Vật liệu học phần 1

https://tieulun.hopto.org Chủ biên LÊ CÒNG DƯỠNG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2000 https://tieulun.hopto.org Tập thề tác giả (chưong 3) Ts NGUYỄN VĂN CHI Ts NGUYỂN KHÁC CƯỜNG (chương 10) Ts.K.H TRÁN VÍNH DIỆU (chương 11 12) Ts.K.H NGUYỄN ANH DŨNG Ts.K.H LÊ CÔNG DƯỠNG (chương 9) (chương mỏ đầu 13) Ks NGHIÊM HÙNG (chương phụ lục) Ts TRƯƠNG NGỌC LIÊN (chương 6) Ts ĐỔ MINH NGHIỆP (chưong 4) Ts LÊ THỊ PHÁI (chương 11) Ts.K.H NGUYỄN VĂN THÁI (chương 7) Ts TRÁN QUỐC THÁNG (chưổng 1) Ts TẠ VĂN THẤT (chưong 3) Ts NGUYỄN VĂN Tư (chưdng 3) Ts.K.H NGUYỄN VĂN TRỊ (Chương 5) Ts NGUYỄN KHÁC XƯƠNG (chuơng 12) Ban biên tập LÊ CÔNG DƯỠNG Đỏ MINH NGHIỆP NGHIẾM HÙNG NGUYỄN KHÂC XƯƠNG TRÁN QUỐC THÂNG NGUYỄN VĂN Tư 6.604 KHKT -2000 https://tieulun.hopto.org Lời tựa Ngày nay, sư phát triển tất ngànk kỹ thuật chế tạo khí, xây dưng, cơng nghiệp hóa học, luyện kim, kỹ thuật điện điện tử, ffiao thông vận tải, công nghiệp thực phăm, gắn liền với vật liệu, dâu củng cần đến vật liệu với tính ngày đa dạng chất ỉượng ngày cao Phát triển vật liệu trở thành troìiỊĩ hướng mùi nh.ọn cac nước Trong chiến lược phát triển kin h tế chung đất nước, phát triển vật liệu vấn đề then chốt đccơng nghiệp hóa đại hóa kinh tê Do đó, chương trin h đào tạo đại học, kiến thức vật liệu trơ thành yêii cầu quan trọng ngành kỹ thuật: Cần trang bị cho người kỳ sư tương lai nliữỉig hiểu biết vật ỉiậu nói chuTiẼ, tín h n ă n g p h m v i ứng d u n g từ n g n h ó m v ậ t liệ u riê n g b iệt, từ dó có tk ể lự a chọn cách hợp Lý loại vật liệu rần thiết cho mục đích cụ thể, đáp ứng yêu cầu kỹ thụât kinh tế mong muốn tự ìninh tham fíia trực tiếp vào q trin h chế tạo sử dụng chúng Ba nhóm vật liệu, dùng p h ổ biến công nghiệp vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ-ceramic vật liệu hữu cơ-polyme Trọng tâm kiến, thức lĩn h vực vật liệu h iâ u b iế t bao q u t rnơì q u a n hệ g iữ a cấu trú c tín h ch ấ t, đ ố i v i v ậ t liệ u kế t cấu th ì chủ yếu tính, cịn đơi với vật liệu chun dùng th i có thê điện tính, từ tính, tính chổng ăn mịn Dù vật liệu kim loại, vơ hữu chúng khảo sát sở nguyên lý chung vật liệu học, môn khoa học sử dụng thành tựu cùa hóa học, vật lý, hóa lý nhiều ngành khoa học khác đâ'nghiên cứu đổi tượìig vật liệu rắn Nhẳw đáp ứng chươììịỉ trinh đào tạo theo ìiỊỉành rộng, tập the cún khoa học nhiều ngành khác Trường đạì học bách khoa Hà Nội soạn thảo cn sác/ì Vât liê u hoc dò phục vụ ^iâng dạy học tập cho ngành kỹ thuật, trường đại học Cuốn sách gom hai phầìi sau đây: Các kiến thức sở cấu trúc tính chất vật liệu gồm chương: • Cău trúc tinh thê : khảo sát xếp nguyên tử vật chât nói chunịĩ vật liệu rắn nói riêng, trạng thái tinh thểcũnịí p h i tinh thể (vô định /linh), dạn^ sai lệch mạng tinh thể, đặc điẽm xở]} nguyên tử vật liệu kim loại, vơ hữu cơ; • Giản đồ pha : kháo sát khả hình thành pha tổ chức khác phụ thìiộc vào thành, phần hóa học, nhiêt độ áp suất; • Khuếch tán chuyển pha : cung cấp kiến thức trin h khuếch tán, chuyến pha lòng-rắn, tiêu biểu trin h kết tin h từ thể lỏng, trin h chuyển pha thể rắn, sở phương pháp xử lý nhiệt khác nhau; • Biến dạng tính vật liệu : nêu khái quát chất trin h biến dạng đàn hổi, biển dạng dẻo phú hủy, sở để kiểu mơi quan kệ câu trúc tính, nhóm tính chảt phơ biến nhiều vật liệu thơng dụng, củng nắm xu thê chế tạo vật liệu có độ bền cao; https://tieulun.hopto.org LỊI TỰA • L ý tính : trin h bày chất tinh chất vật lý thông dụng điện, n h iệ t, từ vá q u a n g ; • Ă n m ò n bảo uệ v ậ t liệ u : nêu b ả n c h ấ t q u tr ì n h ă n m ị n hó a học điện hóa biện pháp bảo vệ chơng ăn mịn Cấu trúc tính chất nhóm vật liệu cụ thê sử dụng phô biến công nghiệp, gồm chương: • Thép gang : loại vật liệu quan trọng cơng nghiệp; • K im loại hợj) kim mầu : gồm nhôm, đồng, magiê, titan, thiếc, kẽm, nỉken, coban hỢp k im c h ú n g ; • Vật liệu vơ - ceramic : gồm ceramic kỹ thuật, thủy tinh, bêtông vật liệu kết dính; • Vật liệu bột : loại vật liệu có xu thê phát triển nhanh cho đôi tượng kết cấu chi tiết máy, dụng cụ, • Vật liệu hữu - polyrne : gồm loại polyme, caosu, sơn, kco gỗ; • Vật liệu kết hợp (compozit) : nhóm vật liệu nhiều tiềm năng, gồm c o m p o z it k im lo i, c h ấ t dẻo c e m ic v i c h ấ t g ia c ố d n g sỢi hạt Ngoài ra, chương cuối "Xu th ế p h át triển, lựa chọn sử dụng vật liệu" đế cập đến nguyên tắc lựa chọn sử dụng vật liệu có ý đến yếu tố công nghệ chẽ tạo, hiệu kinh tè (giá thành) củng yêu cầu bảo vệ môi trường uả xu th ế phát triển vật liệu th ế giới Phần phụ lục gồm phương pháp thử tính (độ bền, độ cứng, độ dẻo), phương pháp kiểm tra tô chức tế vi, nguyên tắc ký hiệu vật liệu củng bảng đôi chiếu sô'loại thép thơng dụng nước Sách nhằm thay thếCUỐTÌ "Kim loại học nhiệt ỉuyện" trước cỉùrìỊĩ clìQ ngành khác Trường đại học bách khoa Hà N ội có th ể sử dụng đế' giảng dạy tham khảo tạ i trường đạ i học kỹ thuật khác nước Trong trin h soạn thảo, tác giả cố gắng sử dụng hiểu biết kinh nghiệm củng thực tế Việt Nam tích lũy hàng chục năm công tác giảng dạy thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trin h giảng dạy củng sách giáo khoa vật liệu học trường đại học nhiều nước tiên tiến xuất năm gần Tập thể tác giả xin chân thành cám ơn Bộ giáo dạc đào tạo, Ban giám, hiệu Trường đại học bách khoa Hà N ội củng nhiều nhà khoa học nước đ ã h trỢ n h iề u m ặ t đ ể x u ấ t b ả n cu ố n sách Nhằm ngày hoàn thiện chương trin h giảng dạy củng nội dung cụ th ể m ô n học, c h ú n g tô i m o n g n h ậ n đxỉỢc n h iề u gó p ý củ a độc g iả , x in g i theo địa chỉ: Bộ môn vật liệu học nhiệt luyện, Trường đại học bách, khoa Hà Nội Chủ biên Gs, Ts LẺ CÔNG DƯỠNG https://tieulun.hopto.org ĐẼ’ TƯỎNG NHỚ GIẢO sư, TIẾN SỸ, NHÀ GIẢO ưu TÚ J l ê G ế H íị, '^ iỉ& n c ỷ Sự hình thành sách bước di nhằm thực ý tưởng xày dựng ngành đào tạo rộng mói nước ta - ngành Khoa học vật liệu vá cóng nghệ mà Giáo sư Lé Cóng Dưỡng mơt người khởi xướng có nhiều tàm huyết Tiếc sau tai nan hiểm nghèo Anh dả để hội chúng kiến đời sách Trong hoàn thành công việc biên tập cuối Anh để lại, cố gắng giữ nguyên tắc mà Anh đâ đưa ban đầu vè nội dung bổ cục sách Chúng củng xem việc hoàn thành Vật liệu học kỷ niệm sâu sắc không thê quén môt thời gian cộng tác hiệu Ban biên tập \/à tập thể tác giả Giáo sư Lé Cóng Dưỡng VỚI tư cách người Chủ biên sách Hà nội, Mùa hè năm 1996 Thay mặt Ban bién tập tập th ế tác giá ĐỔ MiNH NGHIỆP https://tieulun.hopto.org https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC CHƯƠNG MỞ Đíỉu 0.1 KHÁI NIỆM VÉ VẬT LIỆU • • • Theo cach hiếu pliổ biên t.hì vạt liệu nhữiis vật rắn Iiìà Iigiíịi sií clụiig đe chê tạo dụne: rụ lìiãy inoc thiịt bị xây dựng cơng trình, nhà cửa thay c:no phạn ĩhe hoạc cle thể hièii c;u' ý u.shệ tiuiạt nói chung Dựa theo tính chất đặc tru ìiịi co tho pháii biột, bn Iihóiìi vậ t liệu sau clày; vạt liộ\i k im loại, vật liệu vó cơ-revamú' vạt liệii hữu -polynie V ật liệu k iiu loại ià Iihữiig vật the (lan diệu tôt J)liàii xạ ánh sang với sác đậc triíiig , có khả uăiig bièn clạiig dẻo tôt nhiệt độ thấp thưịng ben vững hóa học Đặc điểm cau trúc vạt liệu kim loại xếp trậ t tự cac; nguyên tử tạo t.hành mạiig tiiih thò vc'n độ xép chạt cao liêu kết với nhị k h í điện tiV tự do, Trong mạng tm l\ tlie hiôn tổn cac khuyết tật sơ (ỉiè\i kiện có the chuyển hồn tồn suiiíi ỉ rạng thái kliỏng trật, tự (vô định liĩiih ) Vạt liệ ii k im loại t.liónK cliniR lìi tlìó\) gang, đồng Iihơỉii, tita u , Iiike ii cac hớp kim ciia cl)úiig Vật, liệ ii vơ cci-ceraiìúc cac chiVt dần (tiện kóin thướng t.roiiK siiơt khơng liiịn dạng dẻo, rã i giịn, rát bf*ii vững hóii liọc noiiK chĩiy ố nhiệt độ rát cao T lià n li phần câ\i tạo d ìii cliiíng c;ir hỢ|) c:luVt giữu kim loại (Mg Al, Si, Ti, Zr, ) phi kiin loại (iiíới clạiiịỊ oxvt Ciichit n itrit vdi liên kêt bền vửiig kiểu ioii đồng hóa trị cỏ sắi) xèp trá t tự (t;u) tliành niạiiíí tinh thể) khơiig trậ t tit (trạ iig thá i th ủ v t.inli vô cỉịnli hinli) T ('^11 ^fọi ceraiiiic có íiiồn gơc từ tiẻ iiíí Hy Lạp "keraiiìikos" với Iigliĩa "vạt innig" hdi cliê tạo t,lní(iiiK pHải qua niuig thiê\i kẻt Cac ceramic truyền t.hơìi^f thủy tin li gốni, sứ t.hiíờiig gạch chịu lửa Ngày ceraniic cl\íỢc hiểxi vói nghĩa klia rộng, bao gổni tồn vạt, liệ\i vơ cd ceramic truyền thống, ceraniií' cơng nghiệp cerainic đặc biệt, sử cỉụiig côiig nghiệp ctiộn điện tử hàng không vũ trvi v.v V ậ t liệ ii ii - polyine n liữ iig chất dẫn cìiộn kéni giịn ỏ nhiệt độ thấp có khả bièn clạiifĩ cỉèo nhiệt độ cao bền vừiiíí lióa học nhiệt độ phịng khơng khí Iióiig cliảy phán liủy nhiệt (tộ t\fơng đơl tháp Hai ngun tơ nh pliần chù u nhóm vật liẹu Iiày cacbon hyđro chứa thêm oxy clo nitơ, liên kèt với mạch phàn tử kích tlntớc lớn xpp trậ t tií (trạng th i tinh thể) khơng trật tự (trạng thái vơ định hình) Ngồi vật liệu hữu co’ tự nhiêii caosu xenliilo phnn lớii v ậ t liệ\i hữu sử dụng rộng rã i nav cáf polvnie tổng hỢp; chúng sản phẩm qua trìn h trùng hỢp (polynie hóa) cac phâii tử đơn (iiioiionie) (1(» (tó tù y tlieo ngiiồii gôr cluVt https://tieulun.hopto.org CHƯƠNG Mỏ ĐẨU trùng hỢp, chiíiis có cã(’ tén gọi khác uhư polyetyleii (PE) polyỊ)ropylen (PP) polystyreii (PS) v.v Ngi nhóm ('ó trên, ró thể bổ R\uig thêm Iihónì q iia ii trọng thứ tii : vặt liệu cunipozit (vật liệxi kèt hợp) Dây lủ sit kèt hỢi) hai hoạc Iihiểu loại vạt liệii vói oac tính ch 2H2O O + H 2O + 4c ^ H ' co - 0 õ p H -(-0.1 õ lo g P o (6 10 ) Pii,^ P(),^ áp siiấ t riêng phần ciia liyđro oxy Vì pH thay đổi làm thay đổi vận tốc ăn mòn độ Iihiệt động vói ăn mịn kiin loại Ả n h h n g g iá n tiếp Ta chia kim loại th n h ba nhóm: - N liĩĩiig kim loại có m àng oxyt hịa tan axit lẫn kiềm (ví clụ Zn Al Pb Sn ) tốc độ ăn mịn th ay đổi theo pH; - Nhĩíiig kiin loại có m àng oxyt tan mơi trường axit (ví dụ Ni Co Cu Cr M i i ) ch ú n g b ền niôi trường kiềm; ' N hững kiin loại có m àng oxyt khơng hịa tan axit lẫn kiềm (ví clụ Pt Ag Ti ) có tơc độ ăn mịn khơng th ay đối theo pH 6.6.2.2 Ảnh hưỏng thành phần dung dịch Trong mơi tritờug tru n g tính, m i oxy hóa (KCIO.-Ị K^CrOi ) làm cho kim loại bị thvi động, tốc độ ăn inòn bị kìm hãm Các anioii tạo th n h vỏi ion kiin loại muối không tan trêu aiiôt catơt làm giảm tơc độ ăn niịn Ví dụ; F e " '+ H P O / - ^ P eH P O , 6.6.2.3 Ảnh hưỏng nồng độ oxy Qiiá trhili catơt ăn mịn nhiề\i qiia trìn h khử oxy: O + H 2O + 4e —> H Vì tốc độ ăn IIIÒII phụ tluiộc vào nồng độ oxy hịa tan dung dịch Nói chung tă iig nồng độ oxy th ì tơc độ ăn mịn tă n g v ì ; D i„ /'' = - F ; (6.11) X D - liệ sơ khuếch tán; X - ch iều dày lóp khuếch tán; - nồng độ oxy hịa tan https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC _ ‘ ^ Tuy nhiên Iiồng độ oxy vượt giói h ạn dó kim loại lại bị thụ động Ví dụ, hợp kim Fe-C r bị thụ động c"() > 0.7 inl/1 dung dịch 6.6.2.4 Ành hưởng nhiệt dộ Troug tn tò iig hỢp qiiá trình catơt khử ion H' tơ’c độ ãii mịn tãiiíí theo nhiệt độ qiiá thê hyđro giảm Iihiệt độ tăng Klii trình catơt khử oxy th ì xảy hai tntờiig hỢp; - N ếu hệ th ốn g kín tă n g nhiệt độ làm tăn g tơc độ ăn niịn klniếcl) tan oxy tãiig; - N èii hệ th ông hở để oxy th ốt tơc độ ăn mịn taiig theo n h iệt độ (tên tận nhiệt độ 80“C saii giảm xuống tơc độ ăn niịn rấ t nhỏ uhiệt độ sôi dung dịch 6.6.2.5 Ảnh hưỏng gia công nhiệt Gia công n h iệt có ảiili hưởng lớn đến tơc độ ăn mịn Ví dụ, hỢp kiin C rlS N ilO (tược m in g nóng lịm nguội từ từ cacboii tiế t biên giói h t d ạng Cr 2;)C|j khuếcli tán Cr c trạng th ãi rắn có thịi giaii để xảy ra, hình th n h vùng nghèo Cr Do vùng biên giới giiìa h t bị ăn inịn 6.7 CÁC DẠNG ĂN MỊN Có tãiii dạng ăn mịn điểu hình sau đây: a) Á n m ịn đểu : tơc độ ăn niịn Iilní nha\i toàn bề n iặt kim loại Loại àn mịn Iigiiy hiểm ta dự đoán trưốc thiết kế thiết bị b) A n m òn g a lv a n ic (ăn IIIÒII tiếp xúc) : xảy h kim loại hỢp kim có th àn h phần khác n h a u tiếp xúc vói nhaii nhiíng d\ing dịch chất điện giải Kim loại có điện th ê âni bị ăn niịn Ví dụ, inột đinh ơc thép bị àn niịn tiếp XIÍC với đồng th aii mơi triíịng Iiưốc biển c) Á n m òn khe : ăn mịn điệu hóa có th ể xảy có chênh lệch nồng độ ioii hay khí hịa ta u dung dịch điện giải hai vùng ci\a tấ m kini loại Ãii inòn xảy kim vực có nồng độ thấp Ví dụ ăn niịn klie hơ^ sâii lớp kết tủa cáu bẩn sảii phẩm ăii inịn dung dịch bị tù đọng tliiêii oxy hịa tan Qiiu trình án inịn xảy líii tiên vị trí CỈIĨỢC gọi ăn in ò n khe Các khe p h ả i đ ii rộ ng để ching dịch th â m nhập, ng phải đủ liẹp để dving dịch tù dọng Cliiề\í rộng khe thưồng cỡ vài chục luicroinet cl) Ẵ n m òn lồ : ăn inòn cục tạo tlià n h lỗ Các lỗ p h át triển từ bề niặt vào sâ ii bên theo hướng gần th ẳ n g góc D ạn g ăn mịn n ày khó p h t lượng kim loại bị m ấ t khơng đáng kể nliitiig rấ t nguy hiểm giảm đáiig kể sức bều v ậ t liệu https://tieulun.hopto.org 282 _ C h n g ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU Cơ chê ăn mịn lỗ có th ể giơìig ăn mịn khe: q trình oxy hóa xảv lỗ cịn qiiá trìn h kliử bể inặt kim loại Một lồ hìiih thàiih bề m ặt kiiiì loại khuyết tậ t vết xitốc lớp sơn phủ bảo vệ hay màiig thụ độiig Ta thấy rầiig niẫii đánh bóng tlutờng boii vói ăn niịii lỗ Trái lại thép không gỉ troug niột chừng mực Iiào lại n hạy với ăn mịn lỗ Cho thêm 2% Mo hỢp kini làm tă n g đ án g kể độ vối ăn inòii lỗ e) Á n m òn tin h g iớ i : xảy ưu tiên dọc theo biên giói hạt Loại ăn mòn đặc b iệt hay xảy vói thép khơng gỉ ví dụ với hỢp kim C rlS N ilO nhií trình bày mục 6,6 Sự án mịn tinh giói vấn để cần h ết sức lưu ý h n loại thép khơng gỉ Có th ể bảo vệ thép khơng gỉ khỏi ăn niịn tinh giói biện pháp saii: - N ung Iihiệt độ cao ngiiội Iihanh (tôi) kim loại hay hợp kim nhạy vói ăn mịn tinh giói; nhiệt độ nung crơiii cacbit bị hịa tan trở lại; - G iảm hàm híỢng cacbon xiiơng dưói 0,03% trọng lượng tạo th ành cacbit giảm x\iông tôl thiểu; - Hợp kini hóa th ép khơng gỉ vói kim loại khác Iiiobi titaii N hĩĩiig kim loại có khuynh hướng tạo th n h cacbit m ạnh Cr Cr nằm dung dịch rắn g) Ă n m òn chọn lọc : xảy m ột cấu tử hay m ột n gu yên tô" bị ưu tiêu loại khỏi dung dịch rắ n hớp kim Ví dụ, loại kẽm khỏi đồng thau h) Ăn tnòn - m i m ịn : nảy sin h có k ết hđp inài mòn học bào niòn chá't lỏng chuyển động tác động mơi trường ăii mịn Dĩ nhiêu tấ t hợp kiin, kini loại niột chừng mực nhạy cảni vối ăn mịn - m ài inòn Sự ăn m òn - m ài niòn đặc b iệt có hại cho hỢp kim có m àng thụ động bảo vệ bề niặt Nếu m àng th ụ độiig khơng n h an h chóng liên tục đitợc tái lập kiin loại bị ăii mịn r ấ t nhanh M iiơn giảm ăn m òn - niài m òn cần phải giảm tôc độ chu yển động chất lỏng, giảm ma sá t va đập i) Ă n m òn ứng su ấ t (còn gọi ăn mòn nứt) : gây k ết hỢp ứng siiấ t kéo mơi tníịiig ăn niịn Thực tế có nhĩíiig kim loại rõ ràng trd mơi trường, ng lại bị ăn mịn có thêm ứng su ấ t kéo đ ặt vào v ế t n ứ t t ế vi x iiấ t p h át triển theo plutơng thẳng góc vối ứng suất, tói phá hủy kim loại Sự phá hủy trường hợp m ang đặc tính phá hủy giịn inặc dù kini loại hay hỢp kiin vốii dẻo M ặt khác phá h iiy x u ấ t hiệu ứng s\iất có giá trị thấp r ấ t nhiều giói hạn ứ n g suất Rầy Iièii ă)i mòn n ứ t không n h ấ t thiết phải đ ặt từ ngồi vào mà ứng su ấ t dư sinh q\iá trùxh cơng nghệ chê tạo tníóc Biệii pháp tơ*t n h ấ t để tr n h ăn mịn ứng s't giảm độ lóii ứng su ấ t b ằng cách giảm tải trọng ngoài, tăng tiết diện vng góc với Ííng s\iất M ặt khác quy trình gia cơng chế tạo chế độ nhiệt luyện phải hợp lý để giảm ứng siiâ't dit https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC _ ' ^ BẢO VỆ KIM LOẠI 6.8.1 X Ử LÝ M Ô I TRƯỜNG Loại bỏ cãc cấu tử gây ăn niòn : P hần lớn kim loại dùng để c h ế tạo th iết bị đểu bền inơi trưịiig trung tính loại oxy Ta có th ể trung hòa dung dịch niột cách dễ d àng Iihiíng lại khó loại oxy Độ hịa tan oxy dung dịch mrớc phụ thuộc vào n h iệ t độ áp su ấ t riêng phần oxy (Po.) nồng độ m uối dung dịcli Loại trừ O có th ể thực h iện theo cách sau: - B ằng phản ứng hóa học : O + N q s o , O2 + N^H, N a ,iS | 2H ,0 + N2 u h iệt độ cao liyđrazin (N^H i) bị phân hủy : N , + N H , N 2H , Sií dụng hyđrazin loại trừ Iigviy tạo th àn h nmối - B ằng phương pháp v ậ t lý ; • đm i Iióng diing dịch nưóc ; • xử lý chân khơng diiiig dịch niiốc, có th ể giảm nồng độ oxy đến O.OOÕ ppni N hững phương pháp đưỢc dùng để loại oxy nồi 6.8.2 BẲO VỆ K IM L O Ạ I BẰNG c c C H Ấ T l ả m c h ậ m ẢN m ị n (CHẤT c CHẾ) Đó n liữ n g hợp ch ất Iiià ta th êm vịo niơi tn tịn g ăn IIIỊII vối lượiig nhỏ nlutng có tác dụng làm chậm rõ rệt tốc độ ăn mịn Tác dụng kìm hảm tốc độ ăn mịn ch ất làiiì chậm có th ể m ây n gu yên n h ân sau: - Do tạo th iih hỢp ch ất không tan k ết túa lên bề in ặt kim loại cat.ơt hay aiiơt Ví dụ: 2C rO ,‘^' + lO H ' + c Cr^O;, + ÕH2O ; - Do hấp phụ th n h niột lớp đơn p hân tử bê m ặt kini loại Đ ể đ án h giá tín h h iệu qiiả ch ất làm chậm ăn mòn ta đita k h niệm "hệ sô tác dụng bảo vệ" Z: Po - Pi- z ^ p,„ 100% ( ) Po - tổn th ấ t trọng lượng kini loại dung dịch khơng có có ch ấ t làm chậm 6.8.3 BẲO VỆ Đ IỆ N HÓ A Đ ể bảo vệ điện hóa kim loại ta phải th ay đổi điện th ế tối khu vực bền vói ăn m òn (niiễii dịch) klui vực th ụ động đồ th ị Pourbaix (hìiih 6.11) https://tieulun.hopto.org C hương ÁN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU 284 Trong tn íị iig hỢp thứ nhất, điện th ế ăn mòn phải thấp điện th ế cân bầng điệii cực - dung dịch Klii ta có bảo vệ catôt Trong trường hỢp thứ hai điện th ế àn niòii phải lớn điện th ế cân điện cực dung dịch Klii ta có bảo vệ aiiơt +2 6.8.3.1 Bảo vệ catơt \ Có hai phương pháp bảo vệ catôt: aiiôt hy sin h UJ c dịng ngồi ẹ: rh ụ đỏng \V r e ũ s ) Ăn mòn a B ảo vệ b ằ n g a n ô t h y s i n h (proteetơ) -An mòn Miên dich Kim loại cần bảo vệ nôi vối inột kiin loại khác có điện th ế điện cực âm Oiình 12 a) Kim loại gọi an ôt hy sinh prqtectơ Các đitồng coiig phân cực -2 r ỈO 15 pH Hinh 6.11 Đổ thị Pourbaix giản đơn Fe ỏ 25°c k h i bảo vệ bằ ng a n ô t h y s in h ctiíỢc trình bày hình 12 b Trước lắp đ ặt protectơ đưịiig cong phân cực anơt B đường cong phân cực catôt A cắt n hau 0, Tốic độ án niòn kini loại chưa đưỢc bảo vệ i.„„ Đ iện thê kim loại (hình 12 b) Klii lắp tliêin protectơ đ\fịng cong phân cực catơt đitờng A N lníỉig ta có hai đưịiig cong phân cực anơt: đưịiig B điíịng cong phân cực aiiơt kim loại cần bảo vệ điíịug c protectơ Do ta phải cộng liai đưịnpr B c để đưịng cong phân cực aiiơt tổng D Đường D E tị,’’' (điện th ế cân protectơ ) qua X cắt đưòng A Y Từ Y gióng điíịiig th ẳn g song song vói tn ic hồnh đến cắt trục tu n g ta điện th ế ăn mòn hệ th ơng Đường cắt đưịiig cong phân cực aiiơt B z Từ z kẻ điíịiig th ả n g góc vói trục logí ta tìiiì tơ'c độ ăn m òn ỉ'.„„ kim loại cần bảo vệ Từ hình 6.12b thấy kim loại đưỢc bảo vệ, protectơ bị liòa tan với tốc độ ỉ,,r- Rõ ràng protectơ tự hy sin h để bảo vệ kim loại cơiig trìiih Các protectơ th iíịn g ch ế tạo từ Zn Al Mg hay hờp kim chúng Các ii cầxi bàn đơi vói v ậ t liệu kiin loại cho protectơ ; - Có điện th ế điệu cực âm v ậ t liệu cần bảo vệ Đơl với cơng trìiih b ằng thép cacbon th ấp ( £ = -5 -6 111V), v ậ t liệu protectd phải có điện th ế điện cực từ -7Õ0 đến -8Õ0 inV so vỏi điện CIÍC (Ag/AgCl) bão hịa Người ta phân biệt điện th ế hở m ạch điện th ế làm việc (điện th ế protectơ lắp m ạch bảo vệ vối đối tưỢng môi tritịng cụ thể); - Có dung híợng cao ổn định D ung lượiig Q [A.h ỉkg ] điện lượiig m ột đơn vị khôi lượng protectơ sả n sinh nói lên khả n ăn g làm việc lâu dài cùa protectơ theo thòi gian; - Có độ phân cực anơt nhỏ để bảo đảni xác su ấ t bảo vệ cao https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC Ố 28;' '■ ' ì 0} Hinh 6.12 Sơ đố bảo vé anỏt hy sinh (a) vã đường cong phân cưc tương ứng (b) 1- thiết bỊ cẩn bào vệ, 2- vỏ bọc hoat hóa (thạch cao + betonit + NasSO^), 3- anôt hy sinh (protectơ) , A- đường cong phân cưc catỏt; B- đưởng cong phân cưc anỏt kim loai cán đươc bảo vệ; C- đường cong phân cưc anôt củo protectơ; D- đưởng cong phỏn cưc anỗt tổng (cóng hai đường B va c VỚI nhau) N gồi cliấ i lưựn^ protiíc cịn tiiíỢc ilánh íỊÌá bỏi hiộvi s\uVt iliộn hóu n [%] tỷ sơ dung híỢng thực tê (iim g lượng lý tliiiyèl Hiệu siuVt nôi lên mức ilộ liửu ích hệ protectơ V ật liệii protectơ điển hình dùng để bảo vệ ăii IIIỊM fliện lióu cho ciìc cơng trình hang thép inagiê (Mg) kẽm (Zii) nhôni (Al) hợp ki]u chúng Trong bảng nêii clặc trư ng điện hóa v í dụ ửiig dụng số v t liệu i)rotect.ố phể biếu b B ả o v ệ Cíitơt b ằ n g d ò n g n g o i Sơ ctồ bảo vệ ca tô t b ằng dịng ngồi chíịng cong phân CIÍC bảo vệ nêu hình 6.12 Pílii cla có dịng ngồi điện th ế điện cực kim loại bị Tni IIIỊII sè tốc độ àii mịn tương ứng Nế\i Iihị Iiguồii diện từ bên ngồi ta (lịch chuyển th ế điện cực tới giá trị E \ (hùili G.13b) tốc độ ăn mịn sè ' íii.n- N h\f k iin lo i đưỢc hảo vệ m ộ t phán N ế ii điện Miế điện cực đưỢc đưa tới b ằn g đ iện th ế cân q\iã trình oxy hóa kim loại E i/' tốc ctộ ãii mịii i,„„ = Kim loại điíỢc bảo vệ h ồn tồii D ịng điện cần th iết chta từ Iigoni vào để có bảo vệ hồn tồn gọi dịng điện bảo vệ Các ii cầii đơì với v ặ t liệu an ơt troiig phương pháp bảo vệ h ằng (lịng ngồi là; - tốc ctộ tiên hao phô 11 cực nhỏ không đáng kể; https://tieulun.hopto.org C h n g fí ĂN MÒN VẢ BẢO VỆ VẬT LIỆU 286 Báng 6.2 Các vật liệu protectd phổ biến Vật liệu Magiẽ Điện Dung Hiệu hở mạch lượng, suất mv < ” A.h/kg % -1400 1100 Dùng môi trường đất, nước nước 50 hơp kim 1230 bảo vệ tạm thời (khoảng năm) -1000 780 Dùng mòi trường có điện trở riêng 95 -1055 815 -1000 925 hiệu suất điện hóa giảm theo thời gian: -1050 2500 bảo vệ cấu cảng ven biển (5 .10 năm) -1050 2290 Mơi trường có điện trở riêng nhị 150 Í2cm 90 AI-Zn-ln Hợp kim đến 500 íic m ; bảo vệ vỏ tàu biển, xà lan Mơi trường có điện trỏ riêng nhỏ 500 Ucm 85 Al-Zn-Sn Hợp kim lợ có điện trở riêng lớn (đến 10 000 Ocm : -1600 Kẽm Hợp kim Vi dụ môi trường đối tượng bảo vệ không tôt nhiệt độ thấp; bảo -1100 2600 vệ dàn khoan cỗ' định (10 20 năm) -1000 2750 Môi trường có điện trở riêng nhỏ 150 íicm ; 95 Al-Zn-Hg -1050 2840 bảo vệ dàn khoan cố định (10 20 năm) (1) So với điện cực Ag/AgCI bão hòa Đâf mõ/ irưđnỹ dãn điện loại 0) Hinh 6.13 Sơ đổ bảo vệ đường cong phân cực bảo vệ catơt dịng ngồi 1- đỏì tượng kim loai cần bảo vẻ, 2- chất độn dẫn điên, 3- anỏt trơ 4- nguồn điên mõt chiểu , ' điện cân trinh phản ứng khử catỏt, Ect,'' - đièn cản trinh phản ứng oxy hóa anỏt kim loai https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC 287 - có khả n ă n g làm việc vói m ật độ dịng bảo vệ lóii, tái h àn g nghìn - có độ dẫn điện đủ cao độ bền học bảo đảm , dễ c h ế tạo T ù y theo điểu k iện cụ thể, ngiíịi ta có th ể si\ dụng vật liệii tlm ộc loại tiê\i hao n h a n h (trêu kg/A nám ), tiêu hao chậm (dưói kg/A nám ) v ậ t liệu trơ (ditói 10 -4 ' kg/A năm ) Các anôt b ăng thép thuộc loại tiêu hao nhanh Các auôt b ằn g graphit hỢp kim F e-S i hợp kim sở Pb có tốc độ tiêu hao thấp Các anôt phủ P t Ti thuộc loại trơ 6.S.3.2 Bảo vệ anôt N g u y ên lý bảo vệ anôt khác h ẳn bảo vệ catôt Trong bảo vệ anôt điện thê' n m òn tă n g lên cho n ằ in tro n g k h ii vực th ụ động đồ th ị Po\irbaix Phương pháp bảo vệ aiiôt áp dụng cho kini loại có th ể bị thụ động H ình cho th ấ y sơ đồ điện đưòiig cong phân cực bảo vệ aiiôt P o te n tL o s ta t — E - B c o) b) Hinh 6.14 Sơ đổ điên đường cong phản cưc bảo vẽ anôt A- potentiostat, B- calôt, C- điẻn cực so sảnh; 1- đường cong phản cưc catôt 2- đường cong phân cưc anơt có thu đơng: Ecb" - cản bẳng trinh anôt catôt Trong q trìiih bảo vệ an ơt ta phải n ân g điện th ế ăn niòn tới điện th ế lốn điện th ế khởi đầu th ụ độngí^i,! (hình 6.14b) Tơc độ ăn mịn bây giị b ằn g ỉ„|.ti'tc m ật độ dòng ăn m òn trạn g th i th ụ độiig cần ý rằng, iniiơii cho dịng ăn niịii ổn định trạ n g th i th ụ động i„i th ì thịi gian b đầu bảo vệ anơt, dịng điện phải viíỢ t qua dịng tới h ạn ỉ,h Ví dụ, để bảo vệ m ột bình th ép Iiìểm chứa axit H 2S O nóng, thịi gian bắt đầu bảo vệ aiiôt ta phải cho qua m ột m ật độ dòng dòng tối h ạn A/ni^ sa \i đă đ ạt trạn g th th ụ động ta cần cho qua m ột m ạt độ dịng trì cõ 0.2 A/in^ Bảo vệ aiiơt địi hỏi phải có ináy móc điện tử phức tạp đ tiền n sử dụng mơi tn íị iig ăn mịn m ạn h (thiíịiig gặp cơng nghiệp hóa học) https://tieulun.hopto.org C h n g fí ĂN MỊN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU 288 6.9 ĂN MỊN HĨA HỌC (A n m ị n KHƠ) Aii inịii khơ càc kim loại phản ứng kini loại vù k h í bao (Ịiuuih cliúiig, PluHi ửiig n ày oxy hóa xảy bể m ặt kim loại tạ o th n h V íii sơ' hỢ]) clt Do cỉó kim loại lại bị phá hủy Loại áii inòn n ày chủ yt'n xảy Iiliiệt cỉộ cao Trong cta sơ tritờiig hỢp oxy kh í q u yển tac d ụ n g V('ỉi kim loại tạo th ànli oxyt Vi Ị)lia ii ditới ta ch ỉ x ét oxy hóa kini loại (ì.y.l c CHẾ ĂN MỊN KHỎ Giống nlut q trình ăn mịn diing dịch, tạo th n li o x y t cũ n g xảy theo ch ế ctiện hóa Q trình oxy hóa - kim loại troiig khí q uyển gồiíi hai n o yiai đoạn (hìiih 6.15) Iihvt sau: bể mặt phàn chia kim loại/oxyt có ■' Me plii ứng ; — Me -> Me'" + nc ỏ bể niặt pliủii chia o xyt /02 có pliản úng : 1/2 i/ji U ;ỵ -> + Phnn ứng tổng : ///Me' , m /^2 - + ;/ ị ; ỉ /2 o ^ ^ ^ ^ ^ s K im toại '■ \ O xyt M e ^ O ^ 0,'i “' -» ■ 0^' Hinh 6.15 Sơ đố oxy hóa kim loai • Troiig rao phiíơng trình trêii lìì, 11 RƠ hóa trị kim loại, |,|, oxy bị hãp pliụ bể m ặt kim loại Troĩ trìiih ăn mịn khơ niột inàiig (lỏp) rấii sả n phíủii án inịii tạo th àn h bề m ặt kiiiì loại Người ta th ây có SIĨ ư\i tiêu k h u ếch tã ii ioii kim loại qua lớp oxvt so vói khuếch tán o^' (hoặc S"‘, C D vào lớp oxvt 6.9.2 M ÀNG BẢO VỆ VÀ KHÔ N G BẢO VỆ D iều kiện để kini loại bị oxy lióa áp s iiâ ì riêiig p h an oxy t.roiiR niơi tn íờ iig ])hải lííii áp suất I)liân hủy oxyt Ví (lụ phản ửiiíí 2A g;,0 4Ak + ()j có a]) s\iá't |)liân hủy oxyt Ag^o 400 K a tn iơ h e tức lóii ãp s u ấ t riơn^ pliầii oxỵ troiig niơi tr\íịiig 0.21 atiiiôtp h e n ên tạ i nhiệt, độ clổ bạc khơiiíí bị oxv hóa M àng bảo vệ phải có nh n g tính cliã't sa u : - Pliải sít chặt, phải bao phủ tồn bề m ặt ki 111 loại; - Bền với tác động mơi tritịuK: - Phải có sví bám dính tơt vói kim loại nềii; - Hệ s ố g iă n nở dài oxyt phải gần vối kim loại Kliả n ăiig bảo vệ Iiiàiig oxyt phụ th uộc v o tỷ sô E th ể tích riêiiíỉ CÌUI oxyt vị kim loại (tỷ sỐ P illin g - Bedworth): https://tieulun.hopto.org VẬT LIỆU HỌC _ _ 289 V^nxyt ■^oxvl ^ ^o \y t ‘PMe (6.13) E = ^ ^ M f! ctó ^ p O.X.VI P M í' P o x y t-A Moxvi - p liân tiĩ lượiig oxyt; poxyi p.\! m n g có tín h bảo vệ Đ ó m àng oxyt Cd Al Ti Zii Ni Cu Cr Si Kin E < m n g k h ô n g có tín h bảo vệ Đó ỉiig oxyt kim loại kiểm kiềm thổ bảo vệ ứng su ấ t dư lóii T uy Iiliiên Iiliữ iig m n g có s » Một v i v í ciụ ứ n g d ụ n g m iig o x y t bảo vệ : - D ù n g công n g h ệ a n t hóa để tạo lớp Al^o.ị sít ch ặt sản phẩm AI lioậc hợp k in i Al: - T h ấ m niạ crôm , h(tp kim hóa Ihcp bàng mộl lưímg crơm đủ IcỸn, tló màng xyl C ĩiO i lự hình Ihành Irên bề mậl có khả bảo vộ cao: - Sử tlụng gang silic cai) rcro-silic: màng oxyl SÌO2 Irơ nhicu mơi irưÌYng 6.9.3 Đ Ộ N G H Ọ C TẠ O M À N G OXYT KJii lỏp o x y t s c h ặ t b áin tô t lên bê m ặt kim loại tliì tơc độ phát triển m àng liỊ klìống chế kh\iếch tá n ion Giĩĩa tăng trọng lượng đơn vị diện tích vv tliịi g ia n t có q u a n hệ h m parabôn: = k^.t + k-i, (6.14) trouiĩ Ẩíị k-2 - n h ữ n g h ằ iig sô 'k h ô n g phụ tlniộc thòi gian Các k im loại Fe C \ Co b ị oxy hóa theo quy lu ậ t Iiày Klii lóp o x y t xôp (tỷ s ố P illiiig -B ed w o rth e lóii bé hđii ) giừa tả n g trọn g lư ợng m n g đơn v ị d iện tích thời gian có q\ian hệ hàiiì tiiyên tính: w = k-ụ (6 lõ) vối k.s h ằ iig số’ T ron g đ iểu k iện n ày, oxy liên tục thâm nhập để oxy hóa bể m ặt kim loại v ì m n g o x y t xôp k h ô n g th ể n găn cản đitợc Các kim loại Na K Ta tiiân theo quy lu ậ t n ày Vói lớp o x y t rấ t m ỏn g (k h oản g 0 Ẳ) tạo th àn h ỏ n h iệt độ tvtơiig đơl thâ'p giửa vv thịi g ia n t có q u a n hệ logarit: w với k ị kr„ log ( + Ả:,5 ) (6.16) h ằ n g sô* Các kim loại Al Fe, Cu ỏ n h iệt độ gần với n h iệt độ môi trường tu â n th eo q u y h iậ t n ày 19 - VLH https://tieulun.hopto.org 290 C hương ĂN MÒN VẢ BẢO v ệ VẬT Liệu 6.10 SỰÀN MÒN CC VT LIU GM ã ã ô vi cỏc kim loại ăn m òn xảy theo ch ế điện hóa, cịn vói v ậ t liệii gơ'm ăn mịn gây phá hủ y hóa học, Các v ậ t liệii gốm dùng n h iềii chúng có độ bền chống ăn niòn tư ơng đối cao Thủy tin h thường dùng để chứa chất lỏng xâm tluíc Các v ậ t liệii ch ịu lửa cần chịu n h iệt độ cao mà n h iều tn íị u g hỢp cịn p h ải vói tác dụng kim loại m uối nóng chảy, xỉ lỏng v.v 6.11 s ự THỐI HĨA CỦA CÁC VẬT LIỆU POLYME ■ • • Trong q trìiih sử dụng, polyiĩie bị tliỗi hóa: tínli n ă n g lý hóa chúng bị suy giảm ciiơi bị hư hỏng Sự thối hóa cùa ch ất dẻo chủ yếxx trình lão hóa v ậ t lý, lão hóa thối hóa hóa học S ự lão hóa vậ t lý gây cảc yếu tô" sau : - Sự di chuyển, m ất m át bay svỊf trích ly bời ching m ch ấ t hóa dẻo làm biến đổi tín h ch ất cìia polyme; - Tác dụng dung mơi ; phân tử dung mơi có kích thước n liỏ có th ể thám nhập vào m xích phân tử làm cho polynie bị trương lên chất dẻo x u ấ t h iện ứng suâ't dư làni cho có th ể bị nứt, gẫy Nói ch iin g polym e vói CỐII trúc tinh th ể bền vói d iiiig m dung mơi khó th âm Iihạp vào câu trúc tinh thể so vói cấii trú c vơ định hìiih S ự th o i hóa lảo hóa hóa học gây tác động làm b iến d n g m ạnh mạch cao phân tứ Các tác động oxy hóa oxy (O 2) lioặc ozon (O.i) làin đứt liên k ết m ạch cao phân tử Do tính điện tín h p olyn ie giả m đáng kể Các polym e n h y vỏi oxy hóa polypropylen p olybutađien, p o ly sty ren polyainit Các polym e clo hóa khơng Iiliạy cảm với oxy hóa O zon oxy hóa m ạnh oxy Các ch ất chống oxy hóa oxy thường dùng niiiội th a n , am in phenoii S ự th o i hóa q u a n g học ; dưói tác dụng tia cực tím độ b ền đ ứ t v n g a y m àu sắc polym e bị giảm Bức xạ cực tíni đơi cịn tá n g ciíờiig tác dụng cùa oxy Các triíồiig hỢp kể gọi lão hóa khí hậu C hất ổn địiìh chơng thối hóa quang học ch ất niàii tạo th n h m àng chông th âm nhập xạ (ví dụ m uội than TÌO 2) cliâ't hấp thụ tia cực tím S ự th o i hóa n h iệ t : tă n g n h iệt độ làin biếu dạn g cá'ii trúc m ạch cao phân tử Sự th ối hóa n h iệt có th ể gây đứt m ạch (ví d ụ ,tron g p olyetyleii) h oặc khử oxy hóa (ví dụ, đối vói m etyl polym etacrylat) phản ứng với gốc n g o i vi (sự tạo th àn h HCl n h iệt phân nhựa polyvinyl cloriia) KJŨ p olym e có mạch liên k ết m ạnh (nhií liên kết C-F) th ì có ổn định n h iệt th òi g ian n g ắ n n h iệt độ cao 0 °c Trường hợp giói hạn thối hóa n h iệt có th ể gây cháy, phảii ứiig tỏa n h iệt m ạnh https://tieulun.hopto.org