Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Коррозия металлов и методы защиты от коррозии

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 777835.01.99
Пособие включает в себя общие сведения о процессах коррозии и рассматривает основные механизмы химической и электрохимической коррозии. Изложены основы теоретического описания коррозионных явлений, а также термодинамический анализ и вопросы, связанные с кинетикой реакций. Рассмотрено влияние окружающей среды на коррозионные процессы. Освещены основные методы защиты металлов от коррозии. Даны примеры решения типовых задач и приводятся задания для самостоятельной работы. В приложении содержится справочный материал.
Новгородцева, О. Н. Коррозия металлов и методы защиты от коррозии : учебное пособие / О. Н. Новгородцева, Н. А. Рогожников. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. - 162 с. - ISBN 978-5-7782-3843-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1866055 (дата обращения: 23.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
О.Н. НОВГОРОДЦЕВА, Н.А. РОГОЖНИКОВ 
 
 
 
 
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ  
И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ  
ОТ КОРРОЗИИ 
 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 620.193/.197(075.8) + 669.018.8(075.8) 
          Н 726 
 

Рецензенты: 

канд. пед. наук Е.М. Турло 
канд. хим. наук А.Г. Зелинский 
 
Работа подготовлена на кафедре химии и химической технологии  
для студентов, обучающихся по направлениям 18.03.01 –  
Химическая технология и 18.03.02 – Энерго- и ресурсосберегающие 
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии 
 
 
 
Новгородцева О.Н. 
Н 726   
Коррозия металлов и методы защиты от коррозии: учебное 
пособие / О.Н. Новгородцева, Н.А. Рогожников. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2019. – 162 с. 

ISBN 978-5-7782-3843-5 

Пособие включает в себя общие сведения о процессах коррозии и 
рассматривает основные механизмы химической и электрохимической коррозии. Изложены основы теоретического описания коррозионных явлений, а также термодинамический анализ и вопросы, связанные с кинетикой реакций. Рассмотрено влияние окружающей среды на коррозионные процессы. Освещены основные методы защиты 
металлов от коррозии. Даны примеры решения типовых задач и приводятся задания для самостоятельной работы. В приложении содержится справочный материал. 
 
УДК 620.193/.197(075.8) + 669.018.8(075.8) 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-3843-5  
 
 
© Новгородцева О.Н., Рогожников Н.А., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
Введение ................................................................................................................... 5 

1. Общие сведения о коррозии  материалов ...................................................... 6 
   1.1. Классификация процессов коррозии ............................................................ 6 
   1.2. Показатели скорости коррозии ..................................................................... 9 

2. Химическая коррозия ..................................................................................... 18 
   2.1. Химическая коррозия  в неэлектролитах ................................................... 18 
   2.2. Химическая газовая коррозия ..................................................................... 19 
   2.3. Факторы газовой коррозии ......................................................................... 24 

3. Электрохимическая коррозия.  Анодные и катодные процессы ............ 37 
   3.1. Электрохимическая коррозия ..................................................................... 37 
   3.2. Механизм электрохимической коррозии ................................................... 38 
   3.3. Определение возможности  коррозионных процессов ............................. 45 
   3.4. Потенциал и ток коррозии .......................................................................... 48 
   3.5. Влияние среды на протекание  электрохимической коррозии ................ 56 
   3.6. Межкристаллитная и контактная коррозия ............................................... 61 

4. Диаграмма состояния системы  металл – вода.   
    Анодная пассивность металлов .................................................................... 66 
   4.1. Построение диаграмм Пурбе ...................................................................... 66 
   4.2. Решение задач с помощью диаграмм «Е – рН» ......................................... 73 
   4.3. Анодная пассивность металлов .................................................................. 80 

5. Сплавы. Защитные покрытия.  Электрохимическая защита ................. 84 
   5.1. Сплавы. Жаростойкое легирование ............................................................ 84 
   5.2. Защита от коррозии изменением  состава среды ...................................... 92 

5.3. Защитные покрытия ..................................................................................... 93 
      5.3.1. Металлические покрытия ...................................................................... 93 
      5.3.2. Неметаллические покрытия .................................................................. 95 
   5.4. Электрохимическая защита ......................................................................... 99 
      5.4.1. Катодная защита .................................................................................... 99 
      5.4.2. Анодная защита .................................................................................... 108 
   5.5. Поляризационные кривые  коррозионных процессов ............................ 112 
   5.6. Измерение коррозионного тока методом поляризационного 
         сопротивления ............................................................................................. 117 

6. Многовариантные и домашние задания .................................................... 120 
   Тема 1. Общие сведения о коррозии материалов ........................................... 120 
   Тема 2. Химическая коррозия .......................................................................... 122 
   Расчетно-графическое задание по коррозии .................................................. 127 
   Тема 3. Электрохимическая коррозия. Анодные и катодные процессы ...... 128 
   Тема 4. Диаграмма состояния системы  металл – вода.  
   Анодная пассивность металлов ....................................................................... 130 
   Контрольная работа .......................................................................................... 132 
   Тема 5. Сплавы. Защитные покрытия. Электрохимическая защита ............ 141 
   Контрольная работа .......................................................................................... 143 
Библиографический список ................................................................................ 144 

Приложения ........................................................................................................ 146 
Справочные таблицы ........................................................................................... 146 
Периодическая таблица элементов Д.И. Менделеева....................................... 146 
Таблица растворимости солей и оснований в воде ........................................... 147 
Константы диссоциации слабых кислот и оснований ...................................... 147 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Учебное пособие по коррозии металлов и методам защиты от нее 
содержит изложение основ электрохимической коррозии. Необходимость курса по коррозии металлов и борьбы с нею обусловлена распространенностью коррозионных процессов в природе. Ущерб от коррозии проявляется в виде безвозвратных потерь конструкционных металлов и продукции. Экономические потери включают в себя, кроме 
того, также затраты на ремонт и замену конструкций, ущерб от аварий 
и затраты на ликвидацию их последствий. В целом экономические потери от коррозии оцениваются в 3 % от ВВП. Поэтому защита металлов и сплавов от влияния коррозии была и остается одной из основных 
проблем промышленности. 
В первом разделе даны общие сведения о процессе коррозии. Во 
втором разделе приводятся сведения о химической коррозии. В третьем разделе изложены основные положения электрохимической коррозии: вид реакций окисления металлов и восстановления окислителей, 
определена возможность коррозии, потенциал и ток коррозии, влияние 
окружающей среды на протекание коррозии. Четвертый раздел посвящен анализу равновесных состояний с помощью диаграмм Пурбе, рассмотрены вопросы влияния рН на потенциал и анодной пассивности 
металла. В пятом разделе освещены основные методы защиты металлов от коррозии. Шестой раздел содержит многовариантные и домашние задания. Все темы курса сопровождаются примерами решений типовых задач, углубляющих понимание сути коррозионных процессов и 
методов защиты.  
В приложении приведен справочный материал, необходимый для 
выполнения заданий. 
 
 
 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРРОЗИИ 
 МАТЕРИАЛОВ 

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ 

Коррозией металлов и сплавов называется процесс самопроизвольного разрушения материалов при химическом, электрохимическом и 
биохимическом взаимодействии их с окружающей средой. Коррозия – 
это сопряженный окислительно-восстановительный процесс, в ходе 
которого происходит окисление (разрушение) металла и восстановление окислителя из окружающей среды. Коррозионные процессы протекают на границе раздела фаз металл – окружающая среда, т. е. являются гетерогенным взаимодействием поверхностного слоя металла с 
раствором или газом. 
Коррозию металлов и сплавов классифицируют по механизму, 
условиям протекания процесса и характеру коррозионного разрушения. По механизму разрушения металла коррозионные процессы подразделяют на химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия наблюдается при взаимодействии металла с сухим газом 
или жидкостью – неэлектролитом, при котором окисление металла и 
восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одну стадию при непосредственном соприкосновении. 
Электрохимическая коррозия наблюдается при взаимодействии металла с раствором электролита, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одну стадию. При этом растворение металла в коррозионной 
среде сопровождается появлением электрического тока. Электрохимическая коррозия является широко распространенным явлением и 
наиболее опасным для металлов и их сплавов. 

Классификация коррозионных процессов по условиям протекания 
1. Химическая газовая коррозия металлов протекает при высокой 
температуре в атмосфере газа (пример: окисление или обезуглероживание сталей). 
2. Атмосферная коррозия протекает при комнатной температуре в 
цеховых условиях или в атмосфере открытого воздуха. Окисление стали во влажном воздухе – электрохимическая коррозия, в сухом воздухе – химическая коррозия. 
3. Жидкостная коррозия имеет место в жидкой среде. В среде неэлектролита (органические жидкости, нефть, бензин, расплавленная 
сера и т. д.) металл корродирует по химическому механизму, в среде 
электролита (растворы кислот, щелочей, солей, расплавы, морская и 
речная вода, влажный грунт) – по электрохимическому механизму. 
4. Подземная коррозия металлических конструкций в грунте имеет 
электрохимическую природу (пример – коррозия стальных трубопроводов). 
5. Биокоррозия металла в грунте вызывается жизнедеятельностью 
микроорганизмов. Во влажном грунте одновременно с биокоррозией 
протекает электрохимическая коррозия. 
6. Структурная электрохимическая коррозия связана с присутствием катодных включений в металле (карбид в стали, интерметаллид 

2
CuAl  в дюралюмине, графит в чугуне); вследствие неоднородности 
поверхности в растворе соляной или серной кислот может происходить 
усиление электрохимической коррозии. 
7. Электрохимическая коррозия блуждающим током в грунте возникает при протекании постоянного тока от рельсов электрифицированного транспорта к подземному трубопроводу. 
8. Контактная коррозия при соприкосновении двух разнородных 
металлов с разным стационарным потенциалом носит электрохимический характер (пример – контакт деталей из меди и алюминиевого 
сплава в морской воде). 
9. Щелевой коррозией называют усиление коррозии в зазорах между металлами (пример: резьба и фланцы соединений в воде) или между 
металлами. 
10. Коррозия под напряжением – коррозия металла при одновременном воздействии агрессивной среды и механического напряжения. 
11. Коррозионная кавитация происходит при сложении ударного 
воздействия и коррозионного процесса (пример: коррозия гребных 
винтов в морской воде). 
12. Коррозия при трении (пример: коррозия в морской воде шейки 
вала при вращении в подшипнике). 

13. Фреттинг – коррозия, возникающая в атмосфере при вибрации 
двух соединенных болтами металлических деталей. 

Классификация процессов коррозии по виду коррозионного  
      разрушения 
Различают общую, или сплошную коррозию, которая протекает на 
всей поверхности металла, местную, которой подвергаются только отдельные части поверхности, и растрескивающую. 
Виды сплошной (общей) коррозии: 
– равномерная, имеющая одинаковую скорость на всех частях поверхности (пример: коррозия углеродистой стали в растворах 
2
4
H SO ); 
– неравномерная, при которой на разных частях поверхности скорость коррозии различна (пример: коррозия углеродистой стали в морской воде); 
– избирательная, когда происходит разрушение одного из компонентов сплава (пример: обесцинкование латуней) или одной из структур сплава. 
Виды местной коррозии: 
– пятна (пример: коррозия латуни в морской воде); 
– язвы – разрушения в виде раковин (пример: коррозия стали в 
грунте); 
– точечная (питтинг), проникающая в глубь металла (пример: коррозия хромоникелевой стали в морской воде); 
– сквозная, представляющая собой дальнейшее развитие точечной 
или язвенной коррозии листового металла; 
– нитевидная, которая появляется под защитными неметаллическими покрытиями в виде нитей (пример: коррозия углеродистой стали 
под пленкой лака); 
– подповерхностная, проникающая внутрь, под поверхность металла, что вызывает образование вздутий (пример: коррозия недоброкачественно прокатанного листового металла); 
– межкристаллитная, которой подвергается граница зерен металла 
(пример: коррозия хромоникелевой стали Х18Н10 после ее замедленного охлаждения или нагрева при 500…550 C); 
– ножевая, появляющаяся в виде надреза ножом (пример: коррозия 
сварных швов стали Х18Н10 в крепкой азотной кислоте). 
Растрескивающаяся коррозия, возникающая при сочетании влияния агрессивной среды и напряжений растяжения (пример: коррозия 
сплавов магния с алюминием). 

В ходе коррозии металл может приобретать коррозионную хрупкость – свойство разрушаться без заметного поглощения энергии 
(пример: водородное охрупчивание труб в сероводородной среде). 

1.2. ПОКАЗАТЕЛИ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ 

Для оценки коррозионной устойчивости металлов проводят коррозионные испытания, которые позволяют определить влияние различных факторов (физико-химических, технологических, эксплуатационных) на скорость коррозии металлов. Скорость коррозии зависит от 
множества одновременно действующих факторов, таких как внутренние, характеризующие природу материала, его технологию, состав и 
тип структуры, состояние поверхности, и внешние, характеризующие 
состав агрессивной среды и условия протекания процесса (давление, 
температура, гидродинамические условия и др.). 
Оценка скорости коррозии может осуществляться с помощью весовых 
m
K   и 
m
K  , объемных 
Н2 
v
K
 и 
О2 
v
K
, токового 
j
K  и глубинного 

d
K  показателей. 
Весовой показатель коррозии 
m
K
 – изменение массы образца m [г] 

на единице площади поверхности s [
2
м ] в единицу времени t [ч]: 

 
m
m
K
st


. 
 (1.1) 

При уменьшении массы 
0
1)
~ (
–
m
K
m
m

, где 
0
m  и 
1
m  – масса образца в нулевой момент времени 0t  и в момент времени 1t ; при увели
чении массы до 
2
2
0
~
.
(
)
–
m
m K
m
m

 
Для оценки коррозионной устойчивости материалов с помощью весового показателя 
m
K   принята классификация, приведенная в табл. 1.1. 
Объемный показатель коррозии 
V
K
 равен объему водорода 
H2
V
 
или кислорода 
2
O
V
, который выделяется при коррозии на единице 

площади поверхности s [
2
м ] в единицу времени t [ч]: 

 
2

2
Н
H
,
V
V
K
st

 
2

2
О
О
V
V
K
st

.  
(1.2) 

Т а б л и ц а  1.1 

Классы коррозионной устойчивости 

Класс 
Характеристика материала 
Значение Km [г/м2 ч] 

В 
Материалы с высокой устойчивостью 
Менее 0,1; для Al и его сплавов 
до 0,033 

Х 
Материалы с хорошей устойчивостью 
Менее 1; для Al и его сплавов  
до 0,33 

П 
Материалы с пониженной устойчивостью, но пригодные к практическому применению 

Менее 3; для Al и его сплавов 
до 1 

Н 
Неустойчивые материалы 
Более 3; для Al и его сплавов 
выше 3 

Согласно закону эквивалентов объем выделившегося газа 
газ
V
 пропорционален массе 
m

 прокорродировавшего металла. При нормальных условиях 

 
эк газ
газ

эк
М
Ме

V
V
m 

, 
 (1.3) 

где 
эк газ
V
 – эквивалентный объем газа (
2
3
эк H  
11200 см /моль;
V

 

2
3
эк О  
5600 см /моль
V

); 
эк
М
Ме  – молярная масса эквивалентов металла [г/моль]. 
Уравнения для расчета эквивалентных объемов и масс: 

 

2
2
эк Н
эк O
эк
,
, М
2
4

m
m
Ме
m

V
V
M
V
V
n



,  
(1.4) 

где 
m
V  – молярный объем идеального газа, 
3
22400 см /моль
m
V

; М – 
молярная масса металла [г/моль]; nm – число электронов, участвующих 
в реакции окисления металла. 
Соотношения между 
V
K
 и 
m
K
: 

 
эк газ
газ
газ

эк

(
)
(
)
.
М

m
V
m

Ме

K
V
V
m
K
V
st m
K
m









 
 (1.5) 

Соотношение между единицами измерения для 
m
K   и 
V
K
: 

 

3
3
эк газ
2
2
эк

г см
моль
см (газ)
М
м
ч моль г
м
ч

m

Ме

K V





 


.  
(1.6) 

Токовый показатель коррозии 
j
K  равен плотности тока коррозии 

2
кор А
]
/м
[
j
. 

Обобщенное уравнение Фарадея 

 
эк кор
М

F

I
t
m


,  
(1.7) 

где 
кор
I
 – ток коррозии [А]; F – постоянная Фарадея, позволяет полу
чить соотношение между токовым и весовым показателями: 

 
кор
кор
эк
эк

(
)F
F
,
,
М
М

m
j
j
j

Ме
Ме

I
K
m
K
j
K
K
s
st







.  
(1.8) 

При измерении времени в часах применяют следующее преобразование численного значения постоянной Фарадея: 

 
F = 96 485 Ас/моль = 26,8 Ач/моль.  
(1.9) 

Величина 
эк
элх
М
/ F
M

 – молярная масса электрохимических эквивалентов вещества, [г/Кл или г/А  ч]. Другое название – электрохимический эквивалент вещества q. Его значение показывает, сколько 
граммов вещества выделится при пропускании в цепи единицы количества электричества. 
Соотношение между единицами измерения 
m
K    и 
j
K : 

 
2
2
эк

F
г А ч моль
А
М
м
м
ч моль г

m

Ме

K 

 


 

. 
 (1.10) 

Глубинный показатель коррозии 
d
K  характеризует процесс при 
равномерном разрушении поверхности металла. Он равен толщине 

слоя металла d [мм], который прокорродировал за единицу времени t 
[год], 

 

3

6
мм
10 м
м
,
=
=
год
8760 ч
8,76 10 ч
d
d
K
t




.  
(1.11) 

Численные значения глубинного показателя 
d
K , полученные через 
толщину слоя потерянного при коррозии металла, положены в основу 
шкалы коррозионной стойкости (табл. 1.2). 

Т а б л и ц а  1.2 

Десятибалльная шкала коррозионной устойчивости металлов 
и сплавов (ГОСТ 13819–68) 

Группа 
стойкости 
Скорость коррозии, 
мм/год 
Балл 
Коррозионная  
активность среды 

1. Совершенно 
стойкие 
Менее 0.001 
1 
Неактивная 

2. Весьма стойкие 
Свыше 0,001 до 0,005 
Свыше 0,005 до 0,01 
2 
3 
Низкая 

3. Стойкие 
Свыше 0,01 до 0,05 
Свыше 0,05 до 0,1 
4 
5 
Средняя 

4. Пониженно 
стойкие 
Свыше 0,1 до 0,5 
Свыше 0,5 до 1,0 
6 
7 
Повышенная 

5. Малостойкие 
Свыше 1,0 до 5,0 
Свыше 5,0 до 10,0 
8 
9 
Высокая 

6. Нестойкие 
Свыше 10,0 
10 
Очень высокая 

Для четырех основных конструкционных металлов (Fe, Al, Cu, Ti) 
вычислим значения 
m
K  , соответствующие десяти баллам коррозионной 
устойчивости. Для этого применим значение 
d
K , выраженное в мм/год 

(
6
в м / 8,76
)
10
(
ч

) к образцу, площадь которого 
2
1м
s 
. Полученный 
объем потерянного металла умножим на плотность металла , выражен
ную в 
3
г/см  (
–6
3
в г / (10
м ) ). Единица измерения произведения 
m
K : 

 
6
6
3
2
м
г
г

8,76 10 ч 10
м
8,76 м ч
d
K

 


. 
 (1.12)