10 видов коррозии: руководство инженера по разрушению металлов

Видя ржавый болт, вы думаете: «Коррозия». Но в мире инженерии и производства это всё равно, что смотреть на больницу, полную пациентов, и говорить: «Они все больны». Ржавчина — лишь один из симптомов одного типа коррозии. В действительности это сложная система разрушительных процессов, каждый из которых имеет свою уникальную причину, проявление и способ предотвращения.

Итак, какие же основные виды коррозии существуют?

10 самых важных типы коррозии, которые инженеры и производители имеют дело со следующими видами коррозии: 1) Равномерное разрушение, 2) Гальваническая коррозия, 3) Точечная коррозия, 4) Щелевая коррозия, 5) Межкристаллитная коррозия, 6) Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC), 7) Эрозия, 8) Фреттинг-коррозия, 9) Нитевидная коррозия и 10) Высокотемпературная коррозия.

Понимание разницы между этими типы не академичны — это ключ к созданию безопасных, надёжных и долговечных продуктов. Недопонимание может привести к катастрофическим последствиям: от обрушения моста до поломки медицинского имплантата.

Это руководство познакомит вас с каждым из 10 типов коррозии. Мы не просто дадим им определения, но и покажем, как они выглядят, объясним скрытые механизмы их возникновения и предложим стратегии профилактики, которые мы используем. RM (Быстрое производство) для защиты важнейших деталей, которые мы создаем каждый день.

Что такое коррозия на самом деле? Электрохимический двигатель

Прежде чем мы сможем классифицировать различные типы, мы должны понять, что почти вся коррозия в водной среде является электрохимический процессЭто не просто химическая реакция; это крошечная, никому не нужная батарейка. Для её возникновения необходимы четыре условия:

1. Анод: Часть металла, которая подвергается коррозии. Она отдаёт электроны (окисляется) и превращается в ионы металла (например, ржавчина).
2. Катод: Часть металла (или другого металла), которая делает не Корродирует. Принимает электроны.
3. Электролит: Проводящая жидкость (например, вода, особенно соленая), которая позволяет ионам перемещаться между анодом и катодом.
4. Металлическая дорожка: Соединение, позволяющее электронам течь от анода к катоду. Сама металлическая часть служит этим путём.

При наличии этих четырёх элементов цепь замыкается, и анод начинает растворяться. Каждый тип коррозии, который мы рассмотрим, — это просто другой способ создания этой разрушительной цепи.

Категория 1: Равномерная коррозия (очевидная)

Это наиболее распространённая и узнаваемая форма коррозии. Как следует из названия, она равномерно распространяется по всей открытой поверхности. материала. Это предсказуемо, измеримо и редко причиной неожиданного катастрофического отказа потому что вы можете видеть, как это происходит, и планировать это.

Внешний вид: Постоянная, обширная ржавчина или потускнение. Представьте себе лист обычной углеродистой стали, оставленный под дождём: вся поверхность покрывается слоем красновато-коричневого оксида железа (ржавчины).

Механизм: На микроскопическом уровне анодные и катодные участки постоянно смещаются и перемещаются, что приводит к равномерной потере материала по всей поверхности. Это происходит, когда металл находится в коррозионной среде, например, в кислотном растворе, или просто подвергается воздействию кислорода и влаги.

Типичный пример: Постепенное истончение стального корпуса корабля или ржавление старого, неокрашенного металлического забора.

Профилактика:

• Покрытия: Самый простой метод. Краска, порошковое покрытие или гальванопокрытие создают барьер между металлом и электролитом.
• Выбор материала: Выбирайте более стойкий к коррозии материал. нержавеющая сталь вместо углеродистой стали — обычная модернизация.
• Ингибиторы коррозии: В электролит добавляют химические вещества, которые замедляют реакцию, часто образуя защитную пленку на поверхности металла.

Категория 2: Электрохимическая коррозия (ловушка разнородных металлов)

Гальваническая коррозия — один из наиболее часто встречающихся и неправильно понимаемых видов коррозии. Она возникает, когда два разных металла находятся в физическом контакте друг с другом и погружены в общий электролит.

Механизм: Это концепция «батареи» в чистом виде. Каждый металл обладает разной естественной склонностью отдавать свои электроны, что называется его электродным потенциалом. При соединении двух разных металлов тот, у которого потенциал более отрицательный, становится анод и быстро корродирует, в то время как тот, у которого более положительный потенциал, становится катод и находится под защитой.

Инженеры используют Гальваническая серия диаграмма для прогнозирования того, какой металл будут подвергаться коррозии. Металлы в верхней части (например, магний и цинк) «менее благородные» и будут служить анодом. Металлы в нижней части (например, золото и платина) «более благородные» и будут служить катодом. Чем дальше друг от друга находятся два металлы на графике, тем быстрее будет корродировать анод.

Внешний вид: Сильная коррозия, локализующаяся непосредственно в точке контакта двух разных металлов. Более благородный металл будет выглядеть безупречно, а менее благородный будет сильно поврежден.

Типичный пример:

• Классическая ошибка — использование стальных винтов для крепления латунной пластины в морской среде. Сталь менее благородна, чем латунь, поэтому она становится анодом и корродирует быстрее, в то время как латунь остаётся нетронутой.
• Этот принцип также используется для защиты. оцинкованная сталь Это просто углеродистая сталь, покрытая цинком. Если покрытие поцарапать, цинк (менее благородный металл) бережно корродирует, защищая открытую сталь (более благородную).

Профилактика:

• Избегайте разнородных Металлический контакт: лучший метод является проектирование изделия с использованием одного металла.
• Электрическая изоляция: Если вам необходимо использовать два разных металла, изолируйте их непроводящим барьером, например, пластиковой или резиновой прокладкой и шайбой. Это разорвет металлический контур.
• Выберите Metals Close в гальванической серии: Если вам необходимо соединить два металла, выбор тех, которые расположены близко друг к другу на диаграмме (например, две разные серии нержавеющей стали), позволит минимизировать скорость коррозии.
• Жертвенные аноды: Специально прикрепите блок из гораздо менее благородного металла (например, цинка или алюминия) к конструкции, которую хотите защитить. Этот «жертвенный анод» корродирует, защищая основную конструкцию. Такой анод используется на корпусах судов и трубопроводах.

Мы рассмотрели самый заметный тип коррозии и самую распространённую ловушку «разнородного металла». Это неприятно, но часто предсказуемо. В следующей части мы рассмотрим скрытых убийц: формы локальная коррозия которые могут привести к внезапному и без видимых признаков поломки детали. Мы рассмотрим питтинговую, щелевую и межкристаллитную коррозию — типы, которые держат инженеров ночью.

Категория 3: Точечная коррозия (скрытый прокол)

Питтинг — одна из самых разрушительных и опасных форм коррозии. Это локализованное воздействие, приводящее к образованию небольших глубоких отверстий (или «ямок») на поверхности материала. Деталь может выглядеть практически идеальной на поверхности, но быть испещрена язвами, которые служат концентраторами напряжений, приводя к внезапному и катастрофическому разрушению.

Внешний вид: Крошечные отверстия на поверхности, которые часто скрыты под слоем продуктов коррозии. Удаление ржавчины с поверхности может открыть глубокую полость. Подавляющая часть металлической поверхности остаётся неповреждённой.

Механизм: Питтинговая коррозия возникает в небольшом слабом месте пассивного защитного слоя металла (например, слоя оксида хрома на нержавеющей стали). Это часто вызвано присутствием определённых ионов, хлорид (Cl⁻) является наиболее распространённой причиной. Как только слой разрушается, начинается агрессивный «автокаталитический» процесс:

1. Небольшая активная яма становится анодом, а большая пассивная поверхность вокруг нее становится катодом.
2. Ионы металлов концентрируются внутри яма, притягивающая отрицательные ионы, такие как хлорид, для поддержания нейтральности заряда.
3. При этом образуются агрессивные хлориды металлов (например, хлорид железа), которые гидролизуются водой, создавая внутри ямы сильнокислотную и коррозионную микросреду.
4. Процесс становится самоподдерживающимся и ускоряется, просверливая глубокое отверстие в материале.

Типичный пример: Ямки, образующиеся на нержавеющая сталь 304 трубопроводы или резервуары, используемые в прибрежных районах или на химических заводах, на которых обрабатываются хлорсодержащие растворы.

Профилактика:

• Выбор сплава: Используйте материалы с более высокой стойкостью к точечной коррозии. молибден Применение нержавеющей стали (например, марки 316L) значительно повышает её стойкость. Для ещё более суровых условий требуются дуплексные нержавеющие стали или сплавы на основе никеля.
• Экологический контроль: Уменьшите концентрацию хлоридов, понизьте температуру или уменьшите кислотность электролита.
• Поддерживайте чистоту поверхностей: Питтинговая коррозия часто возникает под воздействием небольших отложений или поверхностных загрязнений. Поддержание чистоты и гладкости поверхностей может предотвратить её возникновение.

Категория 4: Щелевая коррозия (атака в зазорах)

Щелевая коррозия по своей механике очень похожа на питтинговую, но инициируется определённой геометрией, а не случайным дефектом в пассивном слое. Это интенсивная локальная коррозия, возникающая в экранированных зазорах или трещинах на поверхности металла, где электролит застаивается.

Внешний вид: Серьёзные коррозионные повреждения, полностью скрытые в зазоре. Вы не увидите их, пока не разберёте детали. Чаще всего они появляются под головками болтов, под шайбами ​​и прокладками, в нахлёстных соединениях, а также между трубами и трубными решётками.

Механизм: Процесс начинается с ячейка дифференциальной аэрации.

1. Электролит внутри щели застаивается, а растворенный кислород быстро расходуется в результате первоначальной коррозионной реакции.
2. Из-за плотной геометрии нелегко восполнить запасы кислорода.
3. Область внутри трещины, теперь обедненная кислородом, становится активной анод. Область за пределами расщелины, с большим количеством кислорода, становится катод.
4. Как и при точечной коррозии, начинается самоподдерживающийся цикл. Ионы металлов и хлориды концентрируются внутри трещины, уровень pH падает, а скорость коррозии в скрытом зазоре резко возрастает.

Типичный пример: Сильная коррозия болта из нержавеющей стали под головкой, где он крепится к пластине в морской среде. Внешне болт выглядит хорошо, но может неожиданно выйти из строя.

Профилактика:

• Дизайн щелей: Это наиболее эффективный метод. Используйте сварные соединения вместо болтовых или заклёпочных. Обеспечьте полное проваривание сварных швов.
• Используйте твердые, неабсорбирующие прокладки: Пористые прокладки могут действовать как губки и создавать идеальные условия для щелевой коррозии. Наиболее распространённым выбором являются прокладки из ПТФЭ.
• Используйте герметики: Заделайте щели в нахлесточных соединениях герметиком или заделайте их.
• Обеспечьте правильный дренаж: Проектируйте детали таким образом, чтобы вода и электролиты не могли скапливаться в щелях.

Чтобы прояснить разницу между этими двумя похожими, но разными формами локальной коррозии, приведем прямое сравнение:

Категория 5: Межкристаллитная коррозия (МКК) (Атака на границы)

Это особенно коварная форма коррозии, поскольку она поражает границы зерна металла, а не самих зёрен. Это может разрушить целостность материала практически незаметно на поверхности, вызывая потерю прочности и пластичности. Деталь может выглядеть отлично, но может треснуть или даже раскрошиться при очень незначительном напряжении.

Внешний вид: На поверхности это может выглядеть лишь как лёгкое травление. Для определения степени разрушения по границам зёрен требуется микроскопическое исследование. В тяжёлых случаях при нагрузке на материал целые зёрна могут выпадать, придавая ему сахаристую или шероховатую текстуру.

Механизм: Самый известный пример — «сенсибилизация» аустенитных нержавеющих сталей (как обычная марка 304).

1. Когда эти стали нагреваются до определенного диапазона температур (приблизительно 450–850 °C или 850–1550 °F), например, во время сварки, углерод в стали соединяется с хромом.
2. Это формы карбиды хрома (Cr₂₃C₆) по границам зерен.
3. Этот процесс приводит к истощению хрома в области, непосредственно прилегающей к границам зерен. Поскольку именно хром обеспечивает коррозионную стойкость нержавеющей стали, эти обеднённые зоны становятся чрезвычайно подверженными коррозии.
4. Границы зерен теперь действуют как аноды, и коррозия быстро распространяется по этим узким дорожкам, разделяя зерна.

Типичный пример: «Распад сварного шва» В трубе из нержавеющей стали марки 304, используемой для транспортировки коррозионной жидкости. Коррозия возникает не в самом сварном шве, а в узких полосах по обе стороны от него (зона термического влияния), которые выдерживались в диапазоне температур сенсибилизации.

Профилактика:

• Используйте марки с низким содержанием углерода: Выбирайте марки стали с индексом «L», например, 304L или 316L. Более низкое содержание углерода (например, <0.03%) означает, что его недостаточно для образования значительного количества карбида хрома. Это наиболее распространённое современное решение.
• Используйте стабилизированные сорта: Используйте такие марки стали, как 321 (стабилизированная титаном) или 347 (стабилизированная ниобием). Эти элементы имеют более сильное сродство к углероду, чем хром, поэтому они образуют безвредные карбиды, оставляя хром в растворе, защищающем сталь.
• Послесварочная термообработка: Для марок, отличных от L, можно провести высокотемпературный «отжиг на твердый раствор» для повторного растворения карбидов хрома и восстановления коррозионной стойкости. Однако это часто нецелесообразно.

Мы рассмотрели виды коррозии, которые воздействуют на материал изнутри, основываясь исключительно на химии и геометрии. Но что происходит, если добавить к этому механическое воздействие? В заключительной части мы рассмотрим виды коррозии, вызванные напряжением и физическим износом, включая Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), эрозионная коррозия и фреттинг, завершая наше руководство по 10 критическим типам коррозии.

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН): тихая катастрофа

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) один из самых коварных и опасных механизмов отказа в технике. определяется как растрескивание материала Это явление возникает в результате совместного воздействия коррозионной среды и статического растягивающего напряжения. Его ужасающая природа обусловлена ​​способностью вызывать внезапный разрыв, казалось бы, неповреждённой детали без каких-либо видимых признаков коррозии или пластической деформации.

Механизм: триада проблем

Для возникновения SCC необходимо одновременное выполнение трех условий:

1. Восприимчивый материал: Не все материалы подвержены КРН во всех средах. Например, нержавеющие стали серии 300 особенно восприимчивы к средам, содержащим ионы хлора.
2. Специфическая коррозионная среда: Среда, вызывающая коррозионное растрескивание, специфична для каждого материала. Аммиак вызывает растрескивание латуни, а хлориды разъедают нержавеющую сталь.
3. Статическое растягивающее напряжение: Это напряжение может быть вызвано внешней нагрузкой, но чаще всего это остаточное напряжение, оставшееся после производственных процессов, таких как сварка, холодная штамповка или неправильная термообработка.

При наличии этих трёх условий напряжение приводит к образованию микроскопической трещины на поверхности материала. Коррозионная среда затем воздействует на вершину вновь обнажившейся трещины, которая испытывает наибольшее напряжение, вызывая дальнейшее её распространение. Это создаёт порочный круг, который продолжается до тех пор, пока оставшееся поперечное сечение детали не перестанет выдерживать нагрузку, что приведёт к внезапному хрупкому разрушению.

Появление и обнаружение

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) невероятно сложно обнаружить визуально. Трещины очень мелкие, часто микроскопические, и могут быть заполнены продуктами коррозии, которые их скрывают. На большей части поверхности материала может быть практически не заметна общая коррозия, что создаёт ложное ощущение безопасности. Для их обнаружения почти всегда требуются специализированные методы неразрушающего контроля (НК), такие как капиллярная дефектоскопия или ультразвуковая дефектоскопия.

Эрозионная коррозия: разрушительная атака

Эрозия Коррозия Это ускоренная форма коррозии, вызванная совместным воздействием коррозионной жидкости и механическим износом, вызванным движением этой же жидкости. Это химический эквивалент того, как река пробивает каньон в скале.

Механизм: износ на химическом уровне

Многие металлы, такие как нержавеющая сталь и алюминий, защищают себя очень тонким, прочным и инертным слоем оксида, называемым пассивной плёнкой. В статической коррозионной жидкости эта плёнка стабильна. Однако при движении жидкости с высокой скоростью, особенно если она содержит абразивные твёрдые частицы (например, песок или шлам), она может физически стереть этот защитный слой.

В момент удаления пассивного слоя свежий, химически активный металл под ним подвергается воздействию коррозионной жидкости и немедленно начинает корродировать. Новый пассивный слой пытается сформироваться, но и он тут же смывается текущей жидкостью. Этот быстрый цикл снятия покрытия и повторной коррозии приводит к гораздо более быстрой потере материала, чем если бы это происходило только при эрозии или коррозии.

Появление и обнаружение

Эрозионная коррозия оставляет на поверхности металла ярко выраженный направленный рисунок. Он часто проявляется в виде канавок, борозд, волн или каплевидных углублений, которые ориентированы вдоль направления потока жидкости. Чаще всего она встречается в местах, где поток меняет направление или скорость, например, на коленах труб, тройниках, рабочих колесах насосов и выходных отверстиях клапанов.

Фреттинг-коррозия: убийца вибрации

Фреттинг-коррозия Возникает на стыке двух плотно прижатых поверхностей, подвергающихся небольшим повторяющимся возвратно-поступательным движениям, например, вибрации. Это классическая проблема болтовых соединений, подшипников с прессовой посадкой и любых других механических узлов с зажимами.

Механизм: трение и ржавчина

Процесс начинается с микроскопического скольжения (фреттинга) между двумя поверхностями. Это движение разрушает защитный пассивный слой на металлических поверхностях, обнажая свежий, химически активный металл. Этот открытый металл немедленно окисляется. Образующиеся твёрдые оксидные частицы задерживаются между поверхностями.

Поскольку эти оксидные частицы часто твёрже основного металла, они действуют как абразив, ускоряя износ и ещё больше разрушая пассивный слой. Это создаёт обратную связь: трение вызывает окисление, а образующиеся оксидные частицы ускоряют повреждение от трения.

Появление и обнаружение

Фреттинг обычно определяется наличием углублений или канавок на металлических поверхностях, окруженных характерными оксидными частицами. На стальных деталях эти частицы выглядят как красновато-коричневый порошок «какао». Повреждения локализуются преимущественно в зоне контакта двух деталей.

Разрушение сплава: ахиллесова пята сплава

Развязывание, также известное как селективное выщелачивание, представляет собой избирательную коррозию одного элемента из сплава твёрдого раствора. В результате этого процесса остаётся пористый, непрочный остаток более коррозионно-стойкого элемента.

Механизм: Преимущественное удаление

Самый классический пример — децинкификация латуниЛатунь — это сплав меди и цинка. В некоторых коррозионных средах (например, в воде с высоким содержанием хлоридов) химически более активный цинк избирательно разрушается, оставляя после себя губчатую, хрупкую медную структуру. Деталь может сохранить свою первоначальную форму и размеры, но она практически полностью теряет механическую прочность и может разрушиться при минимальной нагрузке.

Появление и обнаружение

Наиболее очевидным признаком удаления легирующих примесей часто является изменение цвета. При децинктификации жёлтая латунь приобретает красноватый оттенок чистой меди. Хотя поверхность может выглядеть неповреждённой, простая проверка царапинами покажет мягкую пористую структуру материала под ней.

Высокотемпературная коррозия: испытание огнем

Последний тип коррозии уникален тем, что для него не требуется жидкий электролит. Высокотемпературная коррозия Химическая деградация материала, возникающая в результате прямой реакции с горячей газовой атмосферой. Наиболее распространённая форма – окисление.

Механизм: за пределами воды

При повышенных температурах (например, в печах, реактивные двигатели(или выхлопные системы), металлы могут напрямую реагировать с газами окружающей среды, чаще всего с кислородом, серой или другими окислителями. В результате этой реакции на поверхности металла образуется прочный слой окалины. Защитный или разрушительный эффект этой окалины зависит от материала и температуры. Плотная и хорошо приклеенная окалина может замедлить дальнейшую коррозию. Если же она пористая или легко отслаивается, то свежий металл подвергается дальнейшему воздействию, что приводит к быстрой потере материала.

Появление и обнаружение

Высокотемпературная коррозия обычно заметна и характеризуется толстым, часто бесцветным или шелушащимся слоем окалины на поверхности детали. Инженерная задача заключается не в её обнаружении, а в выборе материалов (например, никелевых суперсплавов или керамики), способных противостоять ей при требуемых рабочих температурах.

Заключение: от распознавания к предотвращению

Коррозия — не один враг, а многогранная сила природы, проявляющая как минимум 10 различных форм. Мы прошли путь от очевидного, равномерного ржавления стальной балки до невидимой трещины, возникающей под действием напряжения, способной повалить самолёт.

Понимание этих 10 типов — первый и самый важный шаг в любой эффективной программе анализа надежности и отказов. Точное определение механизм В случае атаки — будь то гальваническая, локальная или механическая — инженеры могут применить правильную превентивную стратегию. Это может быть изменение материала, нанесение защитного покрытия, изменение условий окружающей среды или перепроектирование детали для устранения концентраторов напряжений. По сути, борьба с коррозией — это знание своего врага.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Каковы 3 основные группы коррозии?

Хотя существует множество конкретных типов, их концептуально можно разделить на три категории:

1. Общая коррозия: Когда воздействие распространяется более или менее равномерно по поверхности (например, равномерная коррозия).
2. Локальная коррозия: Когда атака сосредоточена на определенных небольших участках, что делает ее гораздо более опасной (например, выбоины, трещины, КРН).
3. Коррозия с механическим воздействием: Там, где коррозия ускоряется под действием механической силы (например, эрозия, коррозия, фреттинг).

Каковы типичные примеры коррозии?

• Униформа: Ржавчина на стальной панели кузова старого автомобиля.
• Гальваническая: Стальной винт, быстро ржавеющий при использовании в латунном приспособлении.
• Питтинг: На посуде из нержавеющей стали, подвергшейся воздействию соли, образуются мелкие глубокие отверстия.
• Щель: Коррозия, скрытая под головкой болта на лодочном прицепе.
• ССС: Растрескивание латунного штока клапана под воздействием чистящих средств на основе аммиака.

Почему существуют разные списки с 8 или 10 типами коррозии?

Наука о коррозии сложна, и эксперты иногда классифицируют явления по-разному. Список «8 «типы» являются общими и охватывают наиболее распространенные промышленные Список из 10 проблем, подобный представленному здесь, более полный и часто включает более специализированные, но не менее важные виды, такие как делегирование и высокотемпературная коррозия, что позволяет получить более полное представление. машиностроение картину.

Референсы

1. AMPP (ранее NACE International). (2022). Основы коррозии, Извлекаются из Коррозионные ресурсы AMPP
2. Американское общество по металлам (ASM) Интернэшнл. (2005). Справочник ASM, том 13B: Коррозия: Материалы, Извлекаются из Международные справочники ASM (Окончательное, рецензируемое инженерное руководство и основной источник, используемый инженерами для обоснования выбора сплава).

Условия использования

Информация на этой странице предназначена только для информационных целей. RM Компания не предоставляет никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности или полноты данной информации. Для любых услуг третьих лиц, приобретённых через RM сеть, покупатель несет ответственность за указание и подтверждение параметров производительности, допусков, материалыи качество работы в процессе составления сметы. Для получения более подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.o Свяжитесь с нами.

RM: Ваш партнер в области точного производства

RM является лидером отрасли в индивидуальные производственные решения. Обладая более чем 20-летним богатым опытом, мы стали надежным партнером для более чем 5,000 клиентов по всему миру. Мы специализируемся на широком спектре производственных услуг, включая высокоточную обработку. CNC-обработка, изготовление листового металла, 3D печать, литье под давлением и металлическое тиснение— чтобы предоставить вам истинную опыт комплексного обслуживания.

Наше предприятие мирового класса оснащено более чем 100 современными Обработка по оси 5 центры и работают в строгом соответствии с ISO 9001:2015 Система контроля качестваМы стремимся предоставлять решения, сочетающие в себе скорость, эффективность и исключительное качество, клиентам в более чем 150 странах. Быстрое прототипирование до крупномасштабного производства мы гарантируем доставку в течение 24 часов, помогая вам получить конкурентное преимущество на рынке. Выбор РМ означает выбор эффективного, надежного и профессионального производственного партнера.

Ознакомьтесь с нашими возможностями уже сегодня, посетив наш веб-сайт: www.rapmaf.com