Разрушение металлической

Металлы и их сплавы являются наиболее важными Современными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции, есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических конструкций (железных кровель зданий, стальных мостов, станков и оборудования цехов) в атмосфере; ржавление наружной металлической обшивки судов в речной и морской воде; разрушение металлических баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических и других заводах; ржавление стальных трубопроводов в земле; окисление металлов при их нагревании и т. п. У большинства металлов в условиях их эксплуатации более устойчивым является окисленное (ионное) состояние, в которое они переходят в результате коррозии. Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать».

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Под металлами здесь и в дальнейшем подразумеваются простые металлы и их сплавы, а также металлические изделия и конструкции. Средой, в которой происходит коррозия металлов, обычно бывают различные жидкости и газы.

Электрохимическая коррозия металлов представляет собой самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие электрохимического взаимодействия их с окружающей электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от величины электродного потенциала металла.

Разрушение металлических аппаратов, конструкций, трубопроводов и других металлических изделий может быть вызвано различными причинами. Однако основной причиной, вызывающей коррозионное разрушение металлов и сплавов, является протекание на их поверхности электрохимических или химических реакций вследствие воздействия внешней среды. В зависимости от характера этих реакций коррозионные процессы происходят по двум механизмам — электрохимическому и химическому.

Известное влияние на процессы подземной коррозии металлов оказывают микроорганизмы, продукты жизнедеятельности которых могут в значительной степени ускорить разрушение металлических конструкций.

Электрохимическая корроаил металлов представляет собой самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие электрохимического взаимодействия их с окружавшей электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среди протекает не в одном акте и их скорости зависят от величины электродного потенциала металла.

Таким образом, в случае отсутствия эффективных противокоррозионных мероприятий при эксплуатации коммуникаций и оборудования в условиях воздействия сероводородсодержащих сред возможно изменение коррозионно-механических свойств материалов, образование блистеров, расслоений и коррозионных трещин, вызывающих разрушение металлических конструкций.

Среди факторов, влияющих на надежность крупногабаритных конструкций, прежде всего необходимо выделить такую специфическую особенность рассматриваемых объектов, как значительные поверхности и большая протяженность сварных швов. Поскольку катастрофические последствия аварий крупногабаритных металлических объектов чаще всего связаны с потерей конструктивной прочности, роль указанного фактора трудно переоценить. В самом деле, ответственность сварных соединений за разрушение металлических конструкций хорошо известна. С другой

10. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов.- М.: Наука, 1992.- 157 с. Cambridge: Cambridge Interscience Publ. 1998.

13. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических сплавов.- М.: Наука, 1992.- 157 с. Cambridge: Cambridge Interscience Publ. 1998.

44. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов.- М.: Наука, 1992.- 157 с.

Одно из принципиальных различий между этими двумя механизмами коррозии металлов заключается в том, что при электрохимической коррозии одновременно происходят два процесса: окислительный (растворение металла на одном участке) и восстановительный (выделение катиона из раствора, восстановление кислорода и других окислителей на другом участке металла). Например, в результате растворения цинка в серной кислоте образуются ионы цинка и выделяется газообразный водород; при действии воды железо переходит в окисное или гидроокис-ное состояние и восстанавливается кислород с образованием гидроксильных ионов. При химической коррозии разрушение металлической поверхности осуществляется без разделения на отдельные стадии и, кроме того, продукты коррозии образуются непосредственно на тех участках поверхности металла, где происходит его разрушение.

Наряду с разрушением металлических конструкций, вызываемых указанными выше причинами, нередко наблюдается износ металлических изделий из-за постепенного их истирания. Такое разрушение металлической поверхности называют эрозией металлов. Не всегда удается разделить явления коррозии и эрозии металлов. В особенности это трудно сделать в условиях эксплуатации машин и аппаратов в химической промышленности, когда процессы коррозии и эрозии часто протекают совместно, например при работе мешалок, насосов, трубопроводов и др. Поэтому предметом научной дисциплины «разрушение металлов» является изучение комплекса вопросов физико-химического и механического разрушения металлической поверхности.

84. К а щ е е в В. Н. Предварительный наклеп и абразивное разрушение металлической поверхности.—• «Сельхозмашина», 1955, № 1.

Электрохимическая теория эрозионного разрушения в ее наиболее чистом виде объясняет эрозионный износ непрерывно протекающими химическими и электрохимическими процессами, вызывающими коррозию. Разрушение кавитационных пузырей якобы только ускоряет эти процессы, вызывая повышение температуры и давления. Роль потока с этой точки зрения сводится лишь к удалению продуктов коррозии. Защитников такой точки зрения становится немного (Л. 96 и 97], поскольку взгляд на химические процессы как на основную причину эрозионных разрушений не подтверждается. В этой связи следует указать, что эрозии подвергаются такие химически пассивные материалы, как агат, бетон, золото и др. (Л. 85]. Известны примеры очень интенсивной эрозии, когда сквозное эрозионное разрушение металлической пластинки высокоскоростной струей воды происходит за несколько секунд {Л. 47] или сильная эрозия возникает с нескольких ударов крупных капель (Л. 48, 79 и др.]. При столь малом времени эрозионного разрушения бессмысленно говорить о преобладающей роли коррозии. Исследовав более тридцати различных материалов в морской воде, авторы [Л. 43 и 98] пришли к выводу, что скорость эрозионного разрушения при кавитации превосходит скорость коррозионного разрушения в среднем более чем на четыре порядка. При кавитации в неагрессивных жидкостях химические процессы только сопровождают основной механизм эрозионного воздействия, подготовляя деталь к последующему более легкому повреждению, и тем самым ускоряют процесс •58

Очевидно, что общий объем этих трещин, форма, размеры будут в большой степени определять прочность чугуна. Чем их больше, тем они сильнее разобщают металлическую основу, тем меньше 'прочность чугуна. Особенно сильно сказывается влияние графитных включений на прочность при растяжении. Острые концы полостей, занятых графитом, облегчают разрушение металлической основы. Они играют роль надрезов.

образцов, поскольку удельный объем цементита больше, чем феррита (рис. 52). На высокотемпературной стадии полости не увеличиваются в размерах, а лишь освобождаются от графита. С увеличением содержания углерода в твердом растворе удельный объем возрастает, что обусловливает увеличение размеров образцов. Разрушение металлической основы чугуна, предполагавшееся в ранних гипотезах роста, при медленных теплосменах не наблюдалось. Отсутствовало оно и при высокоскоростных испытаниях на ростоустойчивость.

Особенности коррозионио-эрозионного разрушения металлов и сплавов в скоростных газовых потоках. При небольших скоростях газовых потоков влияние динамических эффектов на механизм и кинетику газовой коррозии незначительно. Однако при скоростях потоков, сравнимых со скоростью звука, кинетическая энергия газовых молекул растет пропорционально квадрату М-числа (М — число Маха, лредставляющее собой отношение скорости течения газа к местной скорости звука в газообразной среде) и становится сравнимой с тепловой энергией. Известно, что вблизи поверхности, обтекаемой скоростным газовым потоком, образуется пограничный слой изменения скорости, давления и температуры, в котором и определяют энергетическое воздействие среды на металл. Разрушение металлической поверхности в скоростных газовых потоках происходит вследствие механического, теплового и химического воздействия, интенсивность которых определяется составом газовой среды,

Взаимосвязь коррозия — образование инкрустаций на стенке аппарата или трубопровода ведет к увеличению электрохимической гетерогенности металлической поверхности, т.е. в конечном счете к еще большей интенсификации процесса (за исключением образования защитного слоя из осадков). При отсутствии защитного слоя происходит активное разрушение металлической поверхности. Так, погружные нагревательные элементы часто выходят из строя из-за питтинговой коррозии кожуха [26], протекающей под отложениями карбонатов Са и Mg, которые образуются при нагревании жесткой воды, содержащей С02 и

9. Среды, вызывающие эрозионное или кавитационное поражение стали. К таким относятся среды, обладающие соответствующими скоростями движения. При механической эрозии происходит последовательное разрушение металлической поверхности мельчайшими участками, вызванное динамическим воздействием среды (жидкости, газа или пара); при кавитации на поверхности металла в жидкости образуются пузырьки газа или пара с пониженным давлением, разрушение которых приводит к многократно повторяющимся гидравлическим: ударам, действующим на металл. Кавитационные явления усиливаются с увеличением загрязнения жидкости поверхностно-активными веществами и газами, а эрозионные — при наличии в среде абразивных частичек.

В соответствии с этими представлениями, в условиях коррозионной усталости отдельные участки поверхности металла, вследствие многочисленных причин, находятся под действием различных по величине напряжений. Напряжения облегчают разрушение металлической связи между ион-атомами металла и снижают работу выхода. Поэтому электродные потенциалы различно напряженных участков различны—участки с максимальными напряжениями имеют более низкие потенциалы, т. е. под действием этих напряжений они становятся анодными. Разрушение защитной пленки на металле при действии механических нагрузок приводит к появлению наиболее раз-благороженных анодных участков. Далее, напряжения могут вызвать распад пересыщенного твердого раствора под влиянием деформации и образование новых фаз с новыми электрохимическими характеристиками. Все это усиливает электрохимическую неоднородность металла и вызывает коррозию, протекающую избирательно.

Вопрос о том, как далеко пойдет разрушение металлической структуры, зависит от свойств образующихся пленок. Поэтому при большой термодинамической возможности для протекания процесса окисления некоторые металлы, как, например, алюминий, оказываются вследствие образования окис-ных пленок, тормозящих дальнейший процесс окисления, весьма устойчивыми в атмосфере влажного воздуха. Другие металлы, наоборот, при меньшей термодинамической возможности протекания процесса корродируют очень сильно. В этом отношении характерно поведение железа. Для него отношение рабочей функции к теплоте сублимации несколько больше единицы, что характерно для металлов, находящихся в пассивном состоянии. На самом же деле, как известно, железо в атмосферных условиях подвергается очень сильной коррозии. Однако следует заметить, что в сухом воздухе железо находится в пассивном состоянии и корродирует быстро лишь в присутствии паров воды.