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
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 +Н2О => 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 +Н2О => 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 +Н2О => 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; |