Министерство образования и науки Украины
по теме: «Технологии конструкционных материалов»
Введение
Технология конструкционных материалов это наука о строении и свойствах металлов и сплавов, об улучшении этих свойств путем изменения химического состава посредством термического и других видов воздействия на эти материалы. Также изучения поведения металлов и сплавов в процессе обработки и при эксплуатации изделий изготовленных из них. Основой технологии конструкционных материалов является соответствующие разделы физики и химии.
Отличие технологии конструкционных материалов от других фундаментальных наук состоит в том, что она является прикладной наукой.
Нужно сказать, что главное в технологии конструкционных материалов – это учение о связи между составом строением и свойствами изучаемых металлов и сплавов. Основоположником технологии конструкционных материалов является знаменитый русский ученый Дмитрий Константинович Чернов. Он установил, что при нагреве твердой стали до определенных температур зависящих от ее состава в ней происходят внутренние превращения приводящие к изменению ее свойств, была показана связь между составом, строением и свойствами стали.
Роль стали и чугуна в машиностроении
Сталь и чугун являются основными конструкционными материалами во всех отраслях машиностроения. Данные понятия тесно связанны с наукой технологии конструкционных материалов, что впоследствии является необходимой теоретической частью знаний в этой области:
Сталь - это железоуглеродистый сплав, где содержание углерода не превышает 1,7%
Чугун – это железоуглеродистый сплав, где содержание углерода превышает 1,7% (это больше относиться к нелегированным чугунам). Для улучшения свойств стали и чугуна их часто легируют, вводя одну или несколько добавок. В качестве легирующих добавок применяются кремний, хром, никель, молибден, ванадий и др. В зависимости от содержания легирующих компонентов сплавы на железной основе подразделяются на низколегированные (содержание добавок не превышает 2,5%), среднелегированные (содержание добавок от2,5 до 10%) и высоколегированные (содержание добавок больше 10%).
Коррозия железоуглеродистых сплавов
Так как значение данных сплавов в производстве столь велико, то исходя из этого, борьба с коррозией этих материалов имеет большое практическое значение. Сталь и чугун обладают невысокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах вследствие своей физической и химической неоднородности. В их состав входят три основные структурные составляющие - феррит, цементит и графит, обладающие весьма различными электродными потенциалами. Наиболее низкий электродный потенциал у феррита (-0,44 в), наиболее высокий у графита ( 0,37 в). При соприкосновении с электролитом железоуглеродистые сплавы образуют микроэлементы, в которых цементит и графит являются катодами, а феррит-анодом. Разность потенциалов в макроэлементах, возникающих при коррозии железоуглеродистых сплавов, достигает довольно значительных величии. Работой этих микроэлементов и объясняется сильная электрохимическая коррозия железоуглеродистых сплавов.
Железоуглеродистые сплавы неоднородны и по химическому составу. Кроме углерода, даже в относительно чистых технических сплавах (железо Армко). Всегда содержатся примеси марганца, кремния, серы и фосфора.
Хотелось бы упомянуть данное обстоятельство, а именно в отсутствие кислорода и других окислителей сплавы с более высоким содержанием углерода коррозируют сильнее, чем сплавы, более бедные углеродом, данная закономерность характерна для коррозии серого чугуна в кислой среде.
В работах русских ученых XIX в. нашли отражение вопросы защиты металлов от коррозии гальваностегическими методами. Родоначальником гальванопластики и гальваностегии является Б.С. Якоби, который в.838 г в Российской Академии Наук сделал сообщение о том, что с помощью гальванического тока могут быть изготовлены копии с медалей и других предметов. Внедрение этих работ в производство было осуществлено в мастерской экспедиции заготовления государственных бумаг (ныне «Гознак»). В 1847 г. по методу Б.С. Якоби гальванопластическим путем были изготовлены художественной работы двери, барельефы и фигуры для Исаакиевского собора, Эрмитажа, Петропавловского собора и т.д. О масштабах работ можно судить по количеству израсходованного металла: 6749 пудов меди и 45 пудов 32 фунта золота.
Оформление исследований коррозии металлов в самостоятельную научную дисциплину относится к началу настоящего столетия, когда были опубликованы первые работы В.А. Кистяковского по теории пассивности (1901 г.). В дальнейшем В.А. Кистяковским и его многочисленными учениками создана пленочная теория пассивности металлов в растворах электролитов и во влажной атмосфере. В работах В.А. Кистяковского и его школы впервые была высказана гипотеза об образовании коррозионных центров как определенной стадии процесса коррозии.
В 1913 г. Н. А. Изгарышев, изучая пассивность металлов в различных средах, показал, что поверхность металла в растворах электролитов представляет собой многоэлектродную систему, в которой каждая составляющая металла, т. е. каждый электрод, обладает своим, отличным от других электродов, значением потенциала. Более поздними работами Н. А. Изгарышева (1926 г.) установлено, что основным источником энергии гальванического элемента является энергия гидратации ионов растворяющегося металла.
Новое толкование электродных процессов в гальванических элементах было дано в 1913 г. Л.В. Писаржевским, который объяснял возникновение скачка потенциала между металлом и раствором протеканием двух процессов: 1) диссоциации атомов металла на ионы (точнее - удаление электрона от ион-атома металла); 2) гидратации образовавшихся ионов металла. Позднее А.Н. Фрумкин показал, что главным фактором, определяющим возникновение скачка потенциала, является двойной электрический слой из зарядов металла и ионов раствора. Для решения практических задач борьбы с коррозией большую роль сыграли исследования Г.В. Акимова, Н.Д. Томашова и их сотрудников, позволившие теоретически обосновать явления структурной коррозии и механизм коррозионных процессов. Ими разработана теория многоэлектродных элементов и дан метод расчета как простых, так и сложных гальванических систем при любом числе электродов. Советские ученые значительно расширили и дополнили учение о пассивности метал нов, основанное на пленочной теории В.А. Кистяковского. Большой интерес представляют исследования П.Д Данкова, который установил основные принципы химического превращения твердого тела, имеющие большое практическое и теоретическое значение при защите металла от коррозии различными пленками.
Понятие коррозия
Коррозия - это процесс разрушения поверхности металлов под влиянием химического и электрохимического воздействия среды их окружающей. Его способна вызвать даже дистиллированная вода, в которой в зависимости от температуры больше или меньше ионов, определяющих так называемый водородный показатель рН. Если он больше семи, то вода имеет щелочную реакцию, если меньше - кислотную. Для чистой воды рН равен семи (абсолютная нейтральность) только при температуре 25°С. При повышении температуры вода становится слабокислотной (при 60°С ее рН равен 6,51, как у человеческой слюны), а при понижении - щелочной (рН при 0°С равен 7,47): железо коррозирует активнее.
Несмотря на то, что механизм коррозионных процессов в условиях воздействия механических нагрузок и динамика изменения механических свойств напряженного металла при коррозии изучены недостаточно. По этой же причине не всегда представляется возможным прогнозировать надежность конструкций в эксплуатации и эффективность электрохимической защиты. Однако положительный опыт ее применения на многих ответственных металлоконструкциях из нержавеющих и высокопрочных сталей, медных, титановых и алюминиевых сплавов требует пояснения принципов осуществления электрохимической защиты.
По механизму коррозионного процесса различают три основных типа коррозии: химическую, электрохимическую и биохимическую.
Сжато рассмотрим механизм коррозионных процессов в вершине микротрещины СКРН. Известно, что в трещине развиваются процессы анодного растворения металла, сопровождающиеся генерацией водорода. В результате катодного процесса на границе контакта H2S - среда - металл преимущественно восстанавливается водород и происходит дальнейшее наводороживание металла.
Из рассмотрения механизма коррозионного процесса явствует, что основным катодным процессом при коррозии металлов в нейтральных электролитах является реакция восстановления кислорода. Поэтому если исключить эту реакцию или сильно ее затормозить, можно практически полностью подавить коррозионный процесс. На практике этот метод широко используется. В частности, процесс подготовки воды для атомных и обычных электростанций включает как один из обязательных элементов удаление кислорода. Ниже детально рассматривается механизм коррозионных процессов в системе нефтепродукт вода металл, наиболее характерной и важной для химмотологии. Вне зависимости от механизма коррозионного процесса в зоне катода образуется атомарный водород, который способен диффундировать через кристаллическую решетку металла, а на поверхности, соединяясь с другими атомами водорода, образует молекулярный водород.
Способы решения проблемы коррозии металлов
Не всем известно, что суммарный ущерб от коррозии металлов в промышленно-развитых странах может достигать 4-5% национального дохода, независимо от типа конструкций и условий ее эксплуатации, как следствие уменьшение прибыли (то есть потеря лишних денег), которая могла бы послужить в дальнейшем инвестициями в ее развитии, как в экономическом так и индустриальном.