровождается выделением водорода. В этом случае катодная реакция коррозионного процесса следующая:

Анодная реакция коррозионного процесса может протекать разными путями,

что приводит к появлению на поверхности металла или в коррозионной среде

разнообразных продуктов коррозии (ими могут быть оксиды, гидроксиды, ком-

плексные соединения, растворимые в коррозионной среде соли, труднораствори-

мые соли).

гидратированные катионы[Ме(Н2О)]ne+ комплексные соединения[Ме(Кn)]m+, [Ме(Кn)]m-

труднорастворимые соли МеА

Вид образующихся продуктов оказывает решающее влияние на скорость, и

следовательно, на опасность коррозии.

Наиболее опасен для практики случай, когда в результате анодной реакции коррозионного процесса получаются растворимые продукты коррозии(гидрати-

рованные катионы, сложные анионы металла, комплексные соединения). Такие продукты не оказывают тормозящего влияния на скорость коррозии, и, следова-

тельно, она постоянно идет с высокой скоростью.

13

Если в результате анодной реакции коррозионного процесса получаются не-

растворимые продукты коррозии (оксиды, гидроксиды, труднорастворимые соли),

то такие продукты обычно снижают скорость коррозии во времени, и тем в боль-

шей степени, чем выше степень упорядоченности(плотности) получаемых про-

дуктов коррозии. В том случае, когда нерастворимые продукты коррозии получа-

ются с очень высокой степенью упорядоченности, коррозия резко тормозится во времени, продукты коррозии защищают металл, и он становится пассивным(яв-

ление пассивности).

Таким образом, чтобы проанализировать коррозионную ситуацию и оценить опасность коррозии необходимо выяснить:

1) какие катодные реакции идут на поверхности металла при коррозии, т.е.

какие окислители ее вызывают; 2) по какому пути идет анодная реакция коррозионного процесса, т.е. какие

продукты коррозии получаются: растворимые, нерастворимые, упорядоченные,

неупорядоченные.

Чтобы ответить на поставленные вопросы, необходимо знать состав коррози-

онной среды, ее рН и измерить значение стационарного потенциала коррозии

(Екор).

Исходя из состава коррозионной среды прежде всего определяется, какие окислители в ней присутствуют. Обычно их как минимум два: ионы водорода (Н+)

и растворенный в коррозионной среде кислород (O2). Иногда в коррозионной сре-

де могут быть и дополнительные окислители(Fе3+, N0з-, S2- и т.д.). Чтобы узнать,

какие из этих окислителей участвуют в процессе коррозии, необходимо сравнить стационарный потенциал коррозии(Екор) с равновесными потенциалами этих окислителей (Eoxpaвн). Если выполняется соотношение

Екор < Е охравн ,

то данный окислитель участвует в процессе коррозии.

Это соотношение проверяется для всех окислителей, которые присутствуют в

ох

данной коррозионной среде, причем значения Е равн находятся в литературе или рассчитываются, например:

В дальнейшем, также с учетом состава коррозионной среды, ее рН и величи-

ны стационарного потенциала коррозии(Екор), определяется возможный путь анодной реакции коррозионного процесса и, следовательно, получающиеся про-

дукты коррозии. Если в коррозионной среде присутствует комплексообразова-

тель, способный образовывать с корродирующим металлом растворимые ком-

плексы, то продуктами коррозии будут именно эти комплексы и опасность корро-

зии резко возрастает.

В том случае, когда в коррозионной среде имеются анионы, способные обра-

зовывать с корродирующим металлом труднорастворимые соли, эти соли в той или иной мере обязательно будут оказывать тормозящее влияние на коррозию и опасность ее уменьшается, а в некоторых случаях коррозия практически прекра-

щается (явление солевой пассивации). Если в коррозионной среде отсутствуют комплексообразователи и анионы, способные давать труднорастворимые соли, то дальнейшие предположения о характере образующихся продуктов делают с -по мощью диаграмм Пурбе при известных рН коррозионной среды и стационарном потенциале коррозии. Диаграммы Пурбе дают представление о наиболее термо-

динамически устойчивых соединениях металла в зависимости от его потенциала и рН коррозионной среды. Пример такой диаграммы для алюминия приведен на рис. 2.1.

Согласно диаграмме, алюминий в средах, близких к нейтральным (рН 3-10),

корродирует с образованием упорядоченного нерастворимого оксида алюминия

A12О3, который хорошо защищает металл от дальнейшей коррозии, поэтому в этих средах алюминий устойчив. В кислых (рН<3) и щелочных (рН>10) средах получаются растворимые продукты коррозии А13+ и AlО2-, они не могут оказы-

вать тормозящего влияния на коррозию, и в этих средах алюминий не устойчив

(алюминий относится к классическим амфотерным металлам). Применять алюми-

ний и его сплавы в кислых и щелочных средах без специальных мероприятий по защите нельзя.

Для примера можно проанализировать, коррозию железа в растворахNa2S04

с рН 2, рН 7, рН 12, если известно, что потенциалы коррозии железа (Екор) в этих средах соответственно равны: -0,35, -0,40 и -0,46 В (н.в.э.).

Прежде всего рассматривают, какие окислители могут быть в этих растворах.

16

Так как речь идет о водных растворахNa2S04, то ясно, что в них есть ионы водо-

рода Н+ и растворенный кислород О2, ионы Na+, S042- окислителями не являются.

Равновесные потенциалы этих двух окислителей для растворов с различным рН могут быть рассчитаны по уравнениям (2.1) и соответственно равны

Если проверить, когда выполняется соотношение Екор < Еохравн , то можно за-

метить, что при рН=2 коррозия протекает под действием обоих окислителей, а

при рН=7, и рН=12 в коррозионном процессе участвует только один окислитель

O2.

Далее нужно проанализировать, по какому пути пойдет анодная реакция кор-

розионного процесса. В рассматриваемых растворах нет комплексообразователей и анионов, способных образовывать с железом труднорастворимые соли, поэтому можно сразу обратиться к диаграмме Пурбе для железа (рис. 2.2.).

Как видно из диаграммы, в растворах Na2S04 железо в зависимости от рН корродирует с образованием:

Так, в растворе Na2SО4 с рН =2 (рис. 2.2) в качестве продукта коррозии по-

лучаются ионы Fe2+, которые в дальнейшем под действием кислорода, раство-

ренного в коррозионной среде, окисляются до ионов Fe3+ (т.е. коррозия идет с образованием растворимых солей железа). При этом продукты коррозии не ока-

зывают тормозящего влияния на скорость коррозии, поэтому в таких средах коррозия протекает быстро и тем быстрее, чем кислее коррозионная среда, так как количество основного окислителя ионов Н+ увеличивается.

В растворе Na2S04 с рН=7 в качестве продуктов коррозии образуется смесь нерастворимых гидроксидов (nFе(ОН)2·mFе(ОН)3·kH2O). Чтобы определить, на-

сколько сильно эти оксиды тормозят скорость коррозии, необходимо узнать, на-

сколько упорядоченными они получаются. Это можно выяснить, только поста-

вив опыт по коррозии железа в раствореNa2S04. Если такой опыт провести, то можно определить, что при таком рН оксиды получаются очень неупорядочен-

ные. Такие неупорядоченные оксиды на железе часто называют ржавчиной.

Ржавчина может снизить скорость коррозии только при достаточно большой толщине, в этой связи в раствореNa2S04 с рН=7 коррозия железа опасна и его необходимо защищать.

В щелочном раствореNa2S04 с рН=12, согласно диаграмме Пурбе, также получаются гидроксиды Fe(OH)2 и Fе(ОН)3, но, как показывает опыт, в данных условиях они получаются упорядоченными и хорошо защищают металл, поэто-

му в растворе Na2S04 с рН=12 железо пассивируется и становиться устойчивым.