Конструкционные материалы на основе железа

ГЛАВА 1 КОРРОЗИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Конструкционные материалы на основе железа — чугуны и стали — являются самыми распространенными конструкционными материалами как по объему их производства, так и по частоте использования.

Железо существует в двух аллотропических формах, α и γ. α - железо называется ферритом, оно магнитно, имеет ОЦК решетку и стабильно при Т < 910 °С и Т > 1401 °С. Устойчивая при высоких температурах форма феррита называется δ-феррит. γ -железо имеет ГЦК решетку, не обладает магнитными свойствами и называется аустенитом. ПДК в воде — 0,1 мг/л. Железо (так же, как хром и марганец) относится к черным металлам. В природе оно всегда существует в окисленной форме (в виде руд), содержащей в своем составе также С, О, S, Mn, Cr, Ni и другие элементы.

Стандартный потенциал для реакции Fe²⁺ + 2е = Fe равен - 0,44 В, а для

реакции Fe³⁺ + 3е =Fe равен - 0,036 В. Однако реально измеряемый на практике потенциал значительно отличается от равновесного.

В присутствии кислорода или других окислителей железо пассивируется и его стационарный потенциал приближается к +0,1 В. Если в растворе находится ион водорода или галоидные ионы, потенциал железа сдвигается в отрицательную сторону и может достигать значений - 0,6 В.

В большинстве сред, за исключением растворов минеральных кислот, при коррозии железа образуются нерастворимые продукты коррозии — ржавчина.

Первичный анодный процесс приводит к образованию ионов двухвалентного железа Fe²⁺. В нейтральных растворах образуется гидроксид Fe(II)-Fe(OH)₂, растворимость которого равна 1,64*10^-3 г/л. При наличии в растворе О₂ протекает дальнейшая реакция — образование гидроксида трехвалентного железа Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃

Последний имеет растворимость ≈ 4,8 ∙10^-⁸ г/л, т.е. значительно меньше, чем Fe(OH)₂.

Образование ржавчины происходит в растворе в непосредственной близости от корродирующей поверхности. Ржавчина покрывает металл рыхлым слоем. Она обладает плохим сцеплением с металлической поверхностью и поэтому плохо защищает железо от коррозии. Состав ржавчины может быть переменным и его выражают общей формулой:

nFe(OH)₂ ∙ mFe(OH)₃ ∙ qH₂О,

где n,m,q — целые числа.

Железо не является коррозионно-стойким материалом. В атмосферных условиях скорость его коррозии в 5-10 раз превышает скорость коррозии цинка, никеля, меди [1].

Практически все конструкционные материалы на основе железа в тех или иных количествах содержат в своем составе углерод. Рассмотрим диаграмму фазового равновесия Fe-C. Первым исследователем указанной диаграммы был Д. К. Чернов, который обнаружил так называемые «критические точки» (температуры): 770°С - магнитное превращение (точка Кюри); 910 °С - превращение α→γ; 1401 °С - превращение γ→α(δ); 1534°С - плавление; 3200 °С - кипение. Однако поскольку растворимость самого углерода в железе низка и при превышении предела его растворимости выделяется карбид железа—цементит (Fе₃С), то, как правило, рассматривают не стабильную диаграмму состояний Fe-C, а метастабильную Fe-Fe₃C (рисунок 1.1). На диаграмме соответственно сплошными и пунктирными линиями обозначено метастабильное и стабильное равновесие. Линии АВ, ВС, CD являются линиями солидус, линии АН, HN, JE — ликвидус. Линии NH, NJ, ES, E^IS^I, GO, GS, GP, OS, PK, P'K', PQ, МО, очерчивают области равновесий, имеющих место в твердой фазе. Линии HJB, E'C'F, ECF являются линиями эвтектического, а линии P'S'K' и PSK — эвтектоидного равновесия. Указанным линиям соответствуют следующие температуры (таблица 1.1.)

Таблица 1.1 - Температуры, соответствующие линиям эвтектического и эвтектоидного равновесия в системе Fe-Fe₃С

Температура Линия на диаграмме Fe-Fe ₃С

HJB E'C'F CF P'S'K' PSK

t,°С

Содержания углерода, соответствующие основным точкам на диаграмме Fe-Fe₃C, приведены в таблице 1.2.

Рисунок 1.1 - Полная диаграмма состояния системы Fe-C

Таблица 1.2 - cодержание углерода, отвечающее характерным точкам на диаграмме Fe-Fe₃C

Концентрация Точка на диаграмме Fe-Fe₃C

В С CI Н J Е Е' S S' Р Q О

С, масс.% 0,53 4,30 4,25 0,10 0,16 2,06 2,03 0,80 0,69 0,025 0,006 0,50

Стали и чугуны

Сплавы системы Fe-Fe₃C подразделяются на стали и чугуны в зависимости от содержания в них углерода. К первым относятся сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,03 %. Структура сталей определяется содержанием в них углерода. В момент полного затвердевания структура сталей, содержащих менее 0,1% С, чисто ферритная (δ-феррит). Полное затвердевание сталей, содержащих 0,1-0,16% С, заканчивается образованием ферритно-аустенитной структуры, содержание δ-феррита в которой изменяется от 0 (точка J) до 100 % (точка Н). Стали с содержанием углерода 0,16-0,51% имеют ферритно-аустенитную структуру, образование которой связано с расходом в процессе охлаждения первоначально образовавшегося δ-феррита. Сплавы, содержащие 0,51-2,03% С, имеют чисто аустенитную структуру, образование которой начинается с первых моментов затвердевания жидкого металла [1].

Во многих нержавеющих сталях аустенит нестабилен и способен превращаться в мартенсит. Мартенсит имеет тот же состав, что и исходный аустенит, но иную «игольчатую» структуру. Прочность и твердость стали при этом повышаются, коррозионные свойства меняются незначительно. Чугуны имеют в своем составе более 2,03% С и подразделяются на доэвтектические (2,03 % < С < 4,25 %) и заэвтектические (С > 4,25 %). В структуру доэвтектических чугунов входят: аустенит (основная составляющая) и перлит (эвтектическая смесь Fe и Fe₃C). Переохлаждения, реализуемые в реальных процессах металлургического производства чугуна, способствуют выделению в структуре сплавов не цементита, а графита, имеющего так называемую «крабовидную» форму. Серый цвет излома чугунов с аустенитно-графитовой эвтектикой дал им название серых. В отличие от серых, белые чугуны имеют светло-серый гладкий излом, а в их состав входит аустенитно-цементитная эвтектика. В заэвтектических чугунах основной структурно-фазовой составляющей является графит (или цементит).

Кроме углерода в состав сталей всегда входят и многие другие химические элементы как специально вводимые для придания металлу определенных свойств и называемые легирующими, так и неизбежно попадающие в металл из рудных материалов. Такие элементы называются примесными.

Примесные элементы могут образовывать с железом твердые растворы замещения (если их атомный диаметр отличается от атомного диаметра Fe не более, чем на 15 %) или внедрения (если их атомный диаметр составляет не более 0,59% атомного диаметра Fe). Взаимодействуя друг с другом или с железом, примесные элементы образуют в структуре сталей неметаллические включения — оксиды, сульфиды или оксидосульфиды, количество, химический состав и структура которых определяются технологией выплавки металла.

К сталям обычного качества относятся сталь 1, сталь 2, сталь 3 и т.д., различающиеся содержанием углерода (0,15-0,45%) и механическими свойствами [2].

Маркировка качественных сталей — сталь 10, 15, 20 и т.д. соответствует среднему содержанию в них углерода (в сотых долях %). Стали с содержанием легирующих компонентов не более 3-5%, объединены в группу углеродистых или низколегированных. Их область применения: основная масса оборудования и металлоконструкций.

В соляной кислоте скорость растворения углеродистых сталей экспоненциально возрастает с концентрацией HCI.

В серной кислоте скорость коррозии возрастает по такому же закону до концентрации H₂SO₄, равной 47-50%. В более концентрированных растворах скорость процесса уменьшается, что связано с образованием пассивных оксидных и сульфатных пленок на поверхности.

В азотной кислоте пассивация железа наступает при концентрации кислоты около 50%. При концентрации азотной кислоты 94-100 % железоуглеродистые сплавы вследствие явления перепассивации вновь сильно разрушаются.

В плавиковой кислоте низколегированные стали разрушаются очень быстро, если концентрация кислоты не превышает 50%. В более концентрированных растворах железо устойчиво.

Допускается транспортировка плавиковой кислоты концентрацией не ниже 60 % в стальных баллонах.

В щелочах концентрацией до 30% железо довольно устойчиво. При более высоких концентрациях NaOH защитные пленки на поверхности железа растворяются с образованием ферратов - Na₂FeО₄. В концентрированных щелочах, особенно при высокой температуре, сплавы на основе железа подвержены коррозионному растрескиванию - так называемой «каустической хрупкости».

В органических кислотах углеродистые стали подвержены сильной коррозии, которая увеличивается при доступе кислорода и с повышением температуры.

В спиртах, бензоле и органических растворителях железоуглеродистые стали коррозионно-устойчивы.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.