Коррозионные процессы в природных и технологических средах
Покупка
Новинка
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 88
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-5448-8
Артикул: 826512.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие служит руководством для студентов при освоении и подготовке к защите модуля «Электрохимические процессы» по курсу общей химии и модуля «Химическая и электрохимическая коррозия» по курсу «Теория коррозии и методы защиты металлов» в соответствии с программами бакалавриата и специалитета технических направлений. Изложены теоретические представления о механизмах коррозии, рассмотрены классификация коррозионных процессов, их кинетические и термодинамические закономерности, методы защиты от коррозии. Приведены расчетные формулы, примеры решения типовых задач, контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.
Для студентов машиностроительных, материаловедческих и других специальностей технических университетов, изучающих курс общей химии.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
С.Л. Березина, Н.Н. Двуличанская, Ю.А. Пучков Коррозионные процессы в природных и технологических средах Учебное пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
ISBN 978-5-7038-5448-8 Березина, С. Л. Б33 Коррозионные процессы в природных и технологических средах : учебное пособие / С. Л. Березина, Н. Н. Двуличанская, Ю. А. Пучков. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 87, [1] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5448-8 Учебное пособие служит руководством для студентов при освоении и подготовке к защите модуля «Электрохимические процессы» по курсу общей химии и модуля «Химическая и электрохимическая коррозия» по курсу «Теория коррозии и методы защиты металлов» в соответствии с программами бакалавриата и специалитета технических направлений. Изложены теоретические представления о механизмах коррозии, рассмотрены классификация коррозионных процессов, их кинетические и термодинамические закономерности, методы защиты от коррозии. Приведены расчетные формулы, примеры решения типовых задач, контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. Для студентов машиностроительных, материаловедческих и других специально- стей технических университетов, изучающих курс общей химии. УДК 620.193.4(075.8) ББК 24.1 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2020 Издание доступно в электронном виде по адресу https://bmstu.press/catalog/item/6822/ Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Химия» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия УДК 620.193.4(075.8) ББК 24.1 Б33 Учебное издание Березина Светлана Львовна Двуличанская Наталья Николаевна Пучков Юрий Александрович Коррозионные процессы в природных и технологических средах Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана. В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева. Подписано в печать 24.11.2020. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 7,15. Тираж 137 экз. Изд. № 842-2020. Заказ Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. press@baumanpress.ru https://bmstu.press Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com
Предисловие Важной составляющей усвоения студентами материала по курсу общей химии является решение задач, связанных с теорией и практикой коррозионных процессов и методов защиты металлов и сплавов от разрушения. Материал пособия ориентирован на получение студентами знаний в области общей и неорганической химии, кинетических и термодинамических закономерностей протекания электрохимических процессов. В пособии представлены химическая и электрохимическая коррозия ме- таллов и сплавов, методы защиты металлов и сплавов от коррозии. Приведены классификация процессов, необходимые теоретические сведения, расчетные формулы, а также примеры решения типовых задач, контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения, большинство из которых имеет практико-ориентированную направленность. Справочный материал, необходимый для решения задач и ответов на контрольные вопросы, вынесен в приложение. Обеспечение эксплуатационно-технической надежности и долговечности металлоконструкций способствует сохранению экологического равновесия в природе. Содержание учебного пособия, составленного в соответствии с разрабо- танными в МГТУ им. Н.Э. Баумана программами базовой дисциплины «Химия» и дисциплины «Теория коррозии и методы защиты металлов», предназначено для студентов бакалавриата и специалитета, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана, и направлено на формирование у студентов компетенций, установленных ФГОС ВО, на развитие химической грамотности, навыков самоорганизации и самостоятельного мышления. Материал пособия адаптирован к познавательному уровню студентов и структурирован в соответствии с заданиями, предлагаемыми для защиты модуля « Электрохимические процессы» по курсу общей химии и модуля «Химическая и электрохимическая коррозия» по курсу «Теория коррозии и методы защиты металлов» для студентов кафедры «Материаловедение» (МТ-8). Для освоения материала и успешного выполнения заданий студенты долж- ны знать химические свойства неорганических веществ, электрохимические свойства металлов, уметь проводить расчеты концентраций, а также применять знания, полученные при изучении соответствующих разделов физики и математики. Результатами освоения дисциплин являются получение фундаментальных знаний по электрохимии и коррозии, овладение методами рационального использования природных ресурсов и материальных средств, конструирования изделий с учетом их физических и химических свойств, умение приме-
Предисловие нять знания в будущей производственной деятельности, в лабораторных и технологических условиях. Планируемым текущим результатом освоения студентами материала по- собия является способность к выполнению и защите домашнего задания по модулю «Электрохимические процессы» курса общей химии и модуля «Химическая и электрохимическая коррозия» по курсу «Теория коррозии и методы защиты металлов». В результате освоения материала данного пособия студент должен: знать • химические и электрохимические свойства объектов анализа (металлов и сплавов); • химические свойства и агрегатные состояния агрессивных сред (газы, твердые вещества, жидкие среды); • свойства анализируемых сплавов, методы их получения и области при- менения; уметь • обоснованно аргументировать выбор методов защиты от коррозии; • проводить коррозионные измерения; • фиксировать результаты экспериментальных исследований; • анализировать полученные результаты; владеть • электрохимическими и химическими методами исследования кинетики коррозионных процессов; • навыками работы с аппаратурой для химического и электрохимического анализа коррозионных сред и коррозионных процессов; • навыками проведения химического эксперимента; • техникой подготовки образцов и проб к выполнению измерений; • методами математической обработки экспериментальных данных; • методикой анализа полученных результатов (оценки, обобщения и срав- нения); • методиками и поисками пути решения задач; • навыками работы с учебной, научно-технической и справочной инфор- мацией.
Введение Металлы и сплавы являются основными конструкционными материала- ми, эксплуатационные характеристики которых утрачиваются вследствие коррозионного воздействия на них окружающей среды. Коррозия оказывает огромное экономическое и экологическое влияние практически на все аспекты мировой инфраструктуры. Ущерб от безвозвратных прямых потерь металлов в результате коррозии в промышленно развитых странах превышает 5…6 % национального дохода. Косвенные потери выражаются в затратах на изготовление новых конструкций и ремонт оборудования. Действие коррозии особенно сильно проявляется в коррозионно-агрес- сивных средах (металлургические и химические производства, топливно- энергетический комплекс, в том числе трубопроводные, магистральные и промысловые нефтегазовые сооружения). По причине все более широкого использования высоких температур и давлений значительно возрастает удельный вес коррозионных потерь, вызываемых такими опасными формами коррозии, как коррозионное растрескивание, межкристаллитная и питтинговая коррозия. Интенсивная коррозия оборудования, изготовляемого для различных про- изводств на основе сплавов черных и цветных металлов, приводит к загрязнению окружающей среды в результате выброса газов, пыли. Содержание различных металлов в почве и водах за последние полвека увеличилось почти в 200 раз. Все это приносит не только большие экономические потери, но и нарушает равновесие экосистемы, приводит к экологическим катастрофам. Важной необходимостью являются мероприятия по повышению мер без- опасности стратегических объектов, отдельные механизмы которых подвергаются коррозии (аэробусы, АЭС, системы для захоронения радиоактивных отходов, контейнеры с токсичными материалами). При уменьшении и невосполнимости природных запасов широко при- меняемых технически важных металлов и увеличении потребности в них тормозится технический прогресс во многих отраслях производства. Сохранение металлических материалов и контроль коррозионных процессов являются фундаментальными и ключевыми факторами промышленных технологий. Полимерные материалы, получаемые в основном путем переработки неф- ти и газа, не могут составить ощутимую конкуренцию металлам в качестве коррозионно-стойких конструкционных материалов. Поэтому в современных условиях инновационные подходы к поиску путей защиты от коррозии
Введение сооружений из металлов и сплавов являются одними из важнейших научно- технических и экономических задач. Для разработки эффективных методов защиты от коррозии металличе- ских материалов в различных условиях их эксплуатации требуются специалисты в области электрохимии, коррозии и материаловедения, знающие теоретические основы коррозионных процессов, и в первую очередь кинетические и термодинамические закономерности.
1. Классификация коррозионных процессов. Показатели коррозии Коррозия (от итал. corrodere — разъедать) — процесс самопроизвольного разрушение металлов и сплавов в процессе физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Коррозию следует отличать от эрозии (от лат. erodere —разрушать), под которой понимают механическое постепенное разрушение металла (истирание трущихся частей механизмов, их износ). Термодинамическим критерием протекания коррозии является отрица- тельное значение энергии Гиббса (∆ r G < 0). Причиной коррозии металлов, в большинстве находящихся в природе в окисленном состоянии, является их термодинамическая неустойчивость. Коррозионные процессы классифицируют по механизму протекания, ха- рактеру коррозионных разрушений, условиям воздействия и типам коррозионной среды. По механизму протекания процессов различают химическую и электро- химическую коррозию. Химическая коррозия протекает как гетерогенная реакция металла с окислителем в неэлектропроводных средах. При этом окисление металла и восстановление окислителя происходят в одном акте, продукты коррозии пространственно не разделены и образуются непосредственно на металлической поверхности в зоне реакции. Примером может служить окисление металлов в газовой среде при повышенных температурах: 4Al + 3О2 = Al2О3 Электрохимическая коррозия протекает в среде электролита. Суммарная реакция представляет собой два сопряженных процесса, не реализованных в одном акте: анодный процесс (окисление металла) и катодный (восстановление окислителя коррозионной среды). Скорость электродных процессов определяется электрохимической активностью металлов, а продукты реакции могут быть удалены от разрушаемых участков за счет возникающего электрического тока. По характеру коррозионных разрушений различают сплошную коррозию, захватывающую всю поверхность металла (рис. 1.1 а, б), и локальную (местную) ( рис. 1.1, в–з). Сплошная коррозия может быть равномерной (атмосферная коррозия углеродистой стали) или неравномерной (коррозия углеродистой стали в морской воде). Локальная коррозия поражает отдельные участки поверхности металла и выражается в виде:
1. Классификация коррозионных процессов. Показатели коррозии • отдельных сравнительно больших пятен, незначительно углубленных в толщу металла (коррозия латуни в морской воде); • питтингов (англ. рitting, от pit — покрывать(ся) ямками) — проникающих в металл отдельных точек диаметром до 2 мм (коррозия аустенитных сталей в морской воде); • язв — разрушений в форме углубленных в металл раковин (характерны для стальных конструкций в грунте). Избирательная коррозия — разрушается одна структурная составляющая или один из компонентов сплава вследствие неоднородности его структуры или разной электрохимической активности компонентов (графитизация чугуна, обесцинкование латуни). Межкристаллитная коррозия — коррозионные разрушения локализуются по границам зерен кристаллов металла. Образование между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии резко ухудшает прочность конструкций без видимых внешних проявлений (коррозия алюминиевых сплавов, хромоникелевых сталей). Транскристаллитная коррозия — коррозионный процесс локализуется в виде узкой трещины, распространяющейся в направлении пониженной прочности не только межкристаллитно, но и через границы зерен вне зависимости от границы раздела фаз (такой коррозии подвержены алюминиевые, магниевые, медные сплавы, большинство высокопрочных сталей в хлорсодержащих средах). Два последних вида коррозии относятся к особо опасным, так как про- текают без видимых изменений на поверхности металла. При механическом внешнем воздействии и одновременном участии кор- розионной среды могут возникать: • коррозионная эрозия — при одновременном воздействии сил трения и коррозионной среды (разрушение шейки вала при трении о подшипник); Рис. 1.1. Виды коррозионных разрушений: а — равномерная коррозия; б — неравномерная; в — пятнами; г — язвами; д — точками (питтинговая); е — избирательная; ж — межкристаллитная; з — транскристаллитная
1. Классификация коррозионных процессов. Показатели коррозии • фреттинг-коррозия — разрушение на границе соприкасающихся вибри- рующих металлических поверхностей при их относительном колебательном перемещении в жидкой среде (шарниры, клапаны, заклепки, болты); • коррозионная кавитация — при ударном воздействии схлопывающихся микропустот в жидкой коррозионной среде (быстродвижущиеся лопасти гребных винтов судов); • коррозионная усталость — разрушение металла при знакопеременных или циклических механических нагрузках в коррозионной среде (стальные штанги насосов для откачки нефти, металлические тросы); • коррозионное растрескивание — разрушение металла в коррозионной сре- де при действии растягивающих внешних или внутренних напряжений (типично для деталей из высокопрочных сталей); • коррозионная хрупкость — потеря прочности и пластичности в результате наводороживания поверхности металла; • щелевая коррозия — избирательное коррозионное разрушение металла в зазоре (в резьбовых, фланцевых соединениях); • электрокоррозия — протекает при действии внешнего источник тока (рас- творение анодного заземления станций катодной защиты); • коррозия при действии блуждающих токов — наблюдается при пробое изо- ляции электрокабелей, плохом заземлении линий электропоездов. По типу коррозионной среды различают: • газовую коррозию — при высоких температурах в газовой среде; • коррозию в жидкостях-неэлектролитах (жидкие топлива); • атмосферную коррозию — коррозию во влажном воздухе в природных или заводских условиях; • коррозию в морской воде; • подземную коррозию (металлические сооружения в почвах и грунтах); • биокоррозию — вызывается продуктами жизнедеятельности микроорга- низмов (плесени, грибков, бактерий); • радиационную коррозию — при воздействии радиоактивного излучения. Для практической оценки интенсивности коррозионных процессов опре- деляют изменение одного из параметров коррозии металла за промежуток времени нахождения в коррозионной среде. Массовый показатель коррозии Km ± (г(м2·ч)): K m St m ± = ∆ , где Δ∆m — убыль массы металла в единицу времени после удаления продуктов коррозии или увеличение массы металла вследствие роста пленки продуктов коррозии, отнесенные к единице поверхности S в единицу времени t. Объемный показатель коррозии KV (см/ч): K V St V = , где V — объем приведенного к нормальным условиям газа, поглощенного или выделившегося в результате коррозии металла в единицу времени с единицы поверхности.
1. Классификация коррозионных процессов. Показатели коррозии Глубинный показатель коррозии Кп (мм/год): K h t V S m St п = = ∆ = ∆ ρ характеризует среднюю (или максимальную) глубину разрушения металла h в единицу времени. Глубинный показатель используют как сравнительный критерий коррозионной стойкости металлов, исходя из различия их плотности ρ. Токовый показатель (для оценки электрохимической коррозии) — позво- ляет определить скорость растворения металла по изменению плотности коррозионного тока iкор (А/см2): i K z M m кор = − 26 8 10 000 , , где M — молярная масса металла; z — число электронов, участвующих в элементарном анодном процессе; m K − — отрицательный массовый показатель коррозии; 26,8 (А·ч /моль) — постоянная Фарадея (F). В качестве критериев интенсивности коррозионного процесса использу- ют также изменение электрического сопротивления образца на единицу площади ( для листовых материалов), изменение механических характеристик металла (например, предела прочности металла при растяжении) и др. При оценке коррозионной стойкости черных и цветных металлов наиболее распространенной является десятибалльная шкала по ГОСТ 13819–84 «Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы» (табл. 1.1). Шкала коррозионной стойкости металлов построена на основное глубин- ного показателя коррозии. Таблица 1.1 Шкала коррозионной стойкости металлов по ГОСТ 13819—84 Группа стойкости Скорость коррозии, мм/год Балл Совершенно стойкие < 0,001 1 Весьма стойкие 0,001–0,005 2 0,005–0,010 3 Стойкие 0,01–0,05 4 0,05–0,10 5 Пониженностойкие 0,1–0,5 6 0,5–1,0 7 Малостойкие 1,0–5,0 8 5,0–10,0 9 Нестойкие > 10,0 10
Доступ онлайн
В корзину