Коррозия. коррозия. 2тарау. Металдар коррозиясы туралы тсінік Коррозия туралы млімет
 Скачать 3.16 Mb.
|
|
2-тарау. Металдар коррозиясы туралы түсінік 2.1. Коррозия туралы мәлімет Коррозия – сыртқы ортаның әсерінен металл конструкция бетінде дамитын химиялық және электрохимиялық процесстерден туындаған қатты денелердің бұзылуын айтады. Тіпті, коррозия сөзінің өзі кейінгі латын тілінен шыққан «corrosio» – «жеу» деген мағынаны білдіреді. Ең үлкен шығынды металдар коррозиясы әкеледі. Коррозияның бізге таныс және кең таралған түрі – темірдің тат басуы. «Коррозия» термині металдарға, бетондарға және кейбір пластмассаларға тән құбылыс. Коррозиядан басқа, металдық конструкциялар эрозия әсеріне, яғни механикалық әсердің арқасында материалдың беткі қабатының бұзылуына ұшырайды. Эрозияны жаңбырлар, желдер, топырақтық шаң-тозаңдар және басқа табиғи факторлар тудырады. Сондықтан да көпірлердің аркаларын, құрылыс фермаларын және басқа құбырларды комплексті қорғау қажет. Сөйтіп, коррозия – бұл металдың бұзылуына әкелетін ортамен металдың физико-химиялық өзара әсерлесуі. Коррозия нәтижесінде металдар табиғатта кездесетін оксидтер немесе тұздар күйіндегі тұрақты қосылыстарға айналады. Коррозия және тат басу сөздерін шатастыруға болмайды. Егер коррозия – бұл процесс болса, тат басу оның нәтижелерінің бірі болып табылады. Бұл сөз шойын мен болаттың құрамына кіретін темірге ғана қатысты. ISO 8044 мемлекеттік стандарты бойынша коррозия терминін металдың, ортаның немесе олардың техникалық жүйелері енетін қасиеттерінің бұзылуына әкелетін орта мен металдың арасындағы химиялық немесе физико-химиялық әсерін түсіндіреді. ТАТ БАСУ – бұл коррозия нәтижесіндегі темірдің балқымаларындағы және беткі қабатындағы түзілген темір оксидінің гидратталған қабаты. Коррозиялық бұзылуға бетон, құрылыс тастары, ағаш және басқа материалдар жатады. Металдың коррозияғы ұшырайтын ортасын коррозиялық немесе агрессивтік орта деп атайды. Металдардың коррозиясы жайлы айтсақ, олардың ортамен өзара әсерлесуінің болмау мүмкіндігін көздейді. Коррозия барысындағы металдың физико-химиялық өзгерісі металдың тотығуы болып табылады. Әрбір коррозиялық процесс көп сатылы болады: Металдың бетіне коррозиялық ортаның немесе оның жеке компоненттерінің жақындауы қажет. Ортаның металмен әсерлесуі. Металдың бетінен өнімдердің толық немесе бөлшектік Көптеген металдар (Ag, Pt, Cu, Au) табиғатта ион түрінде кездеседі: оксидтер, сульфдтер, карбонаттар және т. б. Металдың иондық түрі өте ұтымды, ол ішкі энергиясының өте аз мөлшерімен сипатталады. Бұл металдардың рудалардан және олардың коррозиясынан алынуынан байқалады. Қосылыстағы металдың тотықсыздану кезіндегі жұтылған энергия металдық қосылысқа қарағанда бос металдың энергиясы көп екендігіне куәлік етеді. Бұл коррозиялық-активтік ортамен контактіде болған металл, энергияның артық мөлшерімен энергетикалық ұтымды жағдайға өтуге тырмысатына әкеледі. Яғни, коррозияның басты себебі, қоршаған ортаның компоненттерінен және металдың термодинамикалық жүйесінің тұрақсыздығы болып табылады. Осы компоненттермен металдың өзара әсері нәтижесінде босатылатын бос энергия – термодинамикалық тұрақтылықтың шараларының бірі. Бірақ, бос энергия өзінен-өзі коррозиялық процестің жылдамдығын анықтамайды, яғни, металдың коррозиялық тұрақтылығының бағасы үшін маңызды роль ойнайтын ұзындығы. Коррозиялық процестің басталу нәтижесінде металдың бетінде өте жүрмейтін немесе коррозия тоқтатылатын нығыз және өтпейтін барьер түзіледі. Сондықтан да эксплуатация шарттарында оттекпен жақын тұратын металл өте тұоақты болуы мүмкін. Қорғалмаған шойын және болат көптеген ортада коррозия ұшырайды, бірақ коррозиялық бұзылудың дәрежесі бірнеше факторлардан құралады, олардың ішінде ең бастысы металдың құрамы мен бетінің күйіне және коррозиялық орта мен жергілікті жағдайға байланысты. Аз және орташа көміртекті конструкциялық болаттың механикалық қасиеттерін қоспалар арқылы арттыруға болады. Қарапайым болаттың құрамында темір мен көміртек және болаттың механикалық қасиетімен қамтамасыз ететін марганец мен кремний элементтерінің аз мөлшердегі қоспасынан құралады. Құрамының өзгеруі қорытылған бірдей металл партияларында аз байқалады. Бірақ мыстың болат құрамында болуының бір ерекшелігі. Құрамында мыс жоқ болатқа 0,2% Cu қосатын болсақ, болаттың ауадағы коррозия жылдамдығын екі-үш есеге азайтады, ал мыс концентрациясын ұлғайта беретін жағдайда болаттың коррозияға шағын беріктігі пайда болады. Егер біз коррозиялық қасиет теталдың құрамына байланысты десек, онда темір негізіндегі қорытпаларды үш үлкен топқа бөлуге болады: 1) қарапайым шойын, дәнекерленетін темір, қоспалысыз болат – бұл материалдардың барлығы дерлік коррозияға оңай беріледі. 2) 2-3% көбінесе мыс, хром және никельмен аз қоспаланған болат. Бұлар да коррозияға бейім, бірақ белгілі бір атмосфералық жағдайда пайда болатын коррозиялық пленка қорғанышты болады. Жоғарыды айтылған болатқа қарағанда мұндай болатта коррозиялық процестің жылдамдығы бірнеше есеге азаяды. Мұндай аз қоспаланған болат қартайып жатқан деп аталады. 3) мысалыға 18% Cr, 8% Ni и 3% Mo-мен көп қоспаланған, тот баспайтын болат. Бұл болат белгілі бір жағдайда мүлдем коррозияға ұшырамайды. Тот баспайтын болат көптеген тұздарға (оның ыдырауы кезінде пайда болатын концентрациясы жоғары қышқылға дейін) беріктілік көрсетеді. Бірақ галоидтсуттекті қышқылдардың тұздары белгілі бір жағдайда өздері питтингті коррозияға соқтырады. Әдеттегінше жоғарғы температура мен осы тұздардың жоғарғы концентрациясында, рН-тың төменгі көрсеткішінде жүретін коррозияның бұл түріне хром, никель, молибденнің көп мөлшері бар болат түрі үлкен беріктілік көрсетеді. 2.2 Коррозиялық процесстердің жіктелуі Металдың беткі қабатын толық алған коррозияны жазық коррозия деп атайды. Оны әр-түрлі учаскесіндегі коррозиялық бұзылуына қарай тегіс және тегіс емес деп бөледі. Жергілікті коррозиясындағы бұзылулар локальды және беткі қабаттың көп бөлігін тиісілмеген күйде қалдырады. Локализация дәрежесіне қарай коррозиялық дақтарды, язваларды және нүктелерді (питтинг) деп бөледі. Нүктелік бұзылулар беткі қабаттың коррозиясының бастапқы көріністерін береді. Жергілікті коррозияның қауіпті түрлерінің бірі – металл бөлшектерін бұзбай, олардың тұрақты шектерінен өтетін кристалларалық (интеркристалдық), және бөлшектер арқылы металда тіке жарықтар туғызатын транскристалдық болып табылады. Беткі қабатта ешқандай іздер қалдырмастан бұл бұзылулар детальдың немесе конструкцияның бұзылуына және тұрақтылығының жойылуына әкеледі. Бұларға характері жағынан пышақтық коррозия жақын. Агрессивтік ерітінділердегі кейбір балқымалардың эксплуатациясы нәтижесінде металдың бойымен пышақпен кесу сияқты. Кейде беттік жіптік коррозияны көрсетеді. Ол, мысалы, металдық емес беттерде дамиды. Және пластикалық деформация бағытымен жүретін қабаттық коррозияны бөліп көрсетеді. Спецификалық болып балқымаларда қатты ерітінділердің жеке компоненттері ери алатын таңдамалы коррозия көрінеді. Металл бетінің өзгеруіне байланысты немесе олардың физико-химиялық қасиеттерінің дәрежесінің өзгеруіне байланысты коррозия процесстерінде ортаның қасиеттеріне қарамастан, коррозиялық желімденудің бірнеше түрі бар. 1) Егер коррозия металдың түгел, барлық бетінде жүретін болса, ондай коррозияны тұтас коррозия деп атайды. Коррозияның мұндай түрі қышқылдардың, сілтілердің, атмосфраның әсрінен пайда болады. Оның өзін бірқалыпты және бірқалыпты емес деп бөледі. Металдың талқандауы бірдей жылдамдықпен металың түгел бетінде жүретін коррозия түрі бірқалыпты емес деп аталады. 2) Таңдамалы коррозия процесі жүргенде металл құймасының бір ғана құраушысы талқандап, қалғандары өзгеріссіз қалады. 3) Жергілікті коррозия кезінде металдардың бетінде бөлек қызыл дақ түрінде металдардың ішіне қатты тереңдетілген күйінде табылады. 4) Бет асты коррозия металдардың бетіндегі бөлек аудандарының қорғаныш қаптамаларының бұзылуынан басталады. 5) Кристалитаралық коррозия ристалиттер шекарасындағы металдардың бұзылуы. Металл бұл жағдайда өзінің механикалық төзімділігін жоғалтады. Бірақ металдың сыртқы түрі өзгермейді. Металдың ортамен әрекеттесу реакциясының механизмі бойынша жіктелуі 1) Химиялық коррозия дегеніміз – металдың валенттік электрондарын өзіне тартып алатын тотықтырғыштардың құрамына кіретін атом топтарымен немесе сол атомдармен тікелей химиялық байланыспен қосылған және металдық байланыстан ажыраған металл атомдарын айтады. Химиялық коррозия әрбір коррозиялық ортада өтеді, алайда электролит емес коррозиялық ортада олар жиі байқалады. Оның жылдамдығы көбінесе металл бөлшектерінің диффузиясымен және коррозия өнімдерінің беттік пленкасы арқылы өтетін тотықтырғышпен анықталады. Кейде – осы пленканың еруімен немесе булануымен, оның жарылуымен және кей жағдайда ішкі ортадан тотықтырғыштың конвективтік алынуымен (оның өте кіші концентрациясында). 2) Электрохимиялық коррозия деп – металдық тордан шыққан кездегі түзілген катион тотықтырғышпен емес, басқа компоненттермен коррозиялық ортаға түсуін айтады; тотықтырғышқа ктион түзілген кездегі босаған электрондар беріледі. Мұндай процесс тек қоршаған ортада реагенттердің екі типі болған кезде жүреді. Олардың біріншісі (сольватталатын және комплекстүзуші) олардың валенттік электрондарының қатысуынсыз металл катионымен тұрақты байланысты бола алатын, ал екіншісі (тотықтырғыштар) өздерінің маңында катиондарды ұстамай металдың валенттік электрондарын қоса алатындар. Ұқсас қасиеттер сольватталған катиондары қозғалысты сақтап тұратын электролиттердің балқымаларында немесе ерітінділерінде кездеседі. Сөйтіп, электрохимиялық коррозия барысында металдық тордан атомның жойылуын екі тәуелсіз, бірақ қабысқан электрохимиялық процесстер: анодтық – металдың сольватталған катиондарының ерітіндіге ауысуын, және катодтық – босатылған электрондарының тотықтырғыштарымен байланысқан. Осыдан барып, электрохимиялық коррозияны баяулатудың тікелей анодтық процестің тоқтауымен ғана емес, сонымен қатар, катодтық жылдамдыққа әсер етумен де болады екен. Ең кең тараған екі катодтық процесс бар: сутек иондарының разрядталуы (2e + 2H+ = H2) мен еріген оттектің тотықсыздануы (4e + O2 + 4H+ = 2H2O немесе 4e + O2 + 2H2O = 4OH-), бұлар көбінесе жиі оттектік және суттектік деполяризация деп аталады. Анодтық және катодтық процестер катиондары мен электрондары коррозиялық ортаның компоненттерімен әсерлесе алатын металл бетінің әр-түрлі жерінде өтеді. Егер беткі қабат біркелкі болса, онда анодтық және катодтық процестер аудандары бойынша тепе-тең болады. Мұндай идеалды жағдайда коррозияны гомогенді-электрохимиялық деп атайды. Шынында да металдық беттерде әр-түрлі қоспалармен немесе әр түрлі атомдардың энергетикалық жағдайларымен әсерлесетін компоненттердің шартты бөліктері бар екен. Мұндай бөліктерде анодтық немесе катодтық процестердің энергетикалық өтуі әбден мүмкін және коррозия гетерогенді-электрохимиялық болады. Коррозиялық орта бойынша Кейбір коррозиялық орталар және лардан туындайтын бұзылулар осы ортамен аталған және онда өтетін коррозиялық процестердің классифицирленуімен сипатталады. Ереже бойынша, металдық бұйымдар мен конструкциялар коррозияның көптеген түрлерінің әсеріне ұшырайды. Мұнда жағдайларда аралас коррозия деп аталатын әсер туралы айтылып отыр. 1) Газдық коррозия – жоғары температурада газдық ортада өтетін коррозияны айтады. 2) Атмосфералық коррозия – металл бетінде электролиттік пленканың түзілуіне қажетті ылғалдылығы бар атмосферада өтетін коррозияны айтады. Атмофералық коррозияның ерекшілігі – ол жылдамдылыққа және металл бетіндегі ылғалдылық қабатының механизмі немесе түзілген коррозиялық өнімдердің ылғалдық дәрежесіне тәуелілігінде. 3) Сұйықтық коррозия – сұйық орадағы коррозия. Сұйық ортаның металға әсері бойынша коррозияның бұл типінде өзіне қатысты қасиеттері бар толық батырылған, толық батырылмаған, аралас батырылған коррозия сипатталады. 4) Жерасты коррозиясы – топырақтағы металдардың коррозиясы. Жерасты коррозиясының ерекшелігі әр түрлі топырақтағы жерасты конструкцияларының бетіне оттегінің түсу жылдамдығымен сипатталады. Қосымша әсер етуіне байланысты: 1) Кавитациялық коррозия – кавитациялық ортаның бір уақытта әсер етуі. Үздіксіз немесе уақытша кернеуде жүретін кррозия. Егер де бұл созылатын кернеу болса, коррозиялық шытынау болуы мүмкін. 2) Контакттық коррозия – кезіндe тегі әр түрлі екі металдың электролиті ішінде үйкеліс туғызатын, жабық гальваникалық элемент қалыптастыратын ұқсас бұзылуы жүреді. 3) Саңылаулық коррозия – металдың саңылаудағы бұзылуы. Ол көбіне саңылауда рналасқан конструкция учаскесіне пайда болады. Металдарға агрессивті орта әсер етеді. Сонымен қатар металл бір мезгілде қосымша әсерге ұшырайды. Соған қарай коррозиялық процесс бөлінеді. 4) Радиациондық коррозия – радиоактивтік сәулелену әсерінен жүретін коррозия түрі. 5) Биологиялық коррозия – бактериялардың өмір сүруі нәтижесінде пайда болатын өнімдер әсерінен жүретін коррозия түрі. 2.3. Коррозиялық бұзылыс түрлері Коррозия үрдісі металдың үстіңгі қабатыан бастап, оның түбіне дейін тарайды. Бұл кезде металдың сыртқы түрі өзгереді, яғни, оның бетінде коррозия өнімдерімен толтырылған қабыршақтар, шұңқырлар(дақтар, ойықтар, жаралар) пайда болады. Металдардың коррозияға ұшырауын сипаты бойынша келесі түрлерге бөлінеді: -тұтас коррозия (коррозиялық орта әсерінен болған металдық құрылымның бетінің толығымен коррозияға ұшырауы). Сурет-1  -жергілікті коррозия (металдық құрылымдық бетінің жеке жерлерінің коррозиясы). Сурет-2  Жергілікті коррозияның келесі түрлері бар: -дақты (диаметрі металдың коррозияға ұшыраған қабатының тереңдігінен үлкен жеке дақтар түріндегі коррозия). Сурет-3  -ойықты (диаметрі олардың тереңдігіне сәйкес келетін жеке қуыс түріндегі коррозия). Сурет-4  -нүктелі немесе питингті коррозия (диаметрі 0,1-2 мм. Болатын көптеген жерге нүкте түрінде). Сурет-5  -тесіп өткен коррозия (металдың түбіне дейін коррозияға ұшырауы). -метал бетінің астынан коррозиясы(металдың кеуіп кетуіне алып келетін метал астынан үстіне тарайтын коррозия). -құрылымды-таңдаулы коррозия (қорытпаны құрайтын бір құрылымының коррозияға ұшарауы). -кристалит аралық коррозия (металдың кристалдарының шеттері тарайды, бірақ металдың үстіңгі бөлігінің түрі өзгермейді). -коррозиялық шытынау (металдық коррозиялық қажуы салдарынан болған коррозиялық шытынаудың пайда болуы). Сурет-6  Коррозиялық бұзылыс екі немесе бірнеше коррозия түрлерінің кейде типтерінің қасиеттеріне ие болған жағдайлар көп кездесетінін айтып кету керек. Сондықтан көрсетілген статистикалық ара-қатынасты шамалау деп санауға болады. Жаралы немесе нүктелі коррозия ерекше қауіпті, себебі жаралардың өлшемдері өте кішкентай және олардың коррозия өнімдеріне толуынан бұзылысты табу өте қиын болып келеді. Осындай коррозия нәтижесінде құрылыстар,құбырлар, резервуарлардағы тесіп өткен тоттануы олардың пайдаланылуының үшінші жылында байқалады немесе апат болған уақытта табылады. Металл құрылысының апаттық бұзылысы каверналар мен питингтер қасында жергілікті кернеулердің концентрациясының болуымен жиі түсіндіріледі. Мұндай кәсіпшілік жабдықтары, тростар, жоғары қысымды сыйымдылықтар, кристаллитарлық коррозия және коррозиялық тозу ерекше қауіпті. Коррозиялық процестің жіктелуі Ι. Коррозионды процестің жүру механизміне байланысты: 1. Химиялық коррозия. 2. Электрохимиялық коррозия. ΙΙ. Коррозиялық бүлінудің жағдайына байланысты: 1. Жалпы немесе жаппай коррозия. 2. Жергілікті коррозия. ΙΙΙ. Процестің жүру жағдайына байланысты: 1. Аэрационды коррозия. 2. Топырақтық коррозия 3. Биокоррозия. 4. Сұйық коррозия. 5. Газды коррозия. 6. Құрылымдық коррозия. 7. Атмосфералық коррозия. 8. Контакты коррозия. 9. Сыртқы ток коррозиясы. 10. Тоқтардың шатасу коррозиясы. 2.4. Химиялық коррозия процесінің реті Химиялық коррозия деп- химиялық реакция заңдары бойынша өтетін металдардың құрғақ газдармен немесе сұйық бейэлектролиттермен әрекеттескендегі олардың өздігінен бүліну процесін айтады. Металдың сұйық газдармен (ауамен, отынның жануынан газ тәріздес өнімдерімен) жоғары температурада әрекеттесуі кезінде газдың химиялық коррозиясы жүзеге асады. Газдық коррозия егер металл бетінде электр тоғын өткізетін сұйықтық қоюланбаса төменгі температураларда жүруі мүмкін. Металдың электр тоғын өткізбейтін сұйықтықтармен әрекеттесуі кезінде (мұнай, мұнай өнімдері, балқытылған күкірт және т.б.) бейэлектролиттерде химиялық коррозия өтеді. Химиялық реакциялардың кинетикалық ағымын металдың ауа оттегімен тотығуы мысалында дәлелдеген тиімді болып табылады.  мұндағы, n-реакцияға қатысушы металдағы атомдар саны, z-металл валенттілігі. Тек термодинамиклық көзқарастан мұндай реакцияның өту интенсивтілігі металдардың оттегіге қатысты химиялық белсенділігіне байланысты болады. Мысалы, алюминий белсенділік танытатыны соншалықты, оны судан тартып алады және оны ыдыратады. Егер алюминий бетінде қорғау қабықшасының пайда болуына қандайда бір әдіспен кедергі жасаса онда:  Алайда тәжірбиеде алюминий заттары кең қолданысқа ие болды. Себебі, алюминийдің ауамен жанасқан беті тез арада тотығады және тотығудың кейінгі процесі оның тотығының қандай физикалық жағдайда болатындығына байланысты; егер ол бос және ұнтақ тәріздес болса, онда келешекте алюминидің жаңа қабаттары тотығып, өнім тез бүлінеді. Тәжірбиеде алюминий тотығы үстіңгі бетінде оттегі өте алмайтын тұтас қабат түзеді. Осылайша, тотық алюминийді кейінгі тотығуынан қорғайды, яғни, алюминийдің тотығуы дегеніміз өздігінен тежелетін химиялық процесстің түрі. Негізінен тотығу үрдісі едәуір тоқтатылған жағдайда ғана металлды сол ортада конструкциялық материал ретінде қолдануға мүмкіндік туады. Химиялық коррозия процессін түсіну үшін және оған қарсы тиімді қорғаныс дайындау үшін ең алдымен металлдардың тотығу механизмін және тотық қабықшасының тотығуы нәтижесінде пайда болатын қасиеттерін зерттеу керек. Металлдардың активтігі температураның жоғарылауымен оттегіне қатысты төмендейтіні белгілі. Металл тотығын белгілі температураға дейін қыздырғанда оның ыдырауы пайда болады қарай жүреді. Металл тотығының тұрақтылығы коррозия үрдісінің басталуына қажетті шарт болып табылады және оған көрсетілетін зардап мөлшері тотықтың қасиеттеріне байланысты болады. Коррозия үрдісіне, сонымен қатар, тотық металдарының бетінде пайда болатын типтер әсер етеді. Тотық қабықшасының жуандығы 5-10 А-дан бірнеше мың ангстермге дейін ауытқып тұрады. Тотық қабықшасы қабықша арқылы оттегі араласқанда ғана жуандай алады. Егер металл иондары және оларға жататын темірден тотық қабықшасы арқылы оттегіге қарағанда едәуір тез диффузияланса, онда тотық қабықшасы газ және тотық шетінде өседі. Егер жылдамдығының бір-бірінен қатты айырмашылығы болмаса, онда өсу зонасы тотық қабықшасының ішінде орналасады. Металл иондарының мөлшері оттегі молекулаларына қарағанда аздау, сондықтан тотық қабықшасы газбен жанасатын үстіңгі бетінде өседі. Тотық қабқшасының қалыңдығы металлдың түріне, температурасына, қоршаған ортасының сипатына байланысты болады. Тотықты қабықшаларды қалыңдығы бойынша 3 топқа бөлуге болады: - жұқа (400 °А-ға дейін) – көрінбейтін немесе жанама металлдар арқылы ғана табылатын - орташа (400-500 °А) – қыздыру кезінде құбылмалы түс береді - жуан (500 °А-дан жоғары) – көрінетін. Егер тотыққан қабықша тұтас болса және металлдармен оңай ілессе және оған жақын көлемдік кеңею коэффициенті болса, онда ол металлды оның кейінгі тотығуынан қорғауға қабілеттілігі бар. Металддың ары қарай тотығуына қарсы тотығу қабықшасының қорғау қызметінің негізгі шарты – оның тұтастығы. Ол тотыққан металл көлемінің және осы тотық нәтижесінде пайда байланысты. онда қорғау қасиеттері әлсіз бос қабықшалар пайда болады. Егер:  онда металддың ары қарай тотығуын тежейтін едәуір тұтас тотығу қабықшасы пайда болады. Келесі формуладағы VОК және VM көлемдерінің қатынастарындағы тотығу қабықшалары ең күшті қорғау қасиеттеріне ие.  Сурет-7  |