Виды коррозии по характеру разрушения поверхности
По характеру разрушения поверхности металлоконструкций зданий и сооружений можно выделить следующие основные виды коррозии:
Сплошная коррозия
Сплошная коррозия обусловлена равномерным воздействием агрессивной среды на поверхность конструкции и сопровождается, как правило, уменьшением толщины сечения элемента конструкции. Развивается на больших плохо защищенных или не защищенных конструкциях.
Местная (локальная) коррозия
Местная (локальная) коррозия обычно развивается на отдельных участках поверхности металла или сплава, в то время как остальная поверхность почти не разрушается. Она обусловлена локальным повышением уровня агрессивности среды (накопление или отложение солей, повышение кислотности пленок влаги и т.п.).
Гальваническая (или контактная) коррозия
Гальваническая (или контактная) коррозия — это разновидность электрохимической коррозии, которая возникает между различными металлами, находящимися в контакте в электропроводящей среде.
При неправильном подборе металлов и сплавов при конструировании данный вид коррозионного разрушения выводит из строя множество сложных металлических конструкций. Наблюдается при контакте двух и более металлов, обладающих разными электрохимическими свойствами. При этом возникает коррозионный гальванический элемент, работа которого влияет на скорость коррозии каждого контактирующего металла. Термодинамическую нестабильность металла в растворе электролита, то есть возможность его коррозии в данных условиях, можно приближенно оценить по величине стандартного электродного потенциала. Металл с более электроотрицательным потенциалом будет анодом, а второй — катодом.
Ряд напряжений (электрохимический ряд) – последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электродных потенциалов, отвечающих полуреакции восстановления катионов металла. Характеризует сравнительную активность металлов в электролитах.
Скорость растворения анода растет с увеличением разности стационарных потенциалов катода и анода. Катодный процесс протекает с участием компонентов электропроводящей среды (окислителей). В водной среде, как правило, ими являются ионы водорода и растворенный кислород.
Такой вид коррозионных разрушений наблюдается практически во всех условиях эксплуатации металлических конструкций. Особенно опасна контактная коррозия в морской воде, так как последняя является хорошим электролитом. Характер и интенсивность разрушения анода при этом в определенной степени зависит от взаимного расположения металлов в электрохимическом ряду напряжения. Разрушению подвергается металл с более электроотрицательным потенциалом. В таблице 2.2 представлен ряд металлов и сплавов в порядке повышения их потенциалов коррозии (Екор) в морской воде.
Потенциал коррозии металлов и сплавов в проточной хорошо аэрируемой морской воде при 25 °C:
| Металл | Екор, В (нвэ) |
| Магний | –1,45 |
| Цинк | –0,78 |
| Алюминий | –0,55 |
| Углеродистая сталь | –0,37 |
| Свинец | –0,3 |
| Нержавеющая сталь (AISI 304) активная* | –0,29 |
| Олово | –0,25 |
| Медь | –0,12 |
| Нержавеющая сталь (AISI 304) пассивная | 0,05 |
| Серебро | 0,12 |
| Титан | 0,15 |
| Графит | 0,3 |
| Платина | 0,4 |
Пассивное состояние нержавеющей стали соответствует установлению потенциала данного металла в условиях быстрого движения аэрируемой морской воды, активное – в слабо аэрируемой, застойной зоне морской воды.
Так, при коррозии стали и цинка в морской среде образуется гальваническая пара, в которой цинк, как более активный металл, является анодом, а сталь – катодом (стандартные электродные потенциалы Zn и углеродистой стали равны соответственно –0,78 B и −0,37 B).
Анодная реакция – окисление металла:
Zn → Zn2+ + 2ē;
Катодный процесс – восстановление:
О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН–.
Схема возникновения коррозионной пары (А – анод, К — катод):
Контактная коррозия также может наблюдаться при контакте изделий из одного и того же металла, но соединенных при помощи пайки либо сварки. Сварной (спаечный) шов будет отличаться электрохимическими свойствами от основного металла. Различная механическая обработка металла также может вызвать контактную коррозию даже у одного и того же металла. Поверхность металла не является однородной в энергетическом плане. Наличие энергетической неоднородности на соседних участках приводит к тому, что на поверхности металла в присутствии электролита образуются микрогальванические элементы.
Причиной их образования является неоднородность как самого металла, так и коррозионной среды. Неоднородность коррозионной среды также может быть вызвана различиями физических и химических свойств: концентрация О2, температура, рН, концентрация примесей и т.д.
Неравномерная аэрация также может быть причиной возникновения микрогальванических элементов хорошо аэрируемые участки становятся катодом, а разрушение металла происходит на тех участках, к которым затруднен доступ кислорода. На рисунке показаны причины возникновения коррозионных макропар в почве:
На процесс гальванической коррозии в основном влияют следующие факторы:
- разница электрохимических потенциалов металлов или сплавов, соединенных в электрическую пару;
- величина площадей анодной и катодной зон;
- расстояние между анодом и катодом;
- электропроводность коррозионной среды.
Питтинговая коррозия
Питтинговая (точечная, язвенная) коррозия происходит на отдельных ограниченных участках металла, когда остальная его поверхность находится в пассивном состоянии. Этот вид коррозии наблюдается у легко пассивирующихся металлов и сплавов: железо, стали, особенно нержавеющие, сплавы на основе алюминия, никеля, титана, циркония и др.
Возникновение питтинга связано с нарушением пассивного слоя на отдельных участках поверхности металла (неметаллические включения, границы зерен, границы «металл — неметаллическое включение» и т.д.). Развитию питтинговой коррозии способствует присутствие ионов-активаторов (Cl–, Br–, I–). Наиболее часто питтинговая (точечная) коррозия возникает в морской воде, смеси азотной и соляной кислот, растворах хлорного железа и других агрессивных средах.
Схема возникновения и развития питтинга:
Рост питтинга связан с работой коррозионного гальванического элемента, в котором анодом является питтинг, а катодом — остальная поверхность пассивного металла. Эффективному росту питтинга способствует достаточное количество деполяризатора (например, кислорода), а также нахождение питтингов в активном состоянии. Так, питтинги, возникающие на нержавеющих сталях в электролитах, представляют собой относительно закрытые очаги (без доступа электролита, а вместе с ним и пассиваторов), находятся в активном состоянии и корродируют с высокой скоростью.
Щелевая коррозия
Щелевая коррозия — один из видов местной электрохимической коррозии металла. По характеру поражений близка к питтинговой, однако условия появления и развития ее очагов имеют свои особенности. Щелевая коррозия подразумевает коррозионное разрушение в щелях, трещинах, зазорах (фланцевые, резьбовые соединения, места неплотного соединения металла с резиновыми или другими прокладочными материалами и т.д.)
Причина развития щелевой коррозии связана с затруднениями доступа кислорода в зазор и удаления продуктов коррозии, изменением рН раствора электролита в щели. Затруднение доступа кислорода способствует возникновению аэрационной гальванопары: кислород не может проникнуть вглубь щели, и катодный процесс локализуется со стороны поверхности металла, а анодный процесс локализуется в глубине трещины, что облегчает его протекание. Щелевая коррозия может протекать как в атмосфере воздуха или газовой смеси, так и в условиях смачивания электролитом (морская вода).
Самыми чувствительными к щелевой коррозии считаются пассивирующиеся металлы и сплавы. Это связано с их возможной активацией в зазоре. К таким относятся алюминий, его сплавы, хромистые, хромоникелевые сплавы.
Структурная коррозия
Структурная коррозия (селективное вытравливание) бывает двух видов: компонентно-избирательная и структурно-избирательная. Данному виду коррозионного разрушения подвергаются сплавы, содержащие компоненты (фазы) с различными термодинамическими свойствами. Конструкции, подвергшиеся селективному вытравливанию, становятся более хрупкими, так как одна из фазовых составляющих системы (или какая-то ее часть) растворяется. В материале образуются полости различной конфигурации и глубины. Компоненты, малоустойчивые в окружающей их среде, постепенно разрушаются, а более устойчивые составляющие сплава остаются. Поверхность сплава становится пористой.
Достаточно часто сплавы на медной основе в водных коррозионных средах подвергаются селективному вытравливанию. Так, например, в процессе «обесцинкования» латуней цинк растворяется более интенсивно, чем медь. На поверхности латуни образуется рыхлый слой меди, что, в свою очередь, способствует усилению процесса коррозии и разрушению металлической конструкции. Одной из разновидностей селективного вытравливания является межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей в сильно окислительной среде.
Подпленочная коррозия
Подпленочная коррозия – вид повреждения, которое возникает под слоем лакокрасочного материала (ЛКМ) или защитной пленки с низким показателем эластичности
Такой вид повреждения принято называть подпленочной коррозией.
Причиной подпленочной коррозии может быть нарушение технологии нанесения покрытий. Например, выполнение окрасочных работ при повышенной влажности воздуха, когда на поверхности металла образуется даже незначительная по толщине пленка воды, приводит к тому, что влага остается под защитным слоем сформировавшегося покрытия. В пленке воды под слоем краски начинается электрохимическая коррозия. Продукты окисления металла вспучиваются, вызывая отрыв лакокрасочного покрытия от подложки. Чем более толстым и жестким будет слой ЛКП или защитной пленки, тем бóльшими будут площади подпленочной коррозии.
Коррозионное растрескивание металлов под напряжением
Коррозионное растрескивание металлов под напряжением (КРН) — это один из видов коррозионного разрушения, при котором в металле зарождается и развивается множество трещин. Возникает КРН при одновременном воздействии на металл агрессивной коррозионной среды и статических или циклических растягивающих напряжений. Коррозионному растрескиванию могут подвергаться все металлы и сплавы, которые находятся в напряженном состоянии. Большое влияние на интенсивность коррозионного растрескивания оказывает коррозионная среда (ее характер, состав и концентрация агрессивных компонентов).
Как правило, при коррозионном растрескивании металлов возникают и распространяются тонкие трещины. Растрескивание может быть межкристаллитным, транскристаллитным и смешанным, но в любом случае характеризуется малыми остаточными деформациями. Основными причинами возникновения коррозионного растрескивания металла являются: неравномерное растворение участков поверхности, приводящее к образованию дефектов — концентраторов напряжения; охрупчивание металла водородом, выделяющимся на катодных участках; адсорбция активных компонентов среды на поверхности и активация анодного процесса.
Коррозионное растрескивание — очень опасный вид разрушения металла, так как не всегда его можно вовремя заметить. Чаще всего коррозионному растрескиванию подвергаются металлы, в которых после механической или термической обработки присутствуют остаточные напряжения, или металлические изделия, эксплуатируемые при повышенной температуре и давлении. Встречается коррозионное растрескивание при сварке, сборке или монтаже металлических конструкций и т.п.
Коррозионное растрескивание под напряжением является наиболее опасным видом коррозионного разрушения газопроводов высокого давления, эксплуатирующихся в природных условиях. В отличие от воздействия общей и локальной коррозии, КРН приводит к снижению несущей способности трубопровода, как правило, без существенного изменения толщины стенок.
Фреттинг-коррозия
Фреттинг-коррозия — коррозионное разрушение на границе двух тел, контактирующих друг с другом, чьи поверхности, находясь под воздействием коррозионной среды, двигаются (скользят) относительно друг друга.
Иными словами, фреттинг-коррозия представляет собой совмещение механического износа (прижатые друг к другу детали, на которые воздействуют колебательные, вращательные, вибрационные напряжения) и воздействия коррозионно-активной среды. Чаще всего скольжение имеет колебательный характер, а объекты испытывают достаточно большую дополнительную нагрузку. Фреттинг-коррозия может наблюдаться при контакте двух металлических материалов, либо же металла и неметалла (резины, пластмассы, которые могут служить прокладочным материалом). Фреттинг-коррозии подвергаются болтовые, шпоночные, заклепочные, шлицевые соединения, контактирующие части подшипников, металлический канат, соприкасающиеся движущиеся валы и многое другое.
Схема возникновения фреттинг-коррозии:
Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы используемых металлов (материалов), температуры, состава коррозионной среды и действующих нагрузок. Во время трения происходит нагрев металла, что дополнительно усиливает фреттинг- коррозию, особенно при отсутствии на поверхности смазки.
Коррозионная кавитация
Коррозионная кавитация — разрушение в быстродвижущихся коррозионных средах, которые содержат зоны «безвоздушного пространства» или «пузырьки газа», когда наряду с коррозионным процессом происходит механическое разрушение металла.
Наблюдается на гребне винтов, в центробежных насосах, гидротурбинах и т.д. При быстром турбулентном движении жидкости и последующем схлопывании вакуумно-паровых пузырьков возникает гидравлический удар на ограниченной поверхности металла. Повторные непрерывные гидравлические удары создают в этих местах условия для механического и коррозионного повреждения поверхности. Скорость кавитационной коррозии зависит от силы гидравлических ударов и агрессивности среды.
Эрозионная коррозия
Эрозионная коррозия — это разрушение поверхности металла, который возникает при сочетании коррозии и механического истирания. Например, стенок внутри трубы, под действием быстрой движущейся жидкости или газа, содержащих твердые взвешенные частицы или части конструкции, которые сами вращаются (лопасти, валы и т.д.,) в коррозионной среде.
Скорость коррозии зависит от природы металла, свойств защитных пленок, образующихся на поверхности, агрессивности среды, скорости движения детали или самой среды.
Практически все сплавы или металлы чувствительны к такому виду коррозии, но особо чувствительны металлы, легко поддающиеся пассивации.
Наилучшим способом уменьшения эрозионной коррозии является проектирование систем, которые будут поддерживать низкую скорость жидкости и иметь минимальное искривление поверхности.
Межкристаллитная коррозия
Межкристаллитная коррозия (МКК) — одна из наиболее опасных разновидностей местной коррозии, вызывающая избирательное разрушение по границам зерен, в результате которого теряется прочность и пластичность металла и всей металлической конструкции.
Причина возникновения межкристаллитной коррозии заключается в том, что при контакте поверхности металла с электролитом структурные составляющие металла корродируют с разными скоростями. Структурная составляющая усиленно растворяется, связь между зернами металла нарушается, и происходит их выкрашивание. Как следствие, металлические конструкции при эксплуатации теряют свои свойства и быстро приходят в негодность.
Чаще всего подвергаются угрозе металлы и сплавы, которые легко становятся пассивными. К ним относятся хромоникелевые и хромистые сплавы (нержавеющие стали), сплавы алюминия, никеля и т.д. Интенсивность развития межкристаллитной коррозии зависит как от состава и обработки сплава, так и от коррозионной среды.