POVRŠINSKA ZAŠTITA VI. PREDAVANJE Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku STROJARSKI FAKULTET SLAVONSKI BROD POVRŠINSKA ZAŠTITA VI. PREDAVANJE Prof.dr.sc. Stjepan Aračić dip.ing teh.
MEHANIČKE METODE Mjerenje prekidne sile i produljenja Korozija uzrokuje promjene mnogih mehaničkih karakteristika među kojima se najčešće kidalicom određuje prividni gubitak vlačne (prekidne) čvrstoće materijala u toku pokusa, dakle, smanjenje prekidne sile za uzorke (tzv. epruvete) ili za ispitivane uzorke. Prava čvrstoća prije pokusa (бv)1 odnosno prividna čvrstoća nakon njega (бv)2 definirane su izrazima:
F1- prekidna sila za epruvetu izrađenu od nekorodiranog materijala, F2 prekidna sila za korodiranu epruvetu ili epruvetu naknadno isječenu iz koro-diranog materijala, a A1 početna ploština presjeka epruvete koji je okomit na smjer naprezanja Prosječna brzina korozije izračunava se : Budući da epruvete pri kidanju pucaju na mjestu najmanjeg presjeka, ovom se metodom zapravo određuje maksimalno smanjenje presjeka zbog korozije pa se može izračunati i maksimalna prosječna brzina korozije
D1 – početni promjer žice l - duljina epruvete, m1- njezina početna masa, a ρm- gustoća materijala Za žičane uzorke ili pomoću promjera D2 – promjer (prosječan nakon kidanja D1 – početni promjer žice
Ostale mehaničke metode - otpornost na savijanje,broja ciklusa savijanja preko valjka poznatog promjera za određeni kut u oba smjera (npr. za 90°) do loma epruvete. Korozijom se broj ciklusa smanjuje s N1 na N2 tako da je konvencionalna prosječna brzina korozije određena izrazom: α1i α2 kutevi deformacije prilikom ????
Optičke metode Optičke metode su laboratorijskog karaktera koji su poželjne jer se može proces korozije pratiti bez razaranja uzorka - mjere se udjeli zrcalne (usmjerene) ili difuzne refleksije svjetla na uzorcima ravnih ploha koji su prethodno bili polirani - ako nema korozije ? difuzne refleksije.
Električne metode Kvantitativna ispitivanja korozije određivanjem promjena električnih svojstva što ih izaziva ova pojava. Najčešće se mjeri povećanje električnog otpora metalnih uzoraka (predmeta) do kojeg dolazi zbog smanjenja njihova presjeka. primjenom Thomsonova dvostrukog mosta koji služi za određivanje malih otpora. Otpore je moguće mjeriti i u fazi korozije sloja ispitivanja Na temelju mjerenja promjene električnog otpora izračuna se i prosječna omska brzina korozije
ρm-gustoća materijala l - duljina uzorka, ρm-gustoća materijala Za žicu vrijedi : ELEKTROKEMIJSKE METODE služe u prvom redu za proučavanje mehanizma korozije i zaštite metala izloženih elektrolita. Mjerenje potencijala Prva skupina elektrokemijskih metoda osniva se na mjerenju potencijala. I Pritom se obično prate vremenske promjene stacionarnog potencijala metala lili razlike potencijala između elektroda galvanskih članaka (najčešće u otvore-Inom strujnom krugu, tj. kada struja ne teče).
Mjerenje električne struje Druga skupina elektrokemijskih postupaka za ispitivanje korozije temelji se na mjerenju električne struje galvanskih članaka koji su obično u kratkom spoju, što znači da ne postoji vanjski otpor, a registrirana električna struja odgovara korozijskoj struji Ikor Struja se mjeri ampermetrima vrlo maloga električnog otpora se prate vremenske promjene električne struje galvanskih članaka koje čine ispitivani metal i neki plemeniti metal (npr. platina Rad galvanskih (korozijskih) članaka često se ispituje variranjem unutrašnjega i vanjskoga električnog otpora
Ispitivanja uz polarizaciju izvana najvažnija skupina elektrokemijskih postupaka za ispitivanje korozije temelji se na polarizaciji vanjskim izvorom struje i najčešće služi za snimanje polarizacijskih krivulja Postoje dvije dvije metode: - galvanostatičku (amperostatičku) i - potenciostatičku. Snimanje prvom metodom izvodi se tako da se na uzorku (elektrodi) najprije uspostavi određena struja polarizacije, a zatim se mjeri potencijal.
Pri potenciostatičkoj se metodi, suprotno tome, unaprijed uspostavi neki potencijal i tek onda mjeri struja polarizacije. Postoje i automatski uređaji kojima se kontinuirano polako mijenjaju električna struja ili potencijal, pa se govori o: - galvanodinamičkoj (galvanokinetičkoj) i - potenciodinamičkoj (potenciokinetičkoj) metodi IE i jE - krivulje
Laboratorijska ispitivanja korozije Planiranje ispitivanja - planiranje pokusa - svrhu ispitivanja - cilj pokusa – jasni izvještaji statističko planiranje pokusa - faktorna analiza Složenost faktora koji utječu na korozijske procese nameću i rješenja i optimalni broj ispitivanja. Teži se minimumu kojj ? ispitivanja po ?? Nužno je analizirati razdiobe eksperimentalnih podataka - aritmetičke sredine - standarne derivacije - varijacje varijabli
Statistička analiza omogućuje potpunije iskorištenje eksperimentalnih rezultata – radi upoznavanja korozije Izbor uzorka i pripreme ispitivanja Izbor uzoraka mora biti reprezentativan - tablice slučajnih brojeva Dimenzije uzoraka : optimalne veličine koja ovisi: 54 strana fali
ISPITIVANJE U TEKUČINAMA - vodenim - rastaljeni elektroliti - ne vodene tekućine: - trajno - povremeno - djelomično Posude za ispitivanje korozije pri sobnoj ili povišenoj temperaturi i normalnom tlaku fali
Ubrzana ispitivanja Lab. Ispitivanja redovito su ubrzana, a postiže se promjena vanjskih faktora ( sastav tekućine) temperatura stupanj aeracije, relativna brzina gibanja itd.) Pri ubrzanom ispitivanju ne smije se: Promijeniti karakteristike korozije Vrijeme ispitivanja ne smije biti prekratko itd. ISPITIVANJA U TLU Ne razlikuje se bitno od ispitivanja u tekućinama tlo je heterogeno radimo te ? aeracije, vlage sastava tla itd. Tla se za ispitivanja priredi po nekom od standarda u tlo se dodaju sastojci (obloge , zrak , temperatura te simuliraju prirodni uvjeti.
ISPITIVANJE U ATMOSFERI Korozijske komore u kojima se mogu regulirati i održavati konstantnim vanjski faktori korozije: - relativna vlažnost - temperatura - sastav atmosfere - izloženost ? svjetlu i td Ispitivanja u komorama - konstantno ili - periodički ili ciklički se mijenjaju Simulirano - seoski - industrijski - primorskoj atmosferi
ISPITIVANJE U VRUĆIM PLINOVIMA Korozija u vrućim plinovima lab. se ispituje u pećima u kojima se radni prostor obično punio plinovima određenog sastava. ISPITIVANJA NAPETOSNE KOROZIJE - laboratorijsko ispitivanje korozije odnosno se na kombinirano mehaničko- kemijsko oštećenje materijala - vlačno naprezanje - naprezanje na savijanje Napetosna korozija ispituje se u tekućim plinovima uz dobra znanja mehaničkih svojstava materijala te pomoću laboratorijskih pomagala ispituju se mehaničke u agresivnim sredinama su (5% NaCl) Bitno je mogućnost otkrivanje interkristalne korozije pitting i drugih strukturnih deformacija u materijalu.
Dinamički naprezanja ispitivanje u korozijskim ? uspoređuje se ispitani broj u agresivnom mediju i uspostavljanje vrijednost i koje su dovoljne za zadani materijala. TERENSKA ISPITIVANJA - dugotrajna - skupa Načelno vrijede kao i za laboratorijska ispitivanja cilj: dijagnoza - stanje u pregledu stanja u kojem se objekt nalazi Koristi se sve pred… napredne metode radi utvrđivanja pretpostavki dobivenih ? Atmosfera korozijskih stanica (tropska prašuma) ind. atmosfera ( tvornički krug kemijske tvornice)poželjno je da ovu stanicu prati i meteorološka stanica koja mjeri sve meteorološke uvijete
Podvodne korozijske stanice - smještene su uz more blizu obale , i to obično u nekoj luci, uz vlažne plovne puteve ili uz industrijska postrojenja U podzemnim korozijskim stanicama ispituje se korozija različitim vrstama tla.One su najčešće smještene uz buduća gradilišta velikih podzemnih objekata (npr. cjevovoda) i za njih također vrijede načela organizacije atmosferskih korozijskih stanica. Eksploatacijska ispitivanja - upotreba kopneno na kritičnim mjestima, upotreba ? metoda to su ne ubrzane ili terenska ispitivanja - pokusno laboratorijsko ili poluind. postrojenje procesne industrije
Korozijsko ponašanje i izbor materijala izbor optimalnoga konstrukcijskog materijala - ekonomskim - tehničkim kriterijima Svojstva materijala su statička i dinamička čvrstoća, tvrdoća, žilavost, sklonost puzanju i starenju, otpornost na trošenje trenjem, ponašanje u pogledu korozije i degradacije, električna i toplinska vodljivost, magnetska permeabilnost, izgled, prikladnost za oblikovanje lijevanjem, deformiranjem ili rezanjem, zavarljivost itd Korozijsko je ponašanje svakako jedan od važnijih kriterija za izbor materijala Materijali prema korozijskom ponašanju mogu biti - imuni (ako ne u ? jer ne postoji afinitet za proces korozije - aktivni (ako korodiraju) - pasivni (ako vrlo sporo korodiraju zbog kočenja procesa korozije
- vanjski faktori o kojima ovisi korozijsko ponašanje materijala: - sastav medija i - temperatura. Korozijsko ponašanje tehnički važnijih metala i legura su bitna za: - metalne prevlake (Cr, Cd, Rh), samostalni konstrukcijski metali (čelik i druge Fe-legure, Mg-legure, Ti MEDIJI: - vrući zrak (kemijska korozija) na max. temperaturi upotrebljivosti - elektrokemijska korozija - H2SO4 kiseli ne oksidanti vodikova depolarizacija - HNO3 kiselih oksidativnih otopina pravog pasiviranja - NaOH lužnatih otopina amfoterni metali uz vodikovu depolarizaciji .
- gradska atmosfera, tj. zagađena vlažna atmosfera koja uzrokuje specifičnu elektrokemijsku koroziju mnogih metala. Podaci o brzini prodiranja korozije, navedeni u tablici 6.1, bili su određeni dugotrajnim pokusima u toku kojih se proces - bar u gruboj aproksimaciji -načela – anti korozijskog legiranja - rafinacije - toplinskom obradom 1. crni metali (metali na osnovi željeza) 2. obojeni metali a) laki metali (gustoća 5gcm-3) b) neplemeniti teški metali c) plemeniti teški metali
Zaštita metala mijenjanjem sastava i strukture Legiranje metala se provodi radi povećanja korozijske postojanost; u korozijskim sredinama ali i zbog postizanja posebnih mehaničkih ili nekih drugih fizikalnih svojstava. U tehnici se razlikuju: - nisko i - visoko legiranje U niskom legiranju u leguri ima do 5 % jedne ili više legirajućih komponenata (metala ili nemetala), a pri visokom legiranju više od toga. U legirnim elementima ne smatraju se elementi-pratioci (npr. C, Si, Mn, P, S i drugi pratioci željeza u ugljičnom čeliku - legiranje usporava samo kemijsku, odnosno samo elektrokemijsku koroziju
Legiranje radi zaštite od kemijske korozije - sprečavanje oksidacije metala u vrućim plinovima - legiranje radi mijenjanja karaktera oksidnih slojeva legiranje radi smanjenja gustoće defekata rešetke u oksidnim slojevi CILJ kočenje difuzije kroz sloj - koja utječe na smanjenje korozije - legiranje radi mijenjanja karaktera oksidnog sloja ZnO s viškom Zn legiranjem s elementom više valencije Zn+2 Al3+ mijenja se karakter u čvorištu kristalne rešetke 2Al3+ zamjenom tri Zn2+-iona u čvorištima kristalne rešetke Dovoljno je da ima 0,1 do 1,0 molnih postotaka Al (0,04 do 0,4 masenih po-i) da bi se višestruko smanjila brzina korozije.
Miješani oksidi tipa spinela imaju izvrsna zaštitna svojstva, a nastaju kemijskom korozijom na površini legura dvovalentnih i trovalentnih metala ako obje komponente imaju afinitet prema kisiku Legiranje radi zaštite od elektrokemijske korozije Zaštita od elektrokemijske korozije legiranjem temelji se na: - postizanju imunosti visokim legiranjem neplemenitoga, korozijski aktivnog metala plemenitim metalom - postizanju prave pasivnosti visokim legiranjem neplemenitoga, korozijski aktivnog metala metalom sklonim pasiviranju faznim filmom - olakšanom postizanju prave pasivnosti niskim legiranjem metala sklonih toj pojavi plemenitim metalom
postizanju neprave pasivnosti legiranjem neplemenitoga, korozijskog aktivnog metala metalom koji povećava sklonost pasiviranju slojem sekundarnih produkata korozije i smanjenju katodne aktivnosti niskim legiranjem neplemenitoga, korozijski aktivnog metala elementom visokog prednapona depolarizacije Imunost se postiže dodatkom dovoljne količine plemenitog metala neplemenitom tako da se u nekim korozivnim sredinama legura ponaša kao sam dodani metal vrijedi Tammannovo pravilo (pravilo n/8) prema kojem se korozijsko ponašanje skokovito poboljšava kada molni udio atoma plemenitog metala u leguri prekorači vrijednosti 1/8, 2/8, 3/8 ili 4/8. Prava pasivnost legura u određenim elektrolitima može se postići dodatkom dovoljne količine metala sklonog pravom pasiviranju neplemenitom metalu
Neprava pasivnost poslužuje se dodatkom metala koji je sklon Nepravoj pasivnosti s sekundarnim? korozije Moguće je dobiti npr. ? legiranjem ugljičnog čelika sa Cr, Ni, Cu Smanjenje katodne aktivnosti i time i kočenje korozije u ? može se postići i niskim legiranjem. Za sprečavanje ? vrijedi dodaje se: Sn, As, Sb, ili P Legiranjem radi zaštite od štetnog utjecaja elemenata pratilaca Elementi – pratioci nepovoljno djeluju na koroziju ponašanje metala bilo u ? ili ne elektrolitima te se legiranjem oni vežu za legirajuće elemente npr. dodatak Mn ili Cu
Zaštita rafinacijom Maksimalno promijeniti sadržaj elemenata pratilaca Npr. Al → 99,5 % Al rafinira na 99,9% Al Iz čelika – rafinacijom uklanja se S i F Zaštita toplinskom obradom Adekvatnom toplinskom obradom, promjena strukture npr. martenzitna struktura – sprečavamo interkristalnu koroziju NELEGIRANI CRNI METALI Tehnički crni metali sadrže željezo kao osnovnu komponentu. Nelegirani crni metali dijele se na: - obične čelike (ugljični čelici) s < 1,7 % ugljika i - lijevano željezo s > 1,7 % ugljika.
U svim crnim metalima kao elementi-pratioci osim ugljika nalaze se mangan i silicij te u vrlo malim količinama sumpor i fosfor Specifičnost U vrućim oksidativnim plinovima koji najčešće sadrže O2, CO2 i vodenu paru (npr. zrak i sagorjevni plinovi) nelegirani se crni metali - doduše vrlo sporo - oksidiraju već između 200 i 400 °C, pri tome nastaju polarizirani slojevi. α-Fe2O3, odnosno γ-Fe2O3. U području 573 °C nastali oksidni slojevi crne boje tzv. okujine (ogorina) sastoji se od među slojeva Te3O4 (magnetit crnog željeza( II, III. ) oksida i vrlo tankog praznog filma α-Fe2O3 iznad 573 °C oksidacija se naglo ubrzava i nastaje okujina koju čini deblji sloj FeO (wustita bezbojnog željeza (II) oksiad) neposredno uz metal i vrlo tankog prozirnog filma α-Fe2O3 tanji sloj magnetita i površinski proziran film hematita.Takva okujina ima slabu zaštitu – sposobnost zbog lošeg svojstva wuslita.
Struktura i sastav okujine na niskougljičnom čeliku izloženom zraku 575 °C