dr inż. Marek Matulewski

Transkrypt

1 PODSTAWY MECHANIKI I WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW dr inż. Marek Matulewski

2 KOROZJA Korozja - ogólna nazwa procesów niszczących mikrostrukturę danego materiału, prowadzących do jego rozpadu, a wywołanych wpływem środowiska, w którym dany materiał się znajduje. Korozja rozpoczyna się zwykle zmianami zaatakowanej powierzchni, a następnie postępuje w głąb danego materiału wybiórczo, drogą najefektywniejszego działania, niszcząc substancje najbardziej podatne na korozję. Produkty korozji, będące produktami rozpadu niszczonego materiału mogą powstrzymać korozję tworząc warstwę pasywną i szczelną, w innych zaś przypadkach mogą być wręcz kolejnym czynnikiem korozjo twórczym.

3 KOROZJA TYPY Korozja atmosferyczna - niszczące, żrące działanie wody (i jej roztworów) oraz powietrza (także znajdujących się w nim innych gazów) na ciała stałe. Korozja może dotyczyć wielu różnych substancji: metalu, kamienia, betonu, szkła, drewna, papieru, środków barwiących, powłok lakierniczych itd. Działanie korozji atmosferycznej polega na wchodzeniu czynników korodujących w reakcje chemiczne z atakowanymi substancjami. Korozja atmosferyczna jest rodzajem korozji chemicznej lub elektrochemicznej. Korozja chemiczna - korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych, pod warunkiem, że reakcjom chemicznym nie towarzyszy przepływ prądu, np. reakcja metalu z gazem Korozja elektrochemiczna - korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych, gdy reakcjom chemicznym towarzyszy przepływ prądu, np. reakcja metalu z elektrolitem. Korozja biologiczna, biokorozja - korozja spowodowana działaniem mikroorganizmów. Korozja jądrowa - korozja wywołana niszczącym działaniem silnego promieniowania jądrowego (np. w reaktorach jądrowych).

4 KOROZJA TYPY Korozja równomierna (ogólna) Jest to korozja stosunkowo najmniej groźna, gdyż polega na równomiernym zaatakowaniu całej powierzchni stali nierdzewnej. W wyniku tego grubość wyrobu stalowego zmniejsza się równomiernie, z jednoczesnym zmniejszeniem się ogólnej wytrzymałości korodowanego elementu. Korozja międzykrystaliczna należy do najbardziej groźnych typów korozji. Atakuje stale nierdzewne wzdłuż granic ziaren. Agresywne środowisko korozyjne bądź wyłuskuje poszczególne ziarna z powierzchni stali, zmniejszając tym samym grubość ścianek urządzenia produkcyjnego, bądź też bez dostrzegalnych oznak zewnętrznych narusza spójność pomiędzy poszczególnymi ziarnami w takim stopniu, że stal już po lekkim uderzeniu rozsypuje się na proszek.

5 KOROZJA TYPY Korozja naprężeniowa Do niebezpiecznej w skutkach korozji, atakującej międzykrystalicznie lub śródkrystalicznie stale odporne na korozję, należy korozja naprężeniowa, która pojawia się tylko wówczas, gdy stal jest podatna na ten typ korozji, stal jest poddana naprężeniom wewnętrznym (własnym) lub przykładanym z zewnątrz, stal jest narażona na działanie środowisk korozyjnie agresywnych wywołujących ten typ korozji, np. chlorków czy ługów, stal pracuje w środowiskach nagrzanych do temperatury >600C (poniżej tej temperatury skłonność nieuczulonych stali austenitycznych do pękania naprężeniowego jest zdecydowanie mniejsza). Korozja wżerowa Innym rodzajem korozji miejscowej jest korozja wżerowa, która charakteryzuje się punktowym ubytkiem masy stali. Przebieg procesu korozji wżerowej związany jest z działaniem lokalnego ogniwa, które tworzy się pomiędzy dużą spasywowaną powierzchnią stali stanowiącą katodę, a miejscową zdepasywowaną strefą stanowiącą anodę. Szybkość rozpuszczania się metalu na anodzie jest bardzo duża, w konsekwencji czego następuje w bardzo krótkim czasie przebicie (perforacja) ścianek urządzenia, bez większego ubytku masy poza zaatakowanym miejscem.

6 KOROZJA TYPY Korozja zmęczeniowa Zjawisko korozji zmęczeniowej jest zjawiskiem występującym na skutek współdziałania środowiska korozyjnie agresywnego i cyklicznych lub zmiennych naprężeń, co w konsekwencji prowadzi do pękania metalu. Oddziaływanie naprężeń sprawia, że zostaje naruszona warstewka ochronna (warstewka pasywna) na stali odpornej na korozję, skutkiem czego atakowany jest obszar metalu niechronionego (odsłoniętego). W przeciwieństwie do zjawiska korozji naprężeniowej stali austenitycznych, którą wywołują halogenki (a zwłaszcza chlorki) i ługi, korozja zmęczeniowa może się praktycznie pojawić w dowolnym środowisku wodnym, takim jak: para wodna, gorąca woda, wody naturalne (słone, słodkie), wody kondensacyjne, roztwory chemiczne, wilgotne powietrze.

7 KOROZJA TYPY Korozja szczelinowa Ten typ korozji pojawia się w szczelinach i zagłębieniach konstrukcyjnych, pod uszczelnieniami, główkami śrub i nitów, pod osadami i zgorzeliną oraz we wszelkiego rodzaju pęknięciach. Korozja szczelinowa powstaje w wyniku stopniowego zanikania warstewki pasywnej w szczelinach, w których na skutek utrudnionego napowietrzenia i zahamowanego dopływu tlenu, warstewka ta nie może się zregenerować. Zapobieganie korozji szczelinowej polega głównie na eliminowaniu szczelin, zwłaszcza konstrukcyjnych, już na etapie projektowania aparatów i urządzeń produkcyjnych. Korozja stykowa (galwaniczna) Korozja ta jest wywołana stykiem dwóch metali lub stopów o różnych potencjałach, w konsekwencji czego powstaje ogniwo galwaniczne. Skuteczność działania ogniwa zwiększa się ze wzrostem różnicy potencjałów stykających się ze sobą dwóch metali w środowisku korozyjnym, np. zawierającym jony chlorkowe. Połączenie stali z metalem o innym elektrochemicznym potencjale, przy udziale elektrolitu sprawia, że metal mniej szlachetny ulega intensywnemu rozpuszczaniu, zwłaszcza gdy: jego powierzchnia jest znacznie mniejsza w porównaniu z powierzchnią metalu bardziej szlachetnego, temperatura elektrolitu jest wysoka.

8

9 Niemetaliczne powłoki ochronne. Zadaniem powłok niemetalicznych jest izolowanie powierzchni metali od dostępu tlenu i wilgoci. Konstrukcje stalowe (np. mosty) maluje się farbami olejnymi i lakierami, a niekiedy nakłada minię, smołę lub asfalt. Naczynia z blachy stalowej i żeliwa pokrywa się emaliami. Narzędzia i trące o siebie części maszyn można chronić jedynie przez nałożenie warstwy smaru. Skuteczną, lecz drogą metodą jest pokrywanie wyrobów metalowych cienką warstwą tlenku-oksydowanie. Niektóre metale, wśród nich glin, samorzutnie pokrywają się na powietrzu zwartą warstwą tlenku, który chroni metal przed dalszą korozją.

10 Metaliczne powłoki ochronne Metaliczne powłoki ochronne z metali o niższym od żelaza potencjale standardowym. Przez zanurzenie w ciekłym metalu, natryskiwanie lub osadzanie elektrolityczne uzyskuje się powierzchnię ochronną, izolującą metal od wpływu wilgoci i powietrza. Powłoki wykonane z metali stojących w szeregu elektrochemicznym przed żelazem (cynk, chrom) spełniają również rolę anody w ogniwie i nawet jeśli powłoka ulegnie uszkodzeniu mechanicznemu, do roztworu nie będzie przechodziło żelazo, lecz metal tworzący powłokę. Korozja cynku przebiega bardzo powoli dzięki tworzeniu się powierzchniowej warstwy trudno rozpuszczalnych związków. Z tego względu stosuje się blachy ocynkowane do pokrywania dachów, wyrobu rynien, wiader itp.

11 Metaliczne powłoki ochronne Metaliczne powłoki ochronne z metali o wyższym od żelaza potencjale standardowym. Działanie powłoki wykonanej z miedzi, cyny lub niklu jest czysto mechaniczne i powłoka spełnia swoje zadanie tylko wtedy, gdy jest zupełnie szczelna. Z chwilą jej uszkodzenia proces korozji staje się intensywniejszy niż bez powłoki. Powłoka stanowi katodę, a żelazo ulega anodowemu rozpuszczeniu: Fe - 2e - => Fe 2+ podobnie jak w mikro-ogniwach na powierzchni stali. Dlatego też puszki po konserwach, wykonane z blachy ocynowanej, rdzewieją bardzo szybko.

12 Ochrona katodowa Elementy konstrukcji narażone na korozję łączy się z ujemnym biegunem źródła prądu stałego o napięciu rzędu 1-2 V. Dodatni biegun łączy się z grafitową płytą przylegającą do konstrukcji. Ponieważ elektrony doprowadzone ze źródła prądu zobojętniałyby powstające jony, proces: Fe - 2e - => Fe 2+ nie zachodzi.

13 Ochrona katodowa Ochrona elektrochemiczna jest jedną z najbardziej skutecznych metod ochrony przeciwkorozyjnej stali w środowiskach naturalnych. Zalecana jest przede wszystkim do zabezpieczania wszelkiego rodzaju konstrukcji stalowych podziemnych i podwodnych. Stosowana jest zazwyczaj razem z dobranymi do takich warunków powłokami ochronnymi. Zaletą ochrony katodowej jest możliwość kontroli zarówno skuteczności ci samej ochrony katodowej, jak i powłok ochronnych na niewidocznej i niedostępnej powierzchni zbiorników. Ponadto jej rola jest nieoceniona w przypadku zbiorników podziemnych. Jest skuteczną techniką ochrony zewnętrznych powierzchni zbiorników bez konieczności ich odkopywania.

14 Schemat ochrony katodowej rurociągu z zewnętrznym źródłem prądu

15 Ochrona protektorowa. Do chronionego rurociągu lub kadłuba okrętu przytwierdza się tzw. protektory - bloki z metalu o niższym od żelaza potencjale normalnym (np. z magnezu, cynku). Protektor stanowi anodę zwartego ogniwa i sam zużywa się, przechodząc do roztworu (wody gruntowej lub morskiej). Elementy ochronne muszą być co pewien czas wymieniane.

16 Ochrona protektorowa. Do chronionego rurociągu lub kadłuba okrętu przytwierdza się tzw. protektory - bloki z metalu o niższym od żelaza potencjale normalnym (np. z magnezu, cynku). Protektor stanowi anodę zwartego ogniwa i sam zużywa się, przechodząc do roztworu (wody gruntowej lub morskiej). Elementy ochronne muszą być co pewien czas wymieniane. Protektor cynkowy (obok śruby statku)

17 Ochrona protektorowa..

18 Dodawanie inhibitorów. W kotłach parowych (np. centralnego ogrzewania) i instalacjach chłodniczych (np. samochodowych) ciecz znajdująca się w zamkniętym obiegu stanowi środowisko sprzyjające korozji. Dodanie niewielkich ilości substancji silnie adsorbujących się na powierzchni metalu i blokujących dostęp jonów wodorowych opóźnia znacznie procesy korozyjne. Przykłady inhibitorów (opóźniaczy): nieorganiczne: niektóre związki arsenu, niklu, cyny, magnezu (stosowane w środowisku obojętnym i zasadowym) organiczne: krochmal, klej, białko (stosowane w środowisku kwaśnym) Działanie inhibitorów tłumaczy się tworzeniem trudno rozpuszczalnych warstewek zaporowych w miejscach katodowych lub anodowych.