Коррозия металлов

Коррозия металлов представляет собой комплекс химических, электрохимических и физических процессов разрушения металлических материалов под воздействием окружающей среды. Основной движущей силой коррозии является стремление металла к переходу в более устойчивые соединения с высокой термодинамической стабильностью, такие как оксиды, гидроксиды или сульфиды.

Классификация коррозии по механизму:

  1. Химическая коррозия – протекает в сухих или газообразных средах без участия электролита. Металл реагирует с газами (например, кислородом, серой, галогенами) с образованием устойчивых соединений. Пример: окисление железа в сухом воздухе при высокой температуре:

    3Fe + 2O2 → Fe3O4

  2. Электрохимическая (гальваническая) коррозия – наиболее распространенный вид коррозии в жидких средах. Происходит образование гальванических элементов, где металл выступает анодом, а среда или другой металл – катодом. Основные процессы:

    • Анодная реакция: растворение металла

      M → Mn+ + ne−

    • Катодная реакция: восстановление кислорода или протонов в электролите

      O2 + 4e− + 2H2O → 4OH−

  3. Контактная (гальваническая) коррозия – возникает при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита. Более активный металл корродирует быстрее, чем менее активный, что описывается рядом напряжений металлов.

  4. Коррозия усталости и под напряжением – развивается под действием механических напряжений совместно с агрессивной средой. Металл разрушается быстрее из-за микротрещин и концентрации напряжений на поверхности.

Факторы, влияющие на коррозию

  1. Химический состав среды – кислоты, щелочи, соли ускоряют коррозию. Особенно агрессивны ионы Cl⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻.
  2. Температура – с повышением температуры скорость химических и электрохимических реакций увеличивается, ускоряя коррозию.
  3. Дефекты металла – трещины, поры, включения и границы зерен служат центрами локальной коррозии.
  4. Электрохимический потенциал металла – определяется его склонностью к окислению; металлы с низким стандартным потенциалом корродируют быстрее.
  5. Присутствие кислорода – ускоряет анодные или катодные реакции, особенно в водных средах.

Типы коррозии по внешнему проявлению

  1. Равномерная коррозия – металл разрушается по всей поверхности примерно с одинаковой скоростью. Легко прогнозируется и контролируется.

  2. Локальная коррозия – концентрируется на отдельных участках:

    • Ячеистая (pitting) – образование глубоких узких ям, характерно для алюминия и нержавеющей стали.
    • Щелевая (crevice) – развивается в щелях, под прокладками или соединениями.
    • Гальваническая – возникает при контакте разнородных металлов.

  3. Межкристаллитная коррозия – разрушение по границам зерен, часто у аустенитных сталей после неправильной термообработки.

  4. Стресс-коррозионное растрескивание (SCC) – комбинированное действие механического напряжения и агрессивной среды, характерное для высокопрочных сплавов.

Методы защиты от коррозии

Физические методы:

  • Пассивирование – формирование на поверхности тонкой устойчивой пленки оксидов (например, у алюминия и нержавеющей стали).
  • Покрытия – нанесение лакокрасочных материалов, пластмасс, эмалей для изоляции металла от среды.
  • Барьерные покрытия из металлов – гальванические покрытия (цинкование, никелирование, хромирование).

Химические методы:

  • Инхибиторы коррозии – вещества, замедляющие электрохимические реакции на поверхности металла. Пример: азотистые соединения для стальных конструкций.
  • Коррозионностойкие сплавы – легирование металлов никелем, хромом, молибденом повышает их сопротивление химическому разрушению.

Электрохимические методы:

  • Катодная защита – подключение металла к более активному аноду (жертвенный анод) или подача внешнего тока для уменьшения анодного растворения.
  • Анодная защита – использование внешнего тока для поддержания металла в пассивном состоянии (эффективно для нержавеющих сталей).

Факторы оценки коррозионной стойкости

  1. Скорость коррозии – выражается в мм/год или мг/см²·сут. Рассчитывается на основе изменения массы металла.
  2. Стойкость к локальной коррозии – определяется по образованию ям или трещин.
  3. Показатели долговечности покрытия – время до разрушения защитного слоя.
  4. Электрохимические параметры – потенциал коррозии, плотность тока анодных и катодных реакций.

Применение знаний о коррозии

Понимание механизмов и факторов коррозии критически важно при проектировании конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах: морской воде, химических производствах, нефтегазовой отрасли. Выбор материалов и методов защиты напрямую влияет на безопасность, долговечность и экономическую эффективность инженерных систем.

Оглавление