Изучение влияния различных факторов на протекание процесса коррозии металлов

Министерство образования и науки Республики Марий Эл
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Республики Марий Эл «Марийский политехнический техникум»
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
по Физике, Информатике
на тему
«Изучение влияния различных факторов
на протекание процесса коррозии металлов»
Работу выполнил
обучающийся группы 23
Крыженоков Иван
Руководитель проекта
преподаватель
Матвеева Н.В.
Петухова.Н.А
Оценка _____________
1
Йошкар-Ола 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1.
Глава 2.
3
Теория коррозии металлов
5
1.1. Понятие коррозии металлов
5
1.2. Виды коррозии металлов
6
1.2.1. Химическая коррозия
6
1.2.2. Электрохимическая коррозия
6
1.3. Защита металлов от коррозии
7
Исследование влияния различных факторов на процесс
коррозии металлов
10
2.1. Методика исследований
10
2.2. Результаты исследований
12
Заключение
15
Литература
16
Приложения
17
2
Введение
Жизнь человека без металлов невозможна. Металлы и их сплавы
являются наиболее важными конструкционными материалами. Но, к
сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды
поверхность металла самопроизвольно разрушается, вследствие
химического
или
электрохимического
окружающей
средой.
Процесс
взаимодействия
самопроизвольного
их
с
разрушения
металлов под воздействием окружающей среды называют коррозией.
Коррозия металлов наносит большой экономический вред.
Человечество несет огромные материальные потери в результате
коррозии деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и
технологического оборудования. Коррозия приводит к уменьшению
надежности работы оборудования: аппаратов высокого давления,
паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и
радиоактивных веществ, лопастей и роторов турбин, и т.д. С учетом
возможной коррозии приходится завышать прочность этих изделий, а
значит, увеличивать расход металла, что приводит к дополнительным
экономическим
затратам.
Коррозия
приводит
к
простоям
производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к
потерям сырья и продукции (утечка нефти, газов, воды), к
энергетическим
затратам
для
преодоления
сопротивлений,
вызванных
уменьшением
дополнительных
проходных
сечений
трубопроводов из-за отложения ржавчины и других продуктов
коррозии. Коррозия также приводит к загрязнению продукции, а
значит, и к снижению ее качества. Затраты на возмещение потерь,
связанных с коррозией, исчисляются миллиардами рублей в год.
Но вред, наносимый коррозией, не сводится только к потере
металла вследствие его разрушения (прямые потери), больший вред
наносят косвенные потери. Гибнет труд людей, затраченный на
3
обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов.
Таким образом, потери от коррозии в сотни раз превосходят
стоимость металла.
Коррозия вызывает и серьезные экологические последствия.
Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из
разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению
окружающей среды, что отрицательно воздействует на жизнь и
здоровье людей.
Процессы коррозии необратимы, поэтому их необходимо
обнаруживать на ранних стадиях, давать количественную оценку
коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития в
случае
непринятия
Установление
мер
причин
по
усилению
коррозионного
коррозионной
защиты.
разрушения
позволяет
правильно выбрать метод защиты.
По роду своей будущей деятельности, да и вообще в жизни, нам
придется столкнуться и не раз с проблемами коррозии, поэтому эту
тему считаем очень актуальной.
4
Цель работы: исследование влияния различных факторов на процесс
коррозии металлов.
Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до 20%
выплавленного, обработанного и воплощенного в конструкции металла
разрушается от коррозии.
Объект исследования: коррозионный процесс, протекающий в металлах и
сплавах.
Предмет исследования: коррозия.
Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент
Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде
оказывают влияние природа металла, минеральный состав воды, температура
окружающего воздуха и т.д.
Задачи исследования:
1. Изучить явление коррозии в различных системах, используя методы
качественного и количественного анализа.
2. Установить влияние природы металла на коррозию.
3. Установить влияние природы и состава раствора на коррозию металлов.
4. Установить влияние температуры на коррозию металлов.
5
Глава 1
Теория коррозии металлов
1.1. Понятие коррозии металлов
Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает
«разъедать». Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей
подвергаются также камни, дерево, пластмассы и другие полимерные
материалы.
Коррозией
металлов называют
«самопроизвольное
разрушение
металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой».
В основе этого взаимодействия лежат химические и электрохимические
реакции,
а
иногда
среды. «Способность
и
механическое
металлов
воздействие
сопротивляться
воздействию
внешней
среды
называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением
материала». Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим
металлом, а среда, в которой протекает коррозионный процесс
-
коррозионной средой. В результате коррозии изменяются свойства металла, и
часто происходит ухудшение его функциональных характеристик.
Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться.
Химические соединения, образующиеся в результате взаимодействия
металла и коррозионной среды, называют продуктами коррозии. Продукты
коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок,
окалины или ржавчины. В зависимости от степени сцепления продуктов
коррозии
с поверхностью
металла наблюдаются
различные
случаи.
Например, ржавчина на поверхности железных сплавов образует рыхлый
слой, процесс коррозии распространяется далеко вглубь металла и может
привести к образованию сквозных язв и свищей. Напротив, при окислении
алюминия на поверхности образуется плотная сплошная пленка оксидов,
которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения.
6
Коррозия является физико-химическим процессом, и закономерности
ее протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики
гетерогенных
систем.
Различают
внутренние
и
внешние
факторы
коррозии. Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость
коррозии металла (природа, состав, структура и т.д.). Внешние факторы
определяют влияние на коррозию состава коррозионной среды и условий
протекания коррозии (температура, давление).
1.2. Виды коррозии металлов
Различают два основных вида коррозии металлов: химическую и
электрохимическую.
1.2.1. Химическая коррозия металлов
Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими
газами (газовая коррозия) при повышенных температурах и не
сопровождается возникновением электрического тока. Газовой коррозии
подвергаются металлы при термической обработке (ковка, прокат), детали
двигателей внутреннего сгорания, арматура печей и т.д.
Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на
поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо
связанная с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения.
Такие защитные оксидные пленки образуются у Zn, Al, Cr, Ni, Pb, Nb, и др.
У железа же оксидная пленка рыхлая, пористая и легко отделяется от
поверхности и поэтому не способна защищать металл от дальнейшего
разрушения. На поверхности щелочных и щелочно-земельных металлов в
процессе окисления кислородом воздуха также образуются толстые, рыхлые
оксидные пленки, которые не защищают эти металлы от разрушения.
Химическая коррозия протекает не только в сухих газах, но и в
неэлектролитах (бензин, керосин, дизельное топливо и т.д.). Например,
коррозия бензобаков автомобилей, нефтепроводов, нефтехимического
оборудования.
1.2.2. Электрохимическая коррозия
Этот вид коррозии происходит в токопроводящей среде - в
электролите.
Электролиты
-
вещества,
растворы
которых
проводят
электрический ток (например, минеральные соли, содержащиеся в морской
7
воде). Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат металлы
различных примесей. При контакте их с растворами электролитов одни
участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а
другие - роль катода (принимают электроны).
Если два различных металла (Zn и Fe), находящихся в контакте между
собой, опустить в водный раствор электролита (например, грунтовая вода),
то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду
напряжений металлов левее (Zn), будет разрушаться, предохраняя тем самым
менее активный металл (Fe) от коррозии. Цинк, отдавая электроны
(разрушается), выполняет роль анода, а железо, принимая электроны - роль
катода. При этом Zn заряжается отрицательно, а Fe - положительно. Если
соединить эти металлы проводником через гальванометр, то он покажет
наличие тока.
Важнейшими
окислителями,
вызывающими
электрохимическую
коррозию являются катионы водорода и растворенный кислород.
Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы,
находящиеся в составе сплава по своей активности, т.е. чем дальше они
расположены в электрохимическом ряду напряжений металлов друг от друга.
Усиливается коррозия и при увеличении температуры.
Итак,
электрохимическая
коррозия
-
это
окислительно-
восстановительная реакция, происходящая в средах проводящих ток (в
отличие от химической коррозии).
1.3. Защита металлов от коррозии
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом
начале
их
использования.
Люди
пытались
защитить
металлы
от
атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием
другими металлами и прежде всего легкоплавким оловом (лужением). В
8
трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н, э.) уже имеется
упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго
нельзя отнести к защите, — это легирование металлов, т. е. получение
сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих
сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали,
действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия
хотя и с малой скоростью, но имеет место.
Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от
коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака,
краски, эмали, других металлов.
Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга
людей. Лаки и краски обладают низкой газопроницаемостью, высокими
водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных
компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не
исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь
тормозит коррозию. Поэтому большое значение имеет качество покрытия —
толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость,
способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Обычно
рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев
покрытия. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной
коррозии.
Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и
фарфоровые эмали. Эмали обладают высокими защитными свойствами,
которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже
при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость
при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых
9
покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам.
При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может
появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к
металлу вследствие чего и начинается коррозия.
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии
является покрытие их слоем других металлов. Металлические покрытия
делят на две группы: коррозионно-стойкие и протекторные. Например, для
покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро,
медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к
железу, т. е. в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее
железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. По отношению к
железу они более электроотрицательны, т. е. в ряду напряжений находятся
левее железа.
С протекторной защитой весьма сходна катодная защита металлов от
коррозии. Можно сказать, что катодная защита является модификацией
протекторной защиты. В данном случае металлическая конструкция или
корпус корабля присоединяются к катоду источника постоянного тока и тем
самым защищают его от растворения.
10
Глава 2
Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии
металлов
2.1. Методика исследований
Для изучения процесса коррозии был выбран широко используемый
металл – железо, а также пары металлов «железо – медь», «железо –
алюминий». Для качественного изучения влияния среды раствора на
коррозию железа и гальванических пар подготовили разные растворы:
водопроводную воду, раствор щелочи, раствор кислоты, раствор поваренной
соли, дизельное топливо и бензин. Для проведения и количественного
изучения процесса газовой коррозии в лаборатории подготовили муфельную
печь. Для проведения пробы на медную пластинку подготовили термостат.
11
ИСТОЧНИК
https://multiurok.ru/files/issliedovatiel-skaia-rabota-po-tiemie-korroziia.html
12