1.11 Коррозия металлов и сплавов. Меры защиты от коррозии.
Коррозия – это процесс разрушения металлов и сплавов под действием окружающей среды.. Коррозионные разрушения могут быть местными, поверхностными, сплошными и ввиде коррозионных трещин. По процессу протекания различают два вида коррозии:
Электрохимическая коррозия. Возникает на контактов двух металлов, которые находятся в электролите, и сопровождается появлением электрического тока. В РЭА не допускается прямой контакт меди и алюминия т.к. между ними возникает потенциал и начинается процесс коррозии.
Химическая коррозия. Возникает при взаимодействии металлов с газами и жидкостями, которые не являются электролитами. Наиболее часто химическая коррозия протекает как окислительный процесс. Наиболее подвержены химической коррозии черные металлы. Очень активно коррозия протекает на шероховатых поверхностях, при наличии микротрещин и других повреждений. Резко усиливается процесс химической коррозии при повышении температуры и влажности окружающей среды.
Для защиты металлов и сплавов от коррозии используют следующие методы:
Применение смазочных материалов (литол, салидол и т.д.)
Конструкция детали должна быть по возможности простой без глубоких пазов и глухих отверстий, с хорошо обработанной поверхностью (шлифованные поверхности меньше подвержены коррозии).
Нанесение защитных покрытий.
В производстве наиболее часто применяются следующие виды покрытий:
3.1 Металлические покрытия. Используют тонкий слой металла, устойчивого к коррозии в данных условиях. Конструкционные детали покрывают, в основном, цинком, никелем, хром ом. Контакты в РЭА покрывают серебром, золотом, припоем и т.д. Металлические покрытия наносят следующими способами:
а) метод погружения детали в расплавленный метал. Метод прост, но покрытие получается значительной толщины.
б) метод распыления. Можно наносить покрытия металлами с невысокой температурой плавления (олово, цинк)
в) вакуумные методы. Применяются в производстве деталей микроэлектроники
г) электролитический (гальванический) метод, который наиболее распространен. Покрытие получают выделением металла из растворов его солей под действием электрического тока.
3.2 Химическое покрытие. Основано на создании поверхностной, защитной неметаллической пленки, чаще всего — оксидной. Тонкую прочную оксидную пленку получают при окислении поверхности в условиях высоких температур.
Неметаллические покрытия. Производятся лаками, красками, эмалями. Их недостаток – высокая хрупкость при старении и низкая нагревостойкость. Наиболее прочными являются покрытия антикоррозийными мастиками на основе различных смол.
При выборе типа покрытия для контактов РЭА необходимо учитывать его электропроводность и переходное сопротивление.
Борьба с коррозией ведется не только методом защиты металлических деталей, но и путем замены металлов на коррозионно-стойкие материалы (керамика, пластмассы и т.д.)
От чего зависит электропроводность различных материалов?
Что оказывает влияние на электрофизические свойства материалов?
Перечислите, какие свойства материалов относятся к механическим, электрическим, технологическим.
Как рассчитывается температурный коэффициент линейного расширения?
В каких единицах измеряется относительное удлинение?
Чем отличается процесс кристаллизации сплавов, от процесса кристаллизации чистых металлов?
Какой вид коррозии наиболее часто встречается? Перечислите способы защиты от коррозии.
Способы защиты металлов от коррозии
Изделия из металлов, если их не защищать, под действием различных природных, физико-химических и биологических факторов разрушаются или теряют свои потребительские качества.
Такое разрушение изделий получило название коррозия.
Слово «коррозия» имеет латинские корни и происходит от словосочетания cum+roda, что означает разгрызать.
Явление коррозии известно с древнейших времен, однако, сам термин появился только в 1667 году в английском журнале, где описывалось локальная коррозия бронзовых пушек на острове Ямайка.
В России явление коррозии металлов первым стал исследовать Михаил Ломоносов. Сам термин коррозия появился в русском языке только в начале 20 века, до этого времени данное явление описывали словом «ржавление»
Коррозия – процесс разрушения стенки металла, который приводит к негативным последствиям в виде истончения или полного разрушения.
На протяжении века ученые стараются подчинить процесс коррозии и защитить металлические конструкции.
На данном этапе разработано множество способов защиты от всех видов коррозии, под нужды каждого вида промышленности.
Виды коррозии металлов
Процесс коррозии – совокупность химических и электрических процессов, которые оказывают негативное воздействие на металл. В зависимости от типа воздействия коррозию классифицируют по нескольких признакам.
Коррозионные процессы различаются по:
- Механизму реакций взаимодействия металла со средой:
а) химическое – процесс распада металла происходит в результате химической реакции с жидкостью, которая не проводит электрический ток или сухим газом.
Газовая коррозия возможна только в условиях высоких температур.
Например, если заводскую автомобильную выхлопную трубу заменить незащищенной стальной, то, когда машина заведется, начнется процесс ржавления, так как температура выхлопа составляет 500 ⁰С
б) электрохимическое – процесс, когда на металл действует электрический ток, либо электролит.
При взаимодействии электрического тока с металлом происходит процесс «выбивания» частиц последнего, в результате повреждается только та часть конструкции, которая была в контакте;
г) микробиологическое – процесс ржавления происходит в результате воздействия на металл агрессивных микроорганизмов. Данный вид коррозии характерен для подземных коммуникаций.
Но стоит отметить, что отходы жизнедеятельности птиц, также могут привести к началу процесса ржавления, так как в них содержится большое количество бактерий.
- Виду коррозионной среды:
а) почвенная – характерна для трубопроводов, кабелей, опорных конструкций, то есть всего металла, который погружен в землю.
Основными характеристиками коррозионной активности почвы являются ее электропроводность, то есть способность проводить электрический ток, и влажность.
Наиболее активно проводят ток влажные, пористые грунты.
Например, если песок в сухом состоянии практически не проводит ток, то при увлажнении его на 2-3%, его проводимость увеличивается в 20 раз, а после высыхания возвращается в исходное состояние.
Для этого типа коррозионной среды характерны язвенные разрушения металла.
б) атмосферная – данный тип ржавления происходит при нахождении металлов на воздухе.
Быстрота протекания процесса коррозии зависит от типа климата и состава сплава.
В случае если влажность климата ниже 60% происходит сухая коррозия, то есть металл начинает окисляться.
Стоит отметить, что чем жарче климат, тем быстрее протекает сухая коррозия.
Если влажность выше 60%, то процесс разрешения металла происходит быстрее, так как влага проникает в микротрещины и зазоры, что приводит к образованию окисей.
в) морская – самый опасный тип коррозии.
В морской воде ржавление металла происходит под воздействием солей, микроорганизмов и большого количества кислорода, что приводит к быстрому разрушению большинства сплавов.
Стоит отметить, что процесс разрушения будет проходить интенсивнее выше ватерлинии, так как там происходит периодический контакт с водой;
3) Характеру дополнительных воздействий:
а) коррозионное растрескивание – ржавление, которое развивается в местах, стороннего воздействия на металл тяжелых весов;
б) эрозионная коррозия – разрушение, которое происходит при трении в условиях агрессивной среды;
в) кавитационная коррозия – разрушение, которое происходит при ударных воздействиях в условиях агрессивной среды.
Виды поражения металлов коррозией
По характеру изменения поверхности металла или его свойств, независимо от того, какое взаимодействие проходило со средой, коррозионные разрушения подразделяют на несколько видов:
- Сплошная – коррозией охвачена вся поверхность металлической конструкции. Она подразделяется на:
а) равномерную (а) – разрушение идет однородно;
б) неравномерную (б) – разрушение в разных частях конструкции имеет разную глубину.
2. Местная – коррозия захватывает отдельные участки металлической конструкции. В зависимости от степени разрушения происходит деление на:
а) пятна (в) – разрушение отдельных участков металла на небольшую глубину. Например, коррозия латуни в морской воде;
б) язвы (г) — разрешение отдельных участков на большую глубину. Например, ржавление стали в грунте;
г) питтинг (д) – точечный процесс разрушения. По мере прогрессирования коррозия становится сквозной. Например, нержавеющая сталь в морской воде.
д) подповерхностная (е) – возникает, когда антикоррозийные покрытия разрешены на отдельных участках. Поэтому металл разрушается под поверхностью защиты, и разрешения сосредоточены внутри металла;
е) межкристаллитная (ж) – самый опасный вид коррозии. Разрушаются не частицы сплава, а из границы, то есть самые тонкие места;
ж) структурно – избирательная – происходит, когда сплав состоит из нескольких металлов, которые имеют разные коррозионные свойства. Металл, у которого свойства будут ниже начнет разрушаться, при этом остальные элементы сплава останутся целыми.
Способы защиты металлов от коррозии
В процессе совершенствования науки и техники разрабатываются разные способы защиты металлов от разрушения.
В XXI веке способы защиты сплавов условно разделяются на: легирование, физические методы защиты, электрохимические методы, методы замещения материалов и методы уменьшения агрессивных свойств среды.
Легирование
Легирование – изменение изначального состава сплава для усиления определенных свойств.
Метод основан на введении в сплав пассивных металлов, таких как хром, титан, стронций, молибден.
В результате введения легирующих материалов на поверхности сплава образуется плотная пленка, которая обладает большой устойчивостью к агрессивным воздействиям.
Наиболее востребован процесс легирования при защите сплавов от газовой коррозии. Например, все части двигателей машин, производятся из легированных сплавов, которые кроме защиты от агрессивной среды, повышают стойкость металлов к высоким температурам.
Наиболее оптимальными пассивными материалами для увеличения температурной стойкости являются алюминий и хром.
При повышении температур выше 200⁰С в сплавах начинается процесс окисления и образования защитной оксидированной пленки.
Легирование так же применяется для повышения коррозионной защиты от химических воздействий. Например, хром является пассивным элементом, который блокируют появление коррозии в сильнокислых средах.
Защитные покрытия
Защитные покрытия являются оптимальным видом изоляции для подземных и наземных конструкций.
Изоляционные защитные материалы используются во всех сферах строительно – монтажных работ, для защиты металлических конструкций от разрушающих природных и искусственных факторов.
В зависимости от состава изоляционные покрытия подразделяют на две больших группы: металлические и неметаллические.
Неметаллические покрытия
Неметаллические покрытия – органические и неорганические материалы, которые являются изоляторами металлов как от агрессивной среды, так и от действия электрического тока.
Изоляционные материалы применяются в зависимости от назначения металла.
Например, при проектировании подземных конструкций используются материалы на основе резины, битумы и полилены, так как они обладают диэлектрическими, и антикоррозионными свойствами. Проверку износостойкости этих материалов проводят раз в 25 лет.
По результатам проверки, если нет механических повреждений, покрытие оставляют еще на 25 лет.
Если механические повреждения есть, то производится замена поврежденного участка изоляции.
В случаях, когда необходимо обезопасить металл, находящийся на поверхности земли или над ней, используются специальные краски и эмали, в состав которых входит пассивный элемент или стойкий к внешним воздействиям оксид хрома, оксид кремния и т.д.
Такая защита не имеет срока износа и замены, единственное ее необходимо раз в 12 месяцев или по мере истирания подновлять.
Коррозия железа в кислотном растворе с катодным (а) и анодным (б) покрытиями: 1 – основной металл; 2 – покрытие; 3 – раствор электролита
В качестве защиты от электрохимической коррозии используют пластмассы, которые являются диэлектриками с пассивным элементом в составе.
Металлические покрытия
Главной особенностью металлической изоляции является то, что она работает даже в случае нарушения целостности покрытия.
Пока изоляция не нарушена ее свойства такие же, как и у неметаллических покрытий: полная защита металла от агрессивных воздействий среды и электрического тока.
В случае повреждения изоляции происходит образования гальванического элемента.
Гальванический элемент – это источник тока, который создается за счет химической реакции кислой или щелочной среды с металлом.
В зависимости от типа металла, используемого в изоляции, покрытия подразделяются на:
- катодные – материалы, имеющие потенциалы в положительных значениях в сравнении со сплавом;
- анодные – материалы с более отрицательными потенциалами.
Например, изолируя железо необходимо учитывать, что его потенциал равен -0,44 В. Это означает, что при использовании как изолятор никеля (-0,234В) покрытие будет являться катодным, а при использовании цинка (-0,763В) – анодным.
Если железо, изолированное никелевым покрытием, будет находиться в кислой среде и произойдет повреждение материала (а), то оно начнет окисляться, а покрытие восстанавливаться, так как создастся гальванический элемент.
В результате такого процесса покрытие потеряет свой защитные свойства и начнется процесс коррозии.
Если железо изолировать цинковым покрытием и поместить в ту же среду, то процесс будет идти по-другому.
Потенциал цинка выше, чем потенциал железа, поэтому при повреждении защитного слоя и создании гальванического элемента цинк начнет окисляться, а железо – восстанавливаться.
Данный процесс приводит к тому, что несмотря на разрушающееся защитное покрытие металл продолжит оставаться защищенным.
Металлические покрытия могут быть получены несколькими способами:
- электрохимический – покрытие наплавляют на металл с использованием кислой или щелочной среды, в которую погружены электроды;
- лужение и цинкование – погружение металла в расплавленное покрытие;
- химическое восстановление.
Химические способы
Современные технологии позволили создать десятки способов химической защиты от коррозии.
Существуют уникальные, дорогостоящие методы, такие как покрытие металла золотом и платиной. Их используют в микроэлектроники и машиностроении.
В массовом производстве используются более экономически выгодные методы. Самыми распространёнными являются:
Оксидирование
В основе метода заложено создание на металле специальной защитной пленки – оксида.
Оксидная пленка создается при помещении металла в концентрированный раствор щелочи или кислоты, который нагревается от 130 до 350⁰С, в зависимости от элементов сплава.
Самой распространённой щелочью в оксидировании является едкий натр, а кислоты – нитрат натрия и нитрит натрия.
При помещении металла в раствор концентрированной щелочи, он начинает окисляться, то есть высвобождать электроны:
Ме 0 ↔ Ме n+ + n e,
где n – количество окисленных электронов.
Одновременно с этим процессом происходит восстановление щелочи, что приводит к высвобождению гидроксильной группы:
Высвободившиеся электроны и гидроксильная группа вступают в реакцию с образованием оксида:
При окислении малоуглеродистой стали оксидная пленка окрашивается в иссиня черный цвет, а у высокоуглеродистой в серо-черный.
Метод оксидирования широко используется в декоративных работах и в ковке.
Фосфатирование
Данный метод основан, как и оксидирование, на создании защитной пленки с использованием высококонцентрированных растров фосфорной кислоты и дигидроортофосфосфата марганца (II) кислоты при невысоких температурах, до 100⁰С.
В результате химической реакции, основанной на окислительно – восстановительных процессах, на поверхности металла образуется пленка, состоящая из пассивных солей: гидрортофосфата марганца (II), дигидроортофосфосфата марганца (III), ортофосфата и фосфата фосфатированного металла.
При рассмотрении окислительно – восстановительного процесса на железе (II), видно, что
Железо в растворе окисляется:
В самом растворе, происходит восстановление водородной группы:
Высвободившиеся электроны взаимодействуют между собой, образуя фосфатные пленки:
Фосфатные пленки имеют высокий показатель адгезии, что позволяет легко наносить на них лаки и краски.
Однако данный вид защиты от коррозии можно использовать только в закрытых помещениях или как вспомогательный, так как повредить фосфатную пленку достаточно легко.
Анодирование
Метод является разновидностью оксидирования, когда на поверхность металла наносится алюминиевый слой оксида алюминия.
В качестве восстановителя используются концентрированные: серная, хромовая, бороводородная, щавелевая кислоты.
В качестве окислителя выступает алюминий, как восстановитель – водород, из кислоты.
Данный метод используется для покрытия декоративных металлов.
Электрохимические способы защиты от коррозии
Электрохимические способы защиты от коррозии широко используются в строительстве наземных и подземных сооружений.
В основе электрохимической защиты заложен закон сохранения заряда, то есть перехода заряда из одного состояния в другое.
В качестве заряда используется постоянный переход дополнительных электронов для восстановительного процесса металла с катода или анода, в зависимости от типа конструкции. Переход электронов происходит за счет создаваемой связки гальванического элемента.
Катодная защита
Этот тип защиты широко используют для защиты от коррозии подземных газопроводов, сооружений, резервуаров, а также для защиты аппаратуры промышленных предприятий.
Сущность метода заключается в катодной поляризации защищаемого металла: защищаемая конструкция подключается к отрицательному полюсу источника тока, а положительный полюс подключается к болванке металла, то есть к аноду.
Схема катодной защиты
1 – стальной провод с изоляцией; 2 – грунт; 3 – выпрямитель; 4 – засыпка; 5 – вспомогательный анод; 6 – защищаемая конструкция (трубопровод).
При таком подключении защита конструкции происходит за счет постоянных восстановительных процессов, а окислительные процессы будут проходить на аноде (металлической болванке), то есть все разрушающие воздействия будут переходить на анод.
Если монтаж защиты осуществляется в агрессивный грунт, то около анода создается дополнительный токопроводящий слой из смеси кокса, хлорида натрия и сульфата кальция.
Катодная защита хорошо показывает себя для защиты конструкций в средне агрессивных грунтах
Протекторная защита
Универсальная защита трубопроводов, которая не требует стороннего источника питания.
В основу метода положены окислительно – восстановительные реакции.
Протектор (металлическая болванка) является анодом и со временем окисляется, то есть высвобождает электроны. Защищаемая конструкция находится в непрерывном процессе восстановления, так как является катодом.
Пока анод полностью не разрушится, конструкция будет в безопасности.
Схема протекторной защиты
1 – защищаемая конструкция (трубопровод); 2 – стальной наконечник; 3 – грунт; 4 – засыпка (суспензия бентонита и алебастра); 5 – протектор; 6 – стальной провод с изоляцией.
Эффективность защиты определяется расстоянием, на котором может находиться протектор от защищаемой конструкции. Расстояние зависит от токопроводимости грунта, чем она выше, тем дальше можно расположить протектор.
Протекторную защиту как самостоятельный метод борьбы с коррозией используют редко, в основном она идет дополнением к неметаллическим изоляторам.
Анодная защита
Анодная защита используется в тех случаях, когда конструкция состоит из компонентов, которые могут при определенных условиях переходить в пассивное состояние.
За счет создание окислительно – восстановительной цепочки, в которой анодом будет конструкция, а катодом – металлическая болванка. Активатором процесса является источник постоянного тока, который будет создавать поляризацию.
Анодная защита используется в агрессивных средах с хорошей электрической проводимостью.
К пассивным компонентам слава относятся:
- хром;
- никель;
- титан;
- цирконий;
- железные сплавы.
Изменение свойств коррозионной среды
Скорость коррозии конструкций из коррозийных металлов можно снизить изменением состава грунта.
Это достигается удалением коррозийно – активных веществ из почвы. Основными способами удаления являются:
- обдувка инертными газами;
- химическая обработка среды;
- обезвоживание влажных грунтов;
- обескислочивание почвы;
- удаление агрессивных компонентов с помощью абсорбции.
Самым распространённым способом является введение в агрессивную среду ингибиторов, то есть компонентов, которые замедляют вредоносные процессы.
Видов коррозии металлов, как и способов защититься от нее достаточно много.
Для длительного служения конструкции необходимо правильно выбирать способ защиты от коррозии исходя не только из свойств того или иного металла, но и внимательно изучая грунты, климат и атмосферу в месте строительства.
Если пренебречь сбором информации и расчетами, даже самая качественная конструкция прослужит недолго.
2.2. Свойства металлов. Физические свойства металлов.
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.
К химическим — окнсляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Дадим краткие определения механическим свойствам.
Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).
Вязкостью называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.
Пластичностью называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.
Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить доброкачественность готовых изделий.
Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности.
Детали машин, механизмов и сооружений работают под нагрузками. Нагрузки на детали бывают различных видов: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных температурах, при действии коррозии и т. п.; такие детали работают ,3 сложных условиях.
В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний металлов, с помощью которых определяют механические свойства.
Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.
Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.
Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающей весьма быстро,
Кроме того, в ряде случаев, производятся испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов.
Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию,—это достаточная прочность.
Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.
Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.
Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью.
Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.
Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).
Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными. Удельная прочность (отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых сплавов выше, чем для мягкой стали.
Устойчивые к коррозии материалы
Связаться с экспертом Доступ к экспертным сервисам
Нержавеющая сталь
Во всех марках нержавеющей стали главными компонентами, отвечающими за коррозионную стойкость и пластичность металла, являются хром и никель. Добавление > 10 % хрома делает сталь нержавеющей, создавая на поверхности слой, содержащий большое количество оксида хрома. Этот слой образуется в результате реакции содержащегося в сплаве хрома с кислородом из атмосферного воздуха. Он придает стали свойство, которое делает ее нержавеющей. Добавление никеля обеспечивает хорошую пластичность и улучшенные свойства формовки и сварки.
Однако не все прутковые заготовки одинаковы. никеля и хрома в трубных обжимных фитингах и инструментальных кранах Swagelok из нержавеющей стали 316/316L превышает минимальные требования стандартов ASTM для прутков и поковок.
Следует учитывать, что хотя нержавеющая сталь разных марок и не подвержена сплошной коррозии, на ней может возникать местная коррозия.
Для борьбы со:
сплошной коррозией; водородным охрупчиванием; межкристаллитной коррозией;
Опасность коррозионного растрескивания под напряжением возрастает при высоких значениях концентрации хлоридов, температуры и растягивающих напряжений. Все марки нержавеющей стали подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением. Мы провели испытания фитингов Swagelok для трубок под давлением на устойчивость к SCC и получили превосходные результаты.
Трубные обжимные фитинги и инструментальные краны Swagelok из нержавеющей стали 316 превышают минимальные требования стандартов ASTM.
Никелевые сплавы
Назначение сплава 825 (Incoloy® 825), в состав которого входят никель, железо, хром и молибден, состоит в том, чтобы обеспечить устойчивость к сплошной, точечной и щелевой коррозии, а также коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в широком диапазоне рабочих сред.
- Стойкость к межкристаллитной коррозии благодаря стабилизации титаном
- Возможность использования в среде высокосернистого газа (NACE MR0175/ISO 15156)
- Стойкость при использовании в кислотных средах (в т. ч. в серной или фосфорной кислоте).
Титановые сплавы
Стабильная оксидная пленка с надежной адгезией защищает титановые сплавы от коррозии. Эта пленка образуется мгновенно под воздействием воздуха или влаги на поверхность. Следует избегать безводных условий в отсутствие источника кислорода, поскольку в случае повреждения защитная пленка не восстановится.
Коррозионная стойкость
Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях.
Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии.
Для количественной оценки можно использовать:
- число коррозионных очагов, образовавшихся за определённый промежуток времени;
- время, истекшее до появления первого коррозионного очага;
- изменение массы металла на единице поверхности в единицу времени;
- уменьшение толщины материала в единицу времени;
- плотность тока, соответствующая скорости данного коррозионного процесса;
- объём газа, выделившегося (или поглощённого) в ходе коррозии единицы поверхности за единицу времени;
- изменение какого-либо свойства за определённое время коррозии (например, электросопротивления, отражательной способности материала, механических свойств)
Разные материалы имеют различную коррозионную стойкость, для повышения которой используются специальные методы. Повышение коррозионной стойкости возможно при помощи легирования (например, нержавеющие стали), нанесением защитных покрытий (хромирование, никелирование, алитирование, цинкование, окраска изделий), пассивацией и др. Устойчивость материалов к воздействию коррозии, характерной для морских условий, исследуется в камерах солевого тумана.
Наиболее лёгкой формой коррозионного воздействия является изменение цвета и потеря блеска, что в принципе мало заметно издалека. При помощи санации поверхности обычно можно вернуть стали прежний привлекательный вид.
Оспенная коррозия
Оспенная коррозия (питтинговая коррозия) — это вид коррозионного воздействия, вызываемого хлоридами.
Обычно сначала появляются маленькие точки тёмно-рыжего цвета и лишь в очень сложных случаях они могут разрастаться до такой степени, что коррозия переходит в новую стадию, сплошную поверхностную коррозию. Риск возникновения коррозии усиливается, если на поверхности после сваривания остаются инородные материалы (лак и т.п.), если на поверхность попадают частицы другого корродировавшего металла, если после термообработки не был удалён цвет побежалости.
Коррозионное растрескивание
Коррозионное растрескивание — это разрушение металла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды. Оно характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла.
Такой вид коррозии появляется в средах с повышенным содержанием хлоридов, например, в бассейнах.
Щелевая коррозия
Щелевая коррозия — возникает в местах стыка, обусловленных конструктивными или эксплуатационными требованиями.
На степень коррозионного воздействия будет оказывать влияние геометрия стыка и тип соприкасающихся материалов. Наиболее опасны узкие стыки с малыми зазорами и соединение стали с пластиками. Если же избежать стыков не возможно, то рекомендуем использовать нержавеющие стали, легированные молибденом.
Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитная коррозия — этот вид коррозии возникает в настоящее время на сталях после сенсибилизации в сочетании с использованием в кислых средах.
Во время сенсибилизации выделяются карбиды хрома, которые накапливаются по границам зёрен. Соответственно возникают области с пониженным содержанием хрома и более подверженные коррозии. Подобное происходит, например, во время сваривания в зоне теплового воздействия.
Все аустенитные стали обладают стойкостью к межкристаллитной коррозии. Их можно подвергать свариванию (лист до 6 мм, пруток до 40 мм) без риска возникновения МКК.
Биметаллическая или гальваническая коррозия
Биметаллическая коррозия — возникает при работе биметаллического коррозионного элемента, т.е. гальванического элемента, в котором электроды состоят из разных материалов.
Очень часто необходимо использовать неоднородные материалы, чьё сопряжение при определённых условиях может приводить к коррозии. При сопряжении двух металлов биметаллическая коррозия имеет гальваническое происхождение. При этом виде коррозии страдает менее легированный металл, который в обычных условиях, не находясь в контакте с более легированным металлом, не подвержен коррозии. Следствием биметаллической коррозии является как минимум изменение цвета и, например, потеря герметичности трубопроводов или отказ крепежа. В конечном итоге указанные проблемы могут приводить к резкому сокращению срока службы строения и необходимости преждевременного капитального ремонта. В случае с нержавеющими сталями биметаллической коррозии подвергается сопрягаемый с ними менее легированный металл.
Как называется свойство металлов и сплавов противостоять коррозии
В ряду материалов, известных с незапамятных времен и повсеместно применяемых во многих сферах человеческой деятельности, металлы всегда занимали особое место. Причина их чрезвычайно высокой популярности легко объяснима: наряду с высокой прочностью они обладают повышенной тепло- и электропроводностью, пластичностью (ковкостью), особым металлическим блеском (отражательной способностью).
Металлами называются кристаллические вещества с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки, обладающие непрозрачностью, характерным металлическим блеском и хорошей способностью проводить тепло, электрический ток и отражать световые лучи. Для металлов характерны также плотная кристаллическая структура, высокая прочность, способность к значительным пластическим деформациям, хорошие литейные свойства, свариваемость [3].
Бывают чистые металлы и металлические сплавы.
Металлические сплавы – это вещества, образовавшиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов. Металлические сплавы могут состоять только из металлов (сплав меди и цинка – латунь) и из металлов с малым содержанием неметаллов (сплав железа с углеродом – чугун и сталь). Сплавы могут обладать различными физическими, химическими и механическими свойствами путем изменения компонентов и соотношения между ними.
Металлы подразделяются на чёрные и цветные. К чёрным металлам относятся железо и сплавы на его основе. Черные металлы имеют высокую температуру плавления, большую плотность, высокую твердость. К ним относятся железо и сплавы на его основе – сталь и чугун.
Сталь – это сплав железа с углеродом в количестве 0,02 – 2,14%.
Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,14 – 6,67%.
Они имеют наибольшее применение в строительстве, так как их стоимость значительно ниже цветных металлов (нежелезных).
Цветные металлы обладают низкой температурой плавления, большой пластичностью, имеют характерную окраску (красную, белую, желтую). К ним относятся медь, цинк, алюминий, никель, олово, свинец, золото, серебро).
Классификация металлов:
-
Черные металлы – имеют высокую температуру плавления, большую плотность, высокую твердость. К ним относятся железо и сплавы на его основе – сталь и чугун.
Сталь – это сплав железа с углеродом в количестве 0,02 – 2,14%.
Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,14 – 6,67%.
Классификация сплавов:
- по основному компоненту — железные, алюминиевые и т.д.
- по плотности: легкие (магниевые, алюминиевые) с малой плотностью до 5000 кг на м куб.; и тяжелые (на основе вольфрама) с высокой плотностью не менее 15000 кг на м куб.
- по температуре плавления: легкоплавкие (температура плавления до 1539℃ — олово, свинец, цинк, самая низкая температура плавления у ртути 38, 87℃) и тугоплавкие (температура плавления выше 1539℃ — титан, хром, вольфрам).
- по применению:
- антифрикционные;
- коррозионно-стойкие (сплавы на основе железа, меди, алюминия);
- криогенные (сплавы на основе железа, алюминия), характеризуются комплексом тепловых, электрических, механических свойств и предназначены для работы при низких температурах (от -269 до+20);
- магнитные (сплавы, обладающие ферромагнетизмом);
- немагнитные.
2.2. Свойства металлов и сплавов. Физические свойства
Свойства металлов и сплавов делятся на:
- физические;
- химические;
- механические;
- технологические.
Физические свойства – это те свойства, которые определяются без воздействия силы. К физическим свойствам металлов относятся: плотность, температура плавления, тепло- и электропроводность, расширение при нагревании, намагничивание.
Плотность – масса, содержащаяся в единице объема (кг/м3):
где m – масса, кг (г); V – объема, м3 (см3).
По плотности различают металлы:
- тяжелые (плотность более 5000 кг/м3),
- легкие (плотность менее 5000 кг/м3), самый легкий металл — литий с плотностью 0, 531.
Температура плавления – способность металлов при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое.
Электропроводность – это способность металлов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. Наибольшей электропроводностью обладают чистые металлы – медь, алюминий, железо. У сплавов электропроводность ниже. Из металлов, которые хорошо проводят электрический ток, делают электрические провода.
Теплопроводность – это способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам с той или иной скоростью. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать. Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.
Известно, что все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Расширение при нагревании – это увеличение размеров (объемов) металлов и сплавов при нагревании. Это свойство надо учитывать при ковке, сварке изделий.
Интересно знать: Тепловое расширение
Намагничивание – способность металлов и сплавов намагничиваться под действием магнитного поля.
По степени намагничиваемости различают:
- ферромагнитные металлы, способны намагничиваться под действием электрического поля (кобальт, никель, железо, а также ряд их сплавов);
- парамагнитные – способны слабо намагничиваться (алюминий, хром, титан);
- диамагнитные – не притягиваются к магниту, отталкиваются от него (медь, олово).
2.3. Химические свойства металлов и сплавов
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.
К химическим свойствам металлов и сплавов относят:
- коррозионную стойкость (способность материала противостоять различным видам коррозии);
- кислотостойкость (способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь);
- щелочестойкость (способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец);
- жаростойкость (способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам).
2.4. Механические свойства металлов и сплавов
Механическими называют свойства, которые определяются с воздействием силы. К ним относятся: прочность, твёрдость, пластичность, упругость, ударная вязкость и жаропрочность металлов.
Прочность – способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил. Прочность – одно из важных свойств металлов. Для точного определения и измерения прочности из металла или сплава изготовляют образец и подвергают его испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, но с возрастающей силой растягивает образец до полного его разрыва. Наибольшее напряжение, которое может выдержать образец металла не разрушаясь, называется пределом прочности для данного металла или временным сопротивлением разрыву.
Прочность определяется в испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез (Рис.2.1).
Рис.2.1. Определение прочности металла
Твердость – способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю), а после закалки — 500 . . . 600 НВ (Рис.2.2).
Рис. 2.2. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Ударная вязкость – способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок.
Хрупкость – свойство металла разрушаться без заметной пластической деформации.
Вязкость – способность металла оказывать сопротивление ударным внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.
Упругость – способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.
Пластичность – способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.
Необходимость определения пластичности металлов вызывается тем, что пластичные металлы можно подвергать обработке давлением, т. е. ковать, штамповать или на прокатных станах превращать слитки металлов в полосы, листы, прутки, рельсы и многие другие изделия и заготовки.
В противоположность пластичным хрупкие металлы под действием нагрузки разрушаются без изменения формы. При испытании хрупкие образцы разрушаются без удлинения, внезапно. Хрупкость является отрицательным свойством. Вполне пригодным для изготовления деталей машин будет не только прочный, но и в определенной мере пластичный металл.
Интересно знать: Испытание строительной арматуры на растяжение
Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в технике. При этом изменение формы тела осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой. Обработка металлов давлением представляет собой важный технологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов.
Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии. Среди различных методов пластической обработки прокатка занимает особое положение, поскольку данным способом производят изделия, пригодные для непосредственного (в состоянии поставки) использования в строительстве и машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машиностроения и пр.).
2.5. Технологические свойства и пробы металлов
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки. К ним относятся: ковкость, свариваемость, обрабатываемость, износостойкость, заполняемость форм.
Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил, как в холодном, так и в горячем состоянии.
Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает чугун.
Свариваемость – способность металла образовывать качественные сварные соединения.
Обрабатываемость резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.
Износостойкость – это способность металла и стали противостоять изменению свойств и разрушению в течении времени, при механическом, физическом или химическом воздействии. Для того чтобы увеличить износостойкость металла, есть различные способы. Например, это могут быть усиливающие конструкции, которые помогают компенсировать износ и равномерно распределить его. Также часто производят улучшение самого металла, покрывая его специальными средствами и т.д.
Главное свойство износостойких сталей – повышенная твердость, которая обеспечивается присутствием в составе марганца и других легирующих элементов. Причем чем сильнее нагрузка на элемент, тем более износостойкой и твердой становится деталь, а разрушения поверхности и внутренней структуры не происходит.
Технологическими пробами называют испытания материала с целью выявления пригодности его к тому или иному виду обработки. Технологические пробы металлов весьма разнообразны. Они служат для качественной или сравнительной оценки металла.
Испытания на изгиб стальных труб (Рис. 2.3., г) определяют способность труб загибаться без трещин и надрывов на угол 90°. Перед испытанием трубу 4 (наружным диаметром до 60 мм) заполняют чистым сухим речным песком или другим наполнителем. Испытание заключается в плавном изгибе образца любым способом, позволяющим загнуть образец так, чтобы его наружный диаметр dm в одном месте не стал меньше 85% от начального. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились изломы, надрывы, расслоения.
Испытание на отбортовывание труб (Рис. 2.3., в) используют для определения способности труб к отбортовке на угол 90°. Конец трубы 4 отбортовывается с помощью оправки 2 усилием Р пресса до получения фланца заданного диаметра D. Рабочая поверхность оправки должна быть чисто обработанной и обладать высокой твердостью (HRC не менее 50). Радиус закругления оправки, которым формируется борт, должен быть равен двукратной толщине стенки трубы (R= 2s). Отбортовывание считается качественным, если на фланце не обнаружено надрывов и трещин.
Испытание на сплющивание труб (Рис. 2.3., б) служит для определения их способности сплющиваться до определенной высоты Н без трещин и надрывов. Конец трубы или ее отрезок длиной 20–50 мм сплющивают между двумя параллельными плоскостями. Если труба сварная, то шов на ней должен располагаться по горизонтальной оси, как показано на рисунке. Сплющивание труб производят плавно со скоростью не более 25 мм/мин. Образец выдержал испытание, если на нем не появились трещины или надрывы.
Рис.2.3. Технологические испытания: а – на осадку; б – на сплющивание; в – на отбортование труб; г – на изгиб труб; 1 – образец до осадки; 2 – образец после осадки; 3 – оправка; 4 — труба
Искровая проба предназначена для определения марки стали (конструкционная, инструментальная или быстрорежущая). Принадлежность стали к определенной марке определяется этим способом достаточно точно.
Определение марки стали по искре производится на наждачном круге. При нажатии металла на быстро вращающийся наждачный круг образуется сноп искр, которые отличаются друг от друга по форме и цвету.
Для более правильного определения состава стали по искре необходимо иметь станки с соответствующими наждачными кругами и контрольные образцы стали потребляемых марок.
По длине искр, форме, их окраске, количеству и характеру звездочек судят о химическом составе стали (процентное содержание в сплаве углерода и присутствии в нем вольфрама, марганца и других элементов) (Рис.2.4).
С повышением процентного содержания углерода в конструкционной стали искровой пучок ее приобретает сходство с искровым пучком инструментальной стали.
Количество и плотность звездообразных разветвлений дают специалисту возможность определить примерное содержание углерода в стали.
Цвет искр зависит также от марки стали и постепенно изменяется от темно-желтого у малоуглеродистой стали до светло-желтого у инструментальной стали.
Быстрорежущую сталь узнают по темно-красному цвету искр. Искровые нити многократно прерываются, и пучки иногда слабо разветвляются.
Рис.2.4. Проба стали на искру
Комплекс ценных физических, химических, технологических и эксплуатационных свойств, обусловленный особенностями строения металлов и сплавов, выгодно отличает их от других материалов и во многих случаях делает незаменимыми. Однако металлы не лишены некоторых недостатков: способность металлов разрушаться под воздействием агрессивных сред и подверженность деформациям при изменении температурного режима.
Интересно знать: Сталь и её виды
Определение марки стали по цвету и форме искры
Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в технике. При этом изменение формы тела осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой. Обработка металлов давлением представляет собой важный технологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов.
Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии. Среди различных методов пластической обработки прокатка занимает особое положение, поскольку данным способом производят изделия, пригодные для непосредственного (в состоянии поставки) использования в строительстве и машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машиностроения и пр.).
БЛОК САМОКОНТРОЛЯ
Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентацией «Свойства металлов и сплавов»