Chương 7 ảnh hưởng của các yếu tố cơ học đến ăn mòn điện hóa kim loại

Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
Phân loại
Các chi tiết của dụng cụ công nghiệp hóa học, các cấu trúc của máy
bay, các cột và các ống dẫn trong công nghiệp dầu khí, các đường ray
xe lửa, các thiết bị làm việc ở áp suất cao… đều bị tác dụng của ăn
mòn điện hóa - cơ học.
Năm 1967, cầu treo trên sông Ohio (Mỹ) bị gãy; năm 1988 cầu treo
trên sông Alger (vùng Địa trung hải) bị sập đổ, đều do tác động đồng
thời của khí xâm thực và tác dụng cơ học.
Phân loại: Có 5 trường hợp ăn mòn nứt rạn dưới tác dụng của sức
căng cơ học: * Ăn mòn chịu ứng lực; * Ăn mòn rạn nứt;* Ăn mòn mệt
mỏi;Ăn mòn do khí xâm thực; * Ăn mòn do xói mòn.
CÁC DẠNG ĂN MÒN CÓ
LIÊN QUAN ĐẾN PHÁ HỦY
CƠ HỌC
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
6.1 Ăn mòn kim loại chịu ứng lực.Ứng suất cơ học làm giảm độ bền nhiệt
động học của kim loại, làm biến dạng kim loại, làm rạn nứt màng bảo vệ trên
kim loại. Ví dụ,khu vực bị kéo căng nhất của vỏ tàu thủy bị nước biển ăn mòn
mạnh nhất.
Cơ chế: a) Nơi nào kim loại bị tác động cơ học kết hợp với ăn mòn sẽ bị biến
dạng về cấu trúc;
b) Sư nứt xuyên qua tinh thể do ứng lực đàn hồi gây ra làm tăng tốc độ ăn
mòn;
c) Các cấu tử môi trường hấp phụ lên chỗ mà ứng suất đạt đến giới hạn, làm
giảm độ bền liên kết trong mạng lưới kim loại;
d) Hydro lọt sâu vào kim loại, hấp phụ nhiều ở đầu vết nứt, làm ứng suất cục
bộ tăng, thúc đẩy vết nứt phát triển mạnh.

Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
6.2 Ăn mòn rạn nứt
6.2.1 Thuyết ăn mòn rạn nứt
Dưới tác dụng của ứng suất,sự rạn nứt phát triển theo hướng vuông góc
với ứng suất chính. Trong dung dịch axit (pH<7) xuất hiện pin ăn mòn,
trong đó vùng kim loại bình thường trở thành điện cực catot, giải phóng
khí hydro: còn vùng kim loại biến dạng trở thành điện cực anot và bị ăn
mòn mạnh, làm cho vết nứt phát triển nhanh hơn, làm tăng sự hấp thụ
khí hydro, gây ra tính giòn hydro và tạo ra áp suất bên trong rất cao,dẫn
đến sự rạn nứt nhanh hơn bên trong kim loại.
* Ngay trong dung dịch trung tính hoặc kiềm (pH≥7) , kim loại cũng bị
ăn mòn ở đáy vết nứt, cũng dẫn đến sự axit hóa dung dịch ở đáy vết nứt
theo các phản ứng sau:
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
Tại anot (đáy vết nứt):Fe Fe2+ +2e-
Tại catot (đỉnh vết nứt): O2 +2H2O  4OH-
Các phản ứng thứ cấp:
* Ở đỉnh vết nứt: Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3
2Fe(OH)3  Fe2O3. H2O + 2H2O
* Ở đáy vết nứt, dung dịch bị axit hóa.Tại anot:
3Fe2+ + 4H2O  FeO. Fe2O3 + 8H+ +2e- (Fe3O4 + 8H+ +2e-).
Tại catot: 2H+ +2e- H2
Phản ứng tổng: 3Fe2+ + 4H2O  Fe3O4 + 6H+ + H2
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
VD: Khi thép bị ăn mòn trong dung dịch trung tính NaCl 3,5%,hoặc

trong dung dịch hỗn hợp (NaOH + NaCl 3,5% ) có pH =10), độ axit
đo được trong vết rạn nứt giảm đến pH = 3,8
6.2.2 Ảnh hưởng của thành phần thép và môi trường đến ăn mòn
rạn nứt:* Các nguyên tố nâng cao độ bền chống ăn mòn rạn nứt của
thép là: Niken, carbon.
•
Các nguyên tố làm giảm độ bền chống ăn mòn rạn nứt của thép là:
Mangan, molipđen, nitơ.
•
Các ion clorua Cl- làm tăng đáng kể tốc độ ăn mòn nứt rạn của thép
, đặc biệt khi nồng độ oxy hòa tan trong dung dịch tăng lên.
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
6.2.3 Bảo vệ thép chống ăn mòn rạn nứt
Ăn mòn rạn nứt do sự kết hợp của ăn mòn điện hóa + tác động cơ học bên
ngoài ( hoặc + ứng suất cơ học bên trong kim loại).
a) Giảm ứng suất (sức căng) bên trong:
•)
bằng nhiệt luyện;
•)
thay đổi trạng thái lớp bề mặt ( như ni tơ hóa thép, mạ crôm khuếch tán,
mạ điện niken; phủ nhôm lên thép ở nhiệt độ 510oC);
•)
hợp kim hóa thép với hàm lượng Ni 45% được thép có độ bền ăn mòn rạn
nứt cao nhất;
•)
xử lý thép trong chân không để giảm hàm lượng ni tơ đến 0,008% và
carbon đến 0,01% cho khả năng chống ăn mòn rạn nứt rất cao.
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại

b)Bảo vệ điện hóa. Trong dung dịch nước trung tính, trên thép
hình thành pin ăn mòn: (-) Đáy vết nứt| H2O,O2| Mặt ngoài (+).
Do đó,thép bị mòn rạn nứt ở đáy vết nứt (pH=3, E = -0,5).
Muốn bảo vệ thép khỏi ăn mòn điện hóa nói chung và ăn mòn rạn
nứt nói riêng, ta phải dịch điện thế của thép về phía giá trị âm
hơn điện thế cân bằng của phản ứng Fe ↔ Fe2+ + 2e- ,bằng
cách nối thép với cực âm của nguồn điện 1 chiều bên ngoài, hoặc
nối thép với một kim loại có điện thế âm hơn thép (như Al,Zn).
Phương pháp nêu trên gọi là phương pháp bảo vệ catot.
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
6.3 Ăn mòn mệt mỏi
* *Sư phá hủy kim loại dưới tác dụng đồng thời của sức căng chu
kỳ và của môi trường xâm thực được gọi là sự ăn mòn mệt mỏi.
Ăn mòn mệt mỏi của thép và các hợp kim thường xuất hiện
trong nước (cái chong chóng của tàu thủy), trong không khí ẩm
(lò so ô tô), trong các phần ngưng tụ của sản phẩm chất đốt hoặc
trong môi trường chế biến dầu khí…Ăn mòn mệt mỏi xảy ra do
tác dụng của ứng suất trong môi trường xâm thực làm xuất hiện
các vết nứt xuyên qua tinh thể kim loại. Nếu trong quá trình ăn
mòn , có sự sinh ra khí hydro, thì khí hydro có thể khuếnh tán vào
kim loại, làm cho kim loại bị giòn.
Chương VI. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
* Bảo vệ kim loại chống ăn mòn mệt mỏi bằng phương pháp bảo
vệ catot (dùng protector kẽm), dùng chất ức chế ăn mòn (natri
bicromat), dùng lớp phủ anot (kẽm, cadmi Cd) hoặc lớp phủ catot
sit chặt (Sn, Pb, Cu…) .
6.4 Ăn mòn khí xâm thực

Khi di chuyển với tốc độ lớn, chất lỏng có tính xâm thực (như
nước biển) hình thành các vùng áp suất thấp dưới dạng bọt khí. Bề
mặt kim loại bị phá hủy do các va chạm thủy động học xung động
trong quá trình lấp đầy các bọt khí bằng chất lỏng (nước). Sự ăn
mòn khí xâm thực có thể phá hủy cục bộ mạnh, tạo thành các hang
hốc sâu trong miền khí xâm thực.
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
*Sự ăn mòn khí xâm thực thường xảy ra đối với chong chóng tàu
thủy, vỏ làm lạnh của máy phát điện diezen,các bơm ly tâm,các
tuabin thủy động. Ăn mòn khí xâm thực có thể xem như ăn mòn
mệt mỏi vi mô, vì dưới tác dụng của va chạm xung động và ăn
mòn bởi chất điện phân, bề mặt kim loại có thể bị rạn nứt , xé rách.
•
Phương pháp nâng cao độ bền chống ăn mòn khí xâm thực:
- Tăng độ cứng lớp bề mặt bằng cách hợp kim hóa thép bởi crom
(đến 90% Cr);
- Bảo vệ catot thép để ngăn chặn sự ăn mòn khí xâm thực;
- Che phủ bề mặt thép bằng nhựa tổng hợp (polyme) .
Chương VII. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ học
đến ăn mòn điện hóa kim loại
6.5 Ăn mòn xói mòn là sự phá hủy bề mặt kim loại do tác dụng đồng thời
của sự mài mòn bởi vật rắn và sự ăn mòn điện hóa bởi môi trường. Ăn
mòn xói mòn không chỉ phá hủy cơ học màng bảo vệ kim loại (màng hấp
phụ chất ức chế ăn mòn, màng oxyt), mà còn thúc đẩy sự ăn mòn điện hóa
kim loại. Một trong những dạng ăn mòn xói mòn mạnh là sự ăn mòn do va
đập của nước biển chứa cát hoặc các hạt rắn khác với bề mặt kim loại.
•
Bảo vệ kim loại chống ăn mòn xói mòn bằng các cách sau:
- Dùng lớp phủ (phot phat hóa, cromat hóa) để giảm hệ số ma sát;

- Sử dụng lớp phủ bằng chất dẻo bền hóa học (như chất dẻo clo hóa);
- Thấm ni tơ bề mặt thép.