Ім'я файлу: Курсовая работа з теорії корозії.docx
Розширення: docx
Розмір: 54кб.
Дата: 07.01.2021
скачати

Национальная металлургическая академия Украины
Кафедра покрытий, композиционных материалов и защиты металлов

Курсовая работа

по дисциплине «Теория химической коррозии металлов»

Студента Москальова Владислава Романовича

Группа МЕ07-17-2

Дата

Преподаватель Гальченко Галина Юрьевна

Днепр 2020

Содержание:

  • Введение. Общие положение коррозионных процессов …….3-5

  • Классификация коррозионных процессов…………………….6-7

  • Решение контрольных заданий………………………………...8-11

  • Выводы…………………………………………………………..12

  • Список литературы………………………………………………13


Введение. Общие положение коррозионных процессов
Коррозией металлов - называется самопроизвольное их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Химическая коррозия – это процесс, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают в одном акте. Типичный пример: окисление железа кислородом воздуха:

2Fe + O2  → 2FeO

Наиболее распространенным и практически важным видом химической коррозии является газовая коррозия – коррозия металлов в газах при высоких температурах. В настоящем курсе лекций, в котором рассматриваются вопросы противокоррозионной защиты металлических сооружений в морской воде, морской атмосфере и других естественных средах, химическая коррозия рассматриваться не будет, как практически мало существенная в данных условиях.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов вследствие их электрохимического взаимодействия с электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента среды протекает не в одном акте и их скорости зависят от величины электродного потенциала металла. Этот вид коррозии наиболее распространен и является превалирующим для интересующих нас условий эксплуатации металлоконструкций.

Первопричиной коррозии металлов является их термодинамическая неустойчивость в различных средах при данных внешних условиях. Термодинамика определяет возможность или невозможность самопроизвольного протекания коррозионного процесса при определенных условиях.

Скорость коррозионного процесса может быть представлена в общем виде с помощью уравнения:

Скорость коррозии (СК)= .ДСП / ТП

ДСП - движущая сила процесса
ТП - Торможение процесса

ДСП может быть определена с помощью термодинамики. ТП не может быть определено термодинамически, однако с помощью термодинамики можно оценить условия, уменьшающие или исключающие протекание процесса (применение защитных сред, катодная защита, обескислороживание и др.).

Независимо от механизма коррозии возможность ее протекания определяется знаком изменения термодинамического потенциала. Процессы коррозии наиболее часто описывают изменением изобарно-изотермического потенциала – энергии Гиббса.

Любое изменение энергии системы характеризует переход ее в новое состояние и является мерой стабильности системы:

ΔG = GII -GI , где ΔG – энергия, израсходованная на изменение состояния системы, например, на процесс коррозии;

GI  - энергия системы в исходном состоянии, например, металла в конкретных условиях;

GII  - энергия системы в новом состоянии, например, металл который был подвергнут коррозии.

При ΔG = 0 система находится в равновесии; при ΔG < 0 процесс коррозии возможен; при ΔG > 0 процесс коррозии невозможен.

Процесс электрохимической коррозии включает в себя пять основных этапов. Например, для случая коррозии углеродистой стали в воде или влажном воздухе процесс протекает следующим образом:

1) Ионизация атомов железа с образованием гидратированных ионов в воде и некомпенсированных электронов на анодных участках металла

Fe + mH2O →  Fe+2 m H2 O + 2e-

2) Переход электронов на катодные участки и их ассимиляция деполяризаторами (в нейтральных растворах кислородом) с образованием ионов гидроксила

O2  + 2H2 O + 4e-   →  4OH- ;

3) Образование в растворе гидрата закиси железа

Fe2+ 2OH-   →  Fe(OH)2 ;

4) Доокисление до гидрата окиси железа Fe (ОН)3 и преобразование его в окончательный продукт коррозии Fe2 O3 ∙ mH2 O

Суммарная реакция коррозии стали будет иметь вид:

4Fe + mH2 O + 3O2   →  2Fe2 O3  ∙ mH2 O.

Коррозия металла представляется как результат работы большого числа коррозионных гальванических элементов, возникающих на отдельных участках поверхности вследствие ее гетерогенности. Электрохимическая гетерогенность поверхности металла, обуславливающая ее дифференциацию на анодные и катодные участки, может быть вызвана различными причинами: макро- и микровключениями примесей, анизотропностью кристаллической решетки, наличием оксидных пленок и других загрязнений, неравномерностью приложения механических нагрузок, наличием пар дифференциальной аэрации и др.

Скорость и характер коррозионного процесса определяется в конечном итоге величиной стационарного потенциала металла φ , отвечающей установившейся скорости ионизации металла.

Усредненные значения стационарных потенциалов металлов в морской воде (по водородному электроду, В*)  можно расположить в ряд:

Магний          - 1,45
Марганец       - 0,96
Цинк               - 0,80
Алюминий     - 0,54
Железо            - 0,40
Кадмий           - 0,40
Свинец            - 0,30
Олово              - 0,20
Медь                - 0,10
Титан               - 0
Ниобий            + 0,10
Никель             + 0,10
Серебро           + 0,15
Платина           + 0,80

Исходя из теории локальных элементов, ток коррозии в общем виде может определяться по закону Ома:

I = (φk- φa) / (Rнк+ Rna+ Rом), где, φk - φa - потенциалы катодных и анодных участков;

Rнк + Rna - соответственно поляризационное сопротивление на катоде и аноде;

Rом - сопротивление электролита.

Классификация коррозионных процессов

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металла:

Химическая коррозия - это взаимодействие металлов с коррозионной средой, при которой окисляется металл и восстанавливается окислительные компоненты коррозионной среды протекают в одном акте. Так протекает окисление большинства металлов в газовых средах содержащих окислитель (например, окисление в воздухе при повышении температуры)

Mg+ O -> MgO

4Al + 3O -> 2AlO

Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты среды происходит не водном акте, и их скорости зависят от электродного потенциала металла. По такому процессу протекают, например, взаимодействие металла с кислотами:

Zn + 2HCl -> Zn +2Cl +H

эта суммарная реакция состоит из двух актов:

Zn -> Zn + 2e

2H + 2e -> H

По характеру коррозионного разрушения:

Общая или сплошная коррозия при которой коррозирует вся поверхность металла. Она соответственно делится на равномерную, не равномерную и избирательную , при которой коррозионный процесс распространяется преимущественно по какой-либо структурной составляющей сплава.

Местная коррозия при которой коррозируют определенные участки металла. Местный вид коррозии бывает: пятнами, питтинговой, язвенной, сквозной, нитевидной, межкристаллитной, подповерхностной, ножевой, коррозионным растрескиванием и коррозионной хрупкостью.
По условиям протекания процесса:

- Газовая коррозия - это коррозия в газовой среде при высоких температурах. (жидкий металл, при горячей прокатке, штамповке и др.)

- Атмосферная коррозия - это коррозия металла в естественной атмосфере или атмосфере цеха (ржавение кровли, коррозия обшивки самолета).

- Жидкостная коррозия - это коррозия в жидких средах: как в растворах электролитов, так и в растворах неэлектролитов.

- Подземная коррозия - это коррозия металла в почве

- Структурная коррозия - коррозия из-за структурной неоднородности металла.

- Микробиологическая коррозия - результат действия бактерий

- Коррозия внешним током - воздействие внешнего источника тока (анодное или катодное заземление)

- Коррозия блуждающими токами - прохождение тока по непредусмотренным путям по проекту.

- Контактная коррозия - сопряжение разнородных электрохимически металлов в электропроводящей среде.

- Коррозия под напряжением - одновременное воздействие коррозионной среды и механического напряжения.

Решение контрольных заданий:
Задание№1

1.Рассчитать отрицательный Кm-, глубинный Kп, и объемный Кv, показателикоррозии металлов, плотность анодного тока по данным. Атмосферное давление во всех случаях равно 105 Па. Вариант№6

Метал: Zn Состав продуктов коррозии: Zn(OH)2
Кm+ = m/S *  = 20/0,015 * 100 = 13,3333 г/м2 * Ч
Km- = Km+ *(nok*AМe)/(nMe*Aok) = 13,3333 * (2 * 65,37)/(2 * 16) = 54,4749 г/м2 * Ч
Kn = 8,76 * Km-/p p = 7,13 ч/см3 – плотность металла Zn
Kn = 8,76 * 54,4749/7,13 = 66,9284 мм/год
Kv = V/S *  = 22400 см3/150 * 100 = 14,9333 см3/см2 * Ч
I = Km /qZn = 13,3333 * 1,22 = 16,2666 г/А * ч
qZn = 1,22 г/А * ч – электрохимический эквивалент цинка

Согласно закону Авогадро, одинаковые количества газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объём. Беру объём кислорода при нормальных условиях. Поскольку реакция проходит с кислородной деполяризацией в нейтральной среде и при давлении приближенному к н.у.

Задание№2

Какие катодные и анодные процессы могут идти на Ме1 и Ме2 в указанной среде. Рассмотреть два случая: а) металлы не контактируют друг с другом; б) находятся в контакте. Т=298 °К. Вариант №20

Zn

Ti

щелочная

10

При рН = 10 потенциалы кислородного и водородного электрода составит:

φвод = – 0,059рН = – 0,059*10 = -0,590 B
φОН/О2= + 0,64 В
Потенциалы металлов: TiTi2++2е/Ti = -1,630 ZnZn2++2e/Zn = - 0,762

В данных условиях коррозия должнa протекать с кислородной деполяризацией. В случае когда металлы не контактируют с друг другом:

Для Ti:
K: О2 + 2Н2О + 4е => 4ОН
A: Ti2+ + 2е => Ti
Суммарный процесс: Ti + 1/2О2 2О => Ti(ОН)2
Е = φк – φА = 0,64- ( – 1,630) = 2,27 B
ΔG = –zFE = -2 * 96500 * 2,27 = -438110Дж = -438,1 кДж

Для Zn:
K: О2 + 2Н2О + 4е => 4ОН-
A: Zn2++2e=>Zn
Суммарный процесс: Zn + 1/2О2 2О => Zn(ОН)2
Е = 0,64 – (-0,762) = 1,402 В
ΔG = -2 * 96500 * 1,402 = -270,6 кДж

Из двух контактирующих металлов роль анода выполняет тот, у которого электродный потенциал отрицательнее. В случае когда металлы контактируют, сравним электродные потенциалы металлов:

TiTi2++2е/Ti = -1,630 ZnZn2++2e/Zn = - 0,762
K: О2 + 2Н2О + 4е => 4ОН-
A: Ti2+ + 2е => Ti
Суммарный процесс: Ti + 1/2О2 2О => Ti(ОН)2
Е = 0,64- ( – 1,630) = 2,27 B
ΔG = –zFE = -2 * 96500 * 2,27 = -438110Дж = -438,1 кДж


Задание№3


Рассмотреть диаграмму Пурбэ для указанного металла, указать уравнения всех возможных химических и электрохимических равновесий, зоны иммунности, коррозии и пассивности.



Вариант№14 Металл: Титан
Ti – зона иммунности
TiO2 – зона паcсивности
Ti2+ - коррозия
TiO32- - коррозия
1) Ti => Ti2+ + 2e
2) Ti2+ + 2OH- => TiO2 + 2H+ +2e
3) Ti + 2H2O => TiO2 + 4H+ + 4e
4) Ti + O2 => TiO2
5) TiO2 + H2O => TiO32- + 2H+






Задание №4


Укажите места протекания катодных (К) и анодных (А) процессов. Напишите их уравнения в указанных системах. Ответ обоснуйте. Вариант№8
Поскольку в раствор серной кислоты поместили два металла они образуют гальваническую пару. Запишем их электродные потенциалы. Беру pH = 7 и считаю потенциал водородного электрода.

Cu Cu2+ + 2e => Cu = + 0,337
Fe Fe2+ + 2e => Fe = - 0,440
φвод = - 0,414

После определяем кто выполняет роль катода, а кто анода. Более отрицательный металл будет выступать в роли анода. В данных условиях коррозия должна протекать с водородной деполяризацией. Составляем уравнение:

К:2Н++2е = Н2
A: Fe0 => Fe2+ + 2e
Суммарный процесс: Fe + 2Н+ => Fe2++ Н2
Делаю расчёт показателей ЭДС и энергии Гибса
Е = φк – φА = -0,440 – (- 0,414) = 0,026 В
ΔG = –zFE = −2 · 96500 · 0,026 = - 5018 Дж = - 5,02 кДж

Выводы:
Знание курса «Коррозия и защита металлов от коррозии» позволяет инженеру-металлургу правильно предсказать поведение металлических изделий в условиях коррозионно-агрессивной среды и выбрать правильный способ защиты металла от коррозионных разрушений, как на стадии проектирования металлического изделия, так и на стадиях его производства и эксплуатации.

Для установления скорости коррозии металла в разных средах обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла. Чаще всего в коррозионной практике используют следующие показатели:

- Показатель изменения массы – Кm;
- Объемный показатель коррозии – Kv;
- Глубинный показатель коррозии - Kп;


- Плотность анодного тока – I;

Умение их рассчитать, а также показатели ЭДС и энергию Гиббса. Термодинамическая оценка окисления сплавов и расчёты термодинамической возможности коррозии по диаграммам Пурбэ. Определение и составление катодных и анодных процессов, а так же обучение строению гальванических пар. Всему этому обучает курс «Коррозия и защита металлов от коррозии». Знание общей теории и умение применять на практике полученные знания.
Список литературы:

  1. Шлугер М.А., Ажогин Ф.Ф., Ефимов Е.А. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлургия, 1981. - 216 с.

  2. Жук А.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия, 1976. - 472 с.

  3. Томашов Н.Д., Чернов Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. – М.: Металлургия, 1986. - 359 с.

скачати

© Усі права захищені
написати до нас