Окисление и коррозия — фундаментальные процессы, определяющие изменение физико-химических свойств поверхностей твердых тел под воздействием окружающей среды. В металлургии, материаловедении и прикладной физике поверхности понимание и управление этими процессами являются ключевыми для обеспечения долговечности, надежности и функциональности материалов.
Окисление — это химическое взаимодействие материала с кислородом, приводящее к образованию оксидных слоев на поверхности. Коррозия — более широкий термин, включающий все виды разрушения материалов вследствие химических или электрохимических реакций с окружающей средой, зачастую сопровождающийся потерей массы и ухудшением механических характеристик.
Окисление металлов начинается с адсорбции кислорода на поверхности, сопровождающейся изменением электронной структуры и образованием химически связанных оксидных фаз.
Адсорбция кислорода Молекулы кислорода сначала фрагментируются на атомы при контакте с металлической поверхностью, процесс сопровождается переносом электронов от металла к кислороду (химическая адсорбция). Этот этап является кинетически критическим и сильно зависит от температуры и природы металла.
Диффузия кислорода и металла После первичного взаимодействия атомы кислорода и металла могут диффундировать через формирующийся оксидный слой. В зависимости от типа металла и условий, диффузия может происходить либо кислорода внутрь металла, либо ионов металла наружу.
Рост оксидного слоя Образование оксидной пленки происходит по модели параллельного переноса ионов, при этом рост слоя замедляется из-за увеличения толщины диффузионного барьера. Это приводит к появлению защитного пассивного слоя при определенных условиях.
Кристаллическая структура и морфология оксидов Структура оксидного слоя может быть аморфной, поликристаллической или монокристаллической. Морфология и дефекты в пленке существенно влияют на её защитные свойства и стабильность.
Высокотемпературное окисление Происходит при температурах выше 400–500 °C, характерно для технологических процессов и эксплуатации оборудования. В этом случае диффузионные процессы преобладают, и рост оксидного слоя подчиняется законам параболического роста.
Низкотемпературное окисление Обычное атмосферное окисление при комнатных температурах, когда скорость реакции значительно ниже и формируются тонкие, часто незащищающие оксидные слои.
Катализируемое окисление Возникает при присутствии катализаторов или примесей, способствующих более быстрому разрушению исходного материала.
Коррозия металлов в условиях присутствия электролита рассматривается как электрохимический процесс, включающий анодные реакции растворения металла и катодные реакции восстановления, например кислорода или водорода.
Анодная реакция Место, где металл окисляется с образованием ионов:
Me → Men+ + ne−
Катодная реакция Обычно происходит восстановление кислорода в присутствии воды:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
Образование гальванических пар При наличии различных металлов или неоднородностей на поверхности возникают гальванические элементы, что ускоряет коррозионные процессы.
Пассивация Образование защитных оксидных пленок, препятствующих дальнейшему протеканию анодных реакций и замедляющих коррозию.
Равномерная коррозия Протекает равномерно по всей поверхности, приводит к постепенному уменьшению толщины материала.
Местная коррозия Локализованное разрушение (язвенная, щелевая), часто более опасное, так как быстро приводит к пробою или растрескиванию.
Гальваническая коррозия Возникает на контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита, металл с более низким электрохимическим потенциалом разрушается быстрее.
Коррозия под напряжением Совместное действие механического напряжения и агрессивной среды, приводит к растрескиванию.
Коррозионное растрескивание усталости Комбинация циклических механических нагрузок и коррозии.
Химический состав материала Наличие легирующих элементов, стабилизаторов оксидов и примесей существенно влияет на устойчивость к окислению.
Температура и давление Повышение температуры ускоряет кинетику реакций; давление может влиять на концентрацию кислорода.
Состояние поверхности Чистота, шероховатость, наличие дефектов и микроструктурных неоднородностей изменяют кинетику процессов.
Агрессивность среды Кислотность, щелочность, наличие солей, кислородсодержащих соединений и других коррозионно-активных веществ.
Электрические потенциалы и гальванические эффекты Электрохимические различия между участками поверхности.
Погрешностные методы: измерение потери массы, анализ толщины оксидных пленок.
Поверхностный анализ Спектроскопия (XPS, AES), электронная микроскопия (SEM, TEM), дифракция рентгеновских лучей.
Электрохимические методы Поляризационные кривые, импедансный анализ, измерение потенциалов.
Термодинамический анализ Использование диаграмм равновесия (диаграммы Эллингама) для прогнозирования стабильности оксидных фаз.
Пассивирующие покрытия Формирование искусственных оксидных или иных защитных слоев.
Анодная и катодная защита Использование внешних токов или жертвенных анодов для уменьшения скорости коррозии.
Материаловедческие решения Выбор коррозионно-устойчивых сплавов, легирование.
Коррозионно-стойкие покрытия Нанесение органических или неорганических покрытий, пленок.
Контроль окружающей среды Уменьшение влажности, удаление агрессивных компонентов.
Тонкие оксидные пленки, образующиеся в процессе окисления, зачастую определяют коррозионную устойчивость материала. Их свойства, такие как плотность, прочность сцепления с основой, наличие дефектов и пористости, влияют на защитные качества.
Структура пленок Может варьироваться от аморфной до кристаллической с различной степенью упорядоченности.
Динамика образования и разрушения В зависимости от условий эксплуатации пленки могут восстанавливаться (самозалечивание) или разрушаться.
Влияние напряжений и микроструктурных дефектов Напряжения в пленке могут приводить к её растрескиванию, снижая защитные свойства.
Разработка новых материалов с управляемыми поверхностными свойствами и улучшенной пассивацией.
Исследование наноструктурированных пленок и покрытий с целью повышения коррозионной устойчивости.
Моделирование процессов окисления и коррозии на атомарном уровне с использованием современных вычислительных методов.
Создание умных покрытий, способных реагировать на изменение среды и восстанавливать защитные свойства.
Данная статья охватывает фундаментальные аспекты и современные представления об окислении и коррозии поверхности, что важно для понимания физических процессов на границе раздела фаз и разработки технологий долговременной защиты материалов.