Đ/n: Ăn mòn là sự phá huỷ kim loại dưới tác động của môi trường. Thiệt hại do ăn mòn
hàng năm chiếm khoảng 4% GDP của mỗi quốc gia.
2.4.1. Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn:
a. Ăn mòn điện hoá: ăn mòn trong nước (ngọt và nước biển), đất, khí quyển ẩm, trong
dung dịch hoá chất (axit, kiềm) ,…
b. Ăn mòn hoá học (ăn mòn trong môi trường khí): các chất xâm thực nh ư O2, S2, Cl2...
2.4.2. Cơ chế của quá trìnhăn mòn kim loại:
Có 2 cơ chế ăn mòn thường gặp nhất là: cơ chế điện hoá, chủ yếu đối với kim loại v à cơ
chế ăn mòn hoá học, đối với tất cả các loại, vật liệu.
2.4.2.1. Cơ chế điện hóa của quá trìnhăn mòn kim loại
* Điện thế điện cực và khả năng xảy ra ăn mòn:
Điện thế điện cực kim loại: định luật Nernst: KL CMe nF RT E E 0 ln Eocủ a một số kim loại: Kim loại : Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Eo, vol: -2,37 -1,67 -0,76 -0,74 -0,44 -0,25 -0,14 -0,13 0 +0,34 +0,80
Điện thế điện cực môi tr ường:
Môi trường axit không hoà tan oxy
EMT= - 0,059 pH - 0,030 lgPH2, EMT= - 0,059 pH khi áp suất riêng phần của hydro PH2= 1 at.
Môi trường axit, kiềm và môi trường nước (ngọt và nước biển) có hoà tan oxy
EMT= 1,23 - 0,059 pH + 0,015 lgPO
2, EMT= 1,23 - 0,059 pH khi PO2= 1 at
Khả năng xảy ra ăn mòn: Kim loại chỉ bị ăn mòn khi EKL< EMT,
Trong môi trường axit không hoà tan oxy (EoH =0) do đó các kim loại có Eo< 0 sẽ bị ăn mòn là : Mg, Al, …Pb, các kim lo ại không bị ăn mòn là Cu và Ag
Khi axit có hoà tan oxy thì EoH(O)=1,23V do đó tất cả các kim loại trên đều bị ăn mòn.
Trong môi trường nước Eokhoảng 0,4V trừ Ag còn hầu hếtcác kim loại đều bị ăn mòn.
Khi kim loại bị ăn mòn thì xảy ra phản ứng: Me Men++ ne
Axit không có oxy: 2H+ + 2e H2 ,
Axit có oxy: O2 + 4H++ 4e 2H2O Nước có oxy: O2 + 2H2O + 4e 4OH
Xem sơ đồ hình 2.23. Các electron di chuyển từ anôt sang catôt, H+ và O2 chuyển đến
catôt:
R U
Ia/m trong đó U là hiệu điện thế giữa catôt và anôt, R tổng điện trở.
Ăn mòn galvànic: latông 2 pha: giầu Cu và giầu Zn khi ngâm trong n ước pha sẽ bị ăn mòn thành các lỗ, ta gọi đó là ăn mòn thoát Zn.
2.4.2.2. Cơ chế ăn mòn hoá học kim loại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ăn mòn hoá học kim loại Me được mô tả bằng phản ứng sau:
xMe + y/2G2 = MexGy
trong đó G2 là chất khí gây ăn mòn: O2, Cl2,…
Năng lượng tự do của phản ứng ăn mònở cân bằng biểu thị bằng:
0 1 ln /2 0 y G P RT G G do đó: yRT G PG 0 2 ln
biểu diễn trên đồ thị: (hình 5.16):
- Khi P<PG ăn mòn không xảy ra (vùng ổn định
của Me)
- ở T=T1: nếu P>P1, Me1 bị ăn mòn (vùng ổn định
MexGy)
-ở T=TC: nếu P>PCcả 2 kim loại bị ăn mòn (PC>P1) - Hai kim loại Me1 và Me2:
T>TC(trái điểm TC), Me1 bền ăn mòn hơn Me 2
T<TC (phải điểm TC), Me 2 bền ăn mòn hơn
Sản phẩm ăn mòn MexGy có thể ở thể rắn: bám hoặc tách khỏi bề mặt vật liệu; Oxit của các
kim loại Cr, Si, Al,.. và cả Fe (ở mức độ thấp hơn) có tác dụng kìm chế (thụ động) ăn mòn.
2.4.3.Tốc độ ăn mòn
Thường được biểu thị dưới 3 dạng:
- Mật độ dòngăn mòn: ia/m=Ia/m/S, có thứ nguyên là : [A/cm2], [A/dm2],
- Tốc độ ăn mòn khối lượng: P =Dm/St, thứ nguyên: [g/cm2.ngày].
- Tốc độ thâm nhập: Ptn =Pkl/r, thứ nguyê n: [mm/năm], (r- khối lượng riêng của kim loại).
Dựa vào tốc độ thâm nhập của môi tr ường, người ta chia kim loại thành ba nhóm: + Ptn< 0,125 mm/năm được coi là rất bền ăn mòn,
+ (0,125 < Ptn< 1,25) mm/năm là trungbình.
+ Ptn> 1,25 mm/năm được coi là không bền ăn mòn. Tương ứng, người ta cũng chia tốc độ ăn mòn thành các loại: chậm, trungbình và nhanh.
Theo ASTM, độ bền ăn mòn của vật liệu gồm 5 cấp A,B,C,D,E theo thứ tự giảm dần.
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn 2.4.4.1.Ảnh hưởng của bản chất kim loại
- Điện thế ăn mòn: Mỗi kim loại trong môi tr ường cụ thể có một giá trị điện thế ăn mòn
xác định. Giá trị này càng nhỏ thì khả năng xảy ra ăn mòn càng lớn.
- Sự thụ động ăn mòn: Các kim loại Fe, Cr, Ni có khả năng thụ động ăn mòn tức là tốc độ ăn mòn giảm nhanh theo thời gian, tuy nhiênở mức độ khác nhau: Cr thụ động nhanh nh ất
thép không gỉ có >12%Cr. Fe (thé p cacbon) có thụ động nh ưng chậm, ttđlớn.
2.4.4.2.Ảnh hưởng của môi trường (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Điện trở của môi trường: chỉ có môi trường dẫn điện mới có ăn mònđ iện hoá , điện trở
càng lớn thì tốc độ ăn mòn càng nhỏ.
-Ảnh hưởng của độ pH và oxy đến điện thế điện cực của môi tr ường:Giảm độ pH (môi trường axit), tăng nồng độ oxy thì tốc độ ăn mòn tăng.
-Ảnh hưởng của nhiệt độ : khi tăng nhiệt độ tốc độ ăn mòn tăng.
2.4.4.3.Ảnh hưởng của cấu trúc và tính chất của hợp kim
- Những hợp kim đa kém bền ăn mòn hơn hợp kim một pha,
- Hợp kim hoá với các nguyên tố có Eo cao sẽ làm tăng EKLgiảm nhạy cảm với ăn mònhơn. - Hợp kim hoá với các nguyên tố có khả năng thụ động ăn mòn thì cũng tăng khả năng thụ động ăn mòn của hợp kim. Tốc độ ăn mòn thường liên quan đến bản chất của màng oxit hình thành trên bề mặt : axit (Cr, Si), baz ơ (Fe,Ni,Cu), lưỡng tính (Al) hoặc trơ (Pt).
2.4.4.4.Ảnh hưởng của các công nghệ vật liệu
- Tôi để nhận được tổ chức một pha đồng nhất sẽ bền ăn mòn hơn.
- Thép cacbon trung bình sau khi tôi thì ít nhạy cảm với ăn mòn hơn nhưng sau khi ram lại
trở nên nhạy cảm với ăn mòn. Tốc độ ăn mòn lớn nhất khi ram ở 400-500oC. - Khi hàn hoặc nhiệt luyện có sự tiết pha: ăn mòn galvànic.
2.4.5. Chống ăn mòn kim loại
Thiết kế kết cấu hợp lý, đảm bảo các nguyên tắc sau:
- Chi tiết quan trọng: vật liệu bền ăn mòn hơn, ứng suất nén, nhỏ và không thay đổi.
- Thay các mối ghép đinh tán bằng hàn, vật liệu làm đinh tán, làm bulô ng có EKLcao hơn.
- Các thùng, các bể chứ a, các đường ống dẫn: dễ làm sạch, chảy hết, không gấp khúc.
- Dễ bảo dưỡng thay thế các bộ phận dễ bị ăn mòn: cánh bơm axit, cánh khuấy,..
- Kết cấu phải hợp lý vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa dễ chống ăn mòn.
Lựa chọn vật liệu thích hợp:
3 quy tắc chung để chọn vật liệu kim loại:
1. Trong môi trường khử hoặc oxy hoá yếu: Ni hoặc hợp kim Cu. 2. Trong môi trường oxy hoá : các hợp kim chứ a Cr.
3. Trong môi trường oxy hoá cực mạnh: Ti và hợp kim Ti.
Xử lý bề mặt chống ăn mòn:
Cr : Chịu mài mòn, xói mòn và chịu ăn mòn rất tốt, hệ số ma sát nhỏ , phản xạ lớn,
Cu: Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, dùng làm lớp ăn chân cho các lớp mạ khác,
Ni: Bền ăn mòn trong nhiều môi trường, mạ đa lớp với Cu+Cr,
Sn: Bền ăn mòn trong thực phẩm, bơ, sữa, dễ hàn, là catôt so với thép (chỉ có tác dụng che phủ).
Zn: Bền ăn mòn, là anôt so với thép, có tác dụng bảo vệ catôt.
- Môi trường khí quyển thông th ường, dùng sơn tổng hợp alkyd cho nhàở , xe cộ , cầu,..
- Khí quyển biển, dùng lớp sơn acrylic, phenol, vinyl, vinyl-alkyd (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Môi trường ngập trong nước, dùng sơn Phenolic, Vinyl cho v ỏ tàu, nóc tàu.
- Hơi hoá chất, dùng Epoxy, caosu clorinat, vinyl, urethan, cho thiết bị hoá chất, vật dụng khác.
- Công trìnhở nơi có độ ẩm cao, dùng sơn amino alkyd, cho t ủ lạnh, máy giặt.
- Nhiệt độ cao, dùng sơn Alkyd, cho động cơ chịu tới 100oC, sơn aminoalkyd bi ến tính
cho thiết bị sấy nhiệt độ tới 100oC, sơn Silicon biến tính cho lò sấy, lò nướng tới 200oC, sơn silicon có thêm phụ gia Al cho lò sấy, lò nướng tới 290oC đến 650oC.
Xử lý môi trường:
1. Hạ thấp nhiệt độ thì tốc độ ăn mòn giảm.
2. Giảm tốc độ chuyển động tương đối giữa môi trường và kim loại thì tốc độ ăn mòn giảm.
3. Khử oxy và các ion thúc đẩy ăn mòn (Cl) hoà tan trong môi trường.
4. Dù ng chất ức chế ăn mòn, tạo các hợp chất làm chậm ăn mòn.
Bảo về điện hoá: 2 phương pháp bảo vệ điện hoá: bảo vệ catôt và bảo vệ anôt.
Bảo vệ catôt bằng nguồn điện: hình 5.17a. EBV=Ea/m- 0,2V,ống thép ngầm trong đất:
Ea/m ~ -0,6V EBV=-0,8V, mật độ dòng bảo vệ IBV=(10-30)mA/m2, trong nước ngọt.
- Bảo vệ catôt bằng protector: áp dụng cho các công trình ngầm trong nước biển: nối kim
loại cần bảo vệ với protector: Zn- (0,2-0,7)%Al+<0,01%Cu+<0,13%Si+(0,1-0,14)Cd.
Bảo vệ anôt: thép, người ta nối kim loại với cực d ương làm thụ động ăn mòn.
PHẦN II
HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC CHƯƠNG 3
HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA
3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM
3.1.1. Khái niệm về hợp kim3.1.1.1 Định nghĩa 3.1.1.1 Định nghĩa
Hợp kim là hỗn hợp của kim loại với một hoặc nhiều kim loại hoặc á kim khác.
Latông= hợp kim Cu + Zn hợp kim đơn giản chỉ gồm 2 nguyên tố
Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyên tố chính là Fe (kim loại) hợp kim phức tạp.
Nguyên tố kim loại chính (> 50%) đ ược gọi là nềnhay nguyên tố cơ sở.
3.1.1.2 Ưu việt của hợp kim so với kim loại
Hợp kim: độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cao hơn, tính công nghệ tốt hơn: đúc,
cắt gọt, nhiệt luyện đểnhoá bền tốt hơn, rẻ hơn.
Kim loại nguyên chất: dẫn nhiệt, dẫn điện tốt (dây dẫn, trang sức, điện cực Pt, Au)
3.1.1.3 Một số khái niệm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Pha: cùng cấu trúc, cùng trạng thái, cùng kiểu và thông số mạng, các tính chất cơ-lý- hóa
xác định, phân cách nhau bởi mặt phân chia pha.
Cấu tử là các phần độc lập có khối lượng không đổi,
chúng tạo nên các pha trong hợ p kim.
Hệ là tập hợp các pha, có thể ở cân bằng hoặc không
cân bằng.
Trạng thái không cân bằng (3) = không ổn định: thường gặp: khi tôi cơ tính (bền,cứng) cao hơn, xu hướng (1&2)
Trạng thái giả ổn định (2) muốn sang (1) phải thắng G
Ổn định (1).
3.1.1.4 Phân loại các tương tác
Chế tạo hợp kim bằng cách nấu chảy với phần trăm thành phần xác định rồi làm nguội.
Từ pha lỏng đồng nhất khi làm nguội sẽ có tương tác tạo nên các pha khác nhau. Tạo thành hỗn hợp cơ học A + B
Khi có tương tác: Hai trường hợp xảy ra:
- Hòa tan thành dung dịch rắn, tổ chức một pha như kim loại nguyên chất (hình 3.2b) dung môi. - Phản ứng với nhau thành hợp chất hóa học, tạo thành kiểu mạng mới khác hẳn.
Hình 3.1. Sơ đồcá c vịtríổn
định (1), giả ổn định (2) và khôngổnđịnh(3)
3.1.2 DUNG DỊCH RẮN3.1.2.1 Khái niệm- phân loại 3.1.2.1 Khái niệm- phân loại
Định nghĩa: là hợp kim trong đó 1 hay nhiều nguyên tố hoà tan vào mạng tinh thể của
kim loại chiếm đa số được gọi là nền. Dung môi chiếm đa số, nguyên tố chiếm tỷ lệ ít hơn là
chất tan.
Đặc điểm: kiểu mạng của dung môi, nồng độ chất tan có thể thay đổi trong một phạm vi
mà không làm mất đi sự đồng nhất đó . Dung dịch rắn là của B trong A: A(B), mạng của A.
Các kiểu: thay thế và xen kẽ (hình 3.3)
3.1.2.2 Dung dịch rắn thay thế
Định nghĩa: nguyên tử chất tan thay thế vị trí
nguyên tử dung môi.
Điều kiện: sai khác dnguyên tửkhông quá 15%. Tính chất hoá lý tương tự nhau.
Phân loại: theo giới hạn hòa tan gồm 2 loại: dung dịch rắn hoà tan có hạn và dung dịch
rắn hoà tan vô hạn theo sự phân bố nguyên tử chất tan, có 2 loại: dung dịch rắn có trật tự và dung dịch rắn không có trật tự.
Giới hạn hòa tan là nồng độ chất tan lớn nhất mà vẫn bảo tồn được mạng tinhthể. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều kiện hoà tan vô hạn: chỉ có thể (có khi không) xảy ra khi thỏa mãn cả 4 yếu tố sau:
1-Cùng kiểu mạng,
2-Đường kính nguyên tử khác nhau ít (< 8%)
3-Thoả mãn giới hạn nồng độ điện tử: ví dụ: mạng lftm Ce≤ 1,36, lftk Ce ≤ 1,48,
4-Có cùng hoá trị, tính âm điện sai khác nhau ít.
Ngoài ra, tính lý - hóa (đặc biệt là nhiệt độ chảy) giống nhau dễ tạo thành dung dịch rắn
hòa tan vô hạn. Ví dụ : Ag - Au (mạng A1, r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạng A1, r = 2,70%, IB và VIII), Fe- Cr (mạng A2,r = 0,70%, VIB và VIII).
Dung dịch rắn có trật tự: các nguyên tử chất tan sắp xếp có trật tự trong mạng tinh thể dung môi, (được nguội rất chậm trong khoảng nhiệt độnhất định). Đa số trường hợp là không trật tự.
3.1.2.3 Dung dịch rắn xen kẽ
Định nghĩa: các nguyên tử hòa tan nằm xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi.
Điều kiện: bán kính nguyên tử chất tan phải rất nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
cả B (0,091nm) mới có khả năng xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nguyên tử lớn như Fe
Hình 3.3.Sơ đồsắpxếpnguyên tửhòa tan thay thếvà xen kẽ
vào dung môi có mạng lập phương tâm mặt, mặt (100)
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ hổng lớn nhất trong mạng
A1 là loại 8 mặt chỉ bằng 0,414dng/tử , ngoài H, không có á kim nào bỏ lọt đẩy các
nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gây ra xô lệch mạnh mạng (Hình 3.5). Chỉ có dung dịch rắn
xen hòa tan có hạn.
Hình 3.5. Sự xô lệch mạng trong dd rắn:
a. hòa tan thay thế khi rht > rchủ,
b. hòa tan xen kẽ rht> rlỗ hổng
3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịchrắn
Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi có đặc trưng cơ, lý, hóa tính của kim loại nền:
1) Mạng tinh thể, đơn giản và xít chặt (A1, A2...) của kim loại với liên kết kim loại 2) Cơ tính giống kim loại cơ sở:
- Dẻo, có giảm đi 1 chút song vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo, cá biệt tăng độ dẻo: Cu(Zn) với
30%Zn còn dẻo hơn cả Cu chi tiết dập sâu, đồ dát = latông
-Tăng độ bền, độ cứng, khả năng chịu tải h ơn hẳn kim loại nguyên chất
- Nồng độ chất tan càng lớn độ dẻo càng giảm, bền càng tăng. Quá lớn gây ra giòn, dễ
bị gãy, vỡ chọn nồng độ thích hợp.
3) Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt nhưng kém hơn kim loại nguyên chất, thay đổi tính chống ăn mòn. Dung dịch rắn là pha cơ bản chiếm tới 90% thậmchí 100% trong vật liệu kết cấu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.3. Pha trung gian
Trên giản đồ pha 2 phía là dung dịch rắn, ở giữa là các pha trung gian.
3.1.3.1 Bản chất và phân loại
Đặc điểm:
1) Có mạng tinh thể phức tạp và khác hẳn với nguyên tố thành phần
2) Có tỷ lệ chínhxác giữa các nguyên tố theo công thức hóa học AmBn
3) Tính chất: khác hẳn các nguyên tố thành phần giòn 4) Có nhiệt độ chảy xác định, khi tạo thành tỏa nhiệt.
5) Khác với các hợp chất hóa học thông th ường, các pha trung gian không hoàn toàn tuân theo quy luật hóa trị không có thành phần hóa học chính xác theo công thức, có liên kết kim
loại. Các pha trung gian trong hợp kim th ường gặp: pha xen kẽ, pha điện tử và pha Laves.