Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов

Коррозия материалов.

Коррозией материаланазываются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды.  Коррозия характернадля материалов, состав и структура которых далеки от природных. Традиционно термин "коррозия" применяют только к металлам.

          Коррозия является одной из самых больших и дорогостоящих инженерных проблем человечества. Прямые потери от коррозии составляют в США более 70 млрд. долл. в год. В любой стране мира потери составляют 3-4% от валового национального продукта. Непрямые потери, в виде простоев, недоотпуска энергии, потерь газа, нефти и т.п., потерь мощности насосов, котлов, порча воды, консервов и других продуктов вообще трудно поддаются исчислению. 

Мы будем рассматривать, в основном, коррозию металлов. Обязательным условием возникновения коррозии является наличие влаги, причем по влаге должна осуществляться проводимость между участками, участвующими в процессе коррозии.  Основной металл, который подвергается коррозии, и который необходимо защищать от коррозии - это железо, точнее сталь. Итог коррозии - образование каверн в монолите материала, заполнение этих каверн и окружающего пространства рыхлой рыжеватой массой, состоящей из гидроксида железа Fe(OH)2, окисленного гидроксидаFe(OH)3. В принципе, к каждому из гидроксидов могут присоединиться несколько молекул воды, получаются гидраты окислов двух и трехвалентного железа. Цвет ржавчины, в основном определяется цветом гидроксида трехвалентного железа.

  

Основные механизмы коррозии железа.

Коррозия во влажной неоднородной среде(в грунте, при увлажнении туманом, дождем и т.п.). Происходит при разделении поверхности металла на участки с разными электрохимическими характеристиками (анодные и катодные зоны). Разделение на зоны может быть связано с разной степенью доступа кислорода к различным участкам, с разными концентрациями, либо разными электролитами, либо разными температурами. В анодной зоне идет выход ионов металла из кристаллической решетки в окружающую среду и соединение с присутствующими там ионами. В катодной зоне приэлектродная реакция сводится к восстановлению отрицательных гидроксильных ионов:

катодная зона:              4ОН- = 2Н2О + О2 +4e-

анодная зона:                                           2Fe++ +  4ОН-= 2Fe(OH)2

Ионы дрейфуют от катода к аноду, там соединяются с ионами железа, образуя гидроксид.

Контактная коррозия.Происходит при контакте между собой различных металлов во влажной среде. Более "благородные" из этих металлов являются катодом в паре с менее "благородным" корродирующим анодом. Электрохимических ряд металлов, применяемых в электроэнергетике имеет следующий вид (вышерасположенные металлы более "благородны" по сравнению с нижерасположенными):       

медь
свинец
сталь в бетоне
сталь в грунте
алюминий
цинк.

           Все вы проводили лабораторную работу по изучению материала "ЭКОМ", где измеряли контактное сопротивление электродов. Если вы помните, у пятой плитки очень маленькое сопротивление по сравнению с остальными. Так вот, у этой плитки электроды выполнены из латуни, а у остальных плиток - из оцинкованной стали. Если после изготовления плитки ее сразу использовать для нагревателей, то оцинкованные электроды прекрасно служат. А если плитки полежат во влажной теплой атмосфере, то произойдет коррозия. Цинк полностью "съедается" на электродах, остается слабоэлектропроводный слой оксида цинка. Это наглядный пример вредного эффекта коррозии. 

Электрокоррозия(коррозия под действием блуждающих токов).

Происходит в водной и грунтовой средах в зонах, прилегающих к электрифицированному на постоянном токе транспорту (железная дорога, трамвай, метро).  Предполагает наличие протяженных подземных коммуникаций, в которые попадает блуждающий ток. Места "входа" тока (катодные зоны) не корродируют; в местах "выхода" тока  металл растворяется по закону Фарадея. В связи с движением источника тока (электровоз) катодные и анодные зоны меняют свое местоположение на коммуникации.

 

Защита от коррозии.

Существует огромное количество способов борьбы с коррозией, которые применимы в зависимости от условий.

1.     Уменьшить влажность среды.

2.     Защитить с помощью расположенного рядом "жертвенного" или "протекторного" анода (цинк, магний, алюминий).

3.     Подать напряжение на объект с помощью источника постоянного тока, при этом "минус" подается на защищаемый металл. (Катодная защита).

4.     Подать повышенное напряжение противоположной полярности. (Анодная защита). Когда подают повышенное напряжение, в некоторых случаях, происходит пассивация поверхности.

5.     Сделать покрытия на поверхность металла. Существуют два типа покрытий: 

 а) коррозионностойкие с помощью более благородных металлов (никелирование, омеднение, освинцовывание, хромирование), при этом недопускается наличие пор в покрытии. 

 б) протекторные, (цинковые, алюминиевые, оловянные).

6.     Покрыть поверхность изолятором. Это эмалирование, например, посуды, покраска, покрытие лаком.

 

Литература

1. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер с англ./Под ред. М.А. Сухотина.-Л.:Химия, 1989, 456 с.

Цель работы - Изучение вращения тела вокруг закрепленной оси на примере маятника Обербека. Приборы и материалы - маятник Обербека, нить с грузами и перегрузками, милисекундометр. Теория. При вращательном движении твердого тела вокруг закрепленной оси все точки тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения с центрами лежащими на этой оси. Если ось вращения - одна из главных осей инерции тела, то основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела выглядит следующим образом 1) и преобразуется к виду 2); где - момент импульса твердого тела, - сумма всех моментов сил приложенных к телу, I - момент инерции тела относительно оси вращения, N - сумма проекций моментов сил на ось вращения, - угловое ускорение тела. В этой работе, для изучения вращения тела, я использовал маятник Обербека. Твердое тело выполнено в виде крестовины из стержня с насажанными грузами m1. Вращатель-ный момент N создается натяжением нити Т, переброшенной через шкив радиуса r, насажанный на ту же ось, что и крестовина. К нити привязан груз (с перегрузками) суммарной массы m. Экспериментально проверяя правильность следствий, вытекающих из уравнения 2). Без учета момента сил трения в оси подшипника шкива уравнение 2) принимает вид 3) здесь принято во внимание, что Т=Т' (нить невесома). Используя для описания движение платформы с перегрузком второй закон Ньютона и учитывая связь между ускорением платформы с перегрузком и угловым ускорением крестовины, получим еще два уравнения: 4) 5) . Знаки проекции величин, входящих в 4), соответствуют положительному направлению оси Х, ко-торый направлен от оси вращения вертикально вниз. Из уравнений 3) и 5) получаем: 6) . Так как платформа с перегрузком из состояния покоя движется прямолинейно с постоянным ус-корением, то проходимое ими расстояние меняется со временем по закону: 7) Исключая из 6) и 7) ускорение получим формулу для момента инерции маятника 8) . Уравнение 8) получено без учета момента силы трения в оси подшипника шкива. Предполагая, что этот момент практически не зависит от угловой скорости вращения маятника, то есть является постоянным, можно экспериментально определить его величину Для этого к концу нити намотанной на любой из шкивов прикрепляется платформа с перегрузками суммарной массой m, поднятая на высоту h. Очевидно, что до того момента, когда маятник начнет вращаться, система маятник - платформа обладает потенциальной энергией mgh