РОЗДІЛ 2.
Електрохімічна ситуація біля поверхні металу в електроліті при його наводненні
При контакті металічних матеріалів з розчинами, які проводять струм, проходить
їх інтенсивне розчинення в результаті електрохімічної реакції (корозії). На
відміну від хімічної корозії електрохімічна протікає більш інтенсивно і часто
супроводжує наводнення металу. Це пов’язано з тим що, як правило,
різнопотенціальна поверхня металу в контакті з електролітом представляє
короткозамкнуту гальванічну комірку, в якій на аноді проходить реакція –
розчинення металу з його дальнійшим окисленням, а на катоді – реакція
відновлення. В дальнійшому розглядаємо в основному металічні сплави і кислі
електроліти, при контакті яких на катодному участку поверхні проходить
відновлення водню. Такий випадок є важливий тим, що поряд з хімічним
руйнуванням металу при електрохімічній корозії проходить його наводнення. Це
спричиняє водневу крихкість металу і його прискорене руйнування. Особливо це
проявляється при одночасній дії на металічне тіло корозійно активного
середовища і циклічного навантаження. При цьому має місце корозійно-втомне
руйнування металу. Як відомо [3, 4, 6, 7, 85, 86], механізмами
корозійно-втомного руйнування металічних тіл є процесизародження і поширення
втомних тріщин. Вони в свою чергу аналітично описуються функцією швидкості V
втомної тріщини, яку можна представити [3, 4, 6, 7, 37, 85, 86] в такому
вигляді
Тут l – біжуча довжина тріщини; N – кількість циклів навантаження; g -
параметр, який характеризує механічну ситуацію в зоні передруйнування біля
вершини тріщини і може бути рівний; коефіцієнту інтенсивності напружень КІ,
велечині розкриття у вершині тріщини d, або величині деформації e в зоні
передруйнування; СН – концентрація водню на поверхні вершини тріщини; m -
грам-еквівалентна вага металу; F – число Фарадея; pH – водневий показник
розчину електроліту біля поверхні вершини тріщини, Пі – електродний потенціал
на поверхні металу; іа – густина струму корозії на поверхні металу.
Таким чином для дослідження корозійно-втомного руйнування металічного тіла з
тріщиною насамперед необхідно визначити параметри електрохімічної корозії
металу в заданому розчині електроліту.
В дослідженні електрохімічної корозії металів в даному випадку стають три
основні задачі: 1) визначення локальних електричних полів в електроліті біля
різнопотенціальних ділянок поверхні металу; 2) оцінка швидкостей анодної
реакції(розчинення) і катодної реакції відновлення (наводнення металу); 3)
визначення кінетики приходу іонів водню із дальніх об’ємів електроліту до
катодних ділянок поверхні металу.
Перша задача розглядалася багатьма авторами (див. наприклад [87-89]). Але в цих
роботах недостатньо досліджені електричні поля для різних геометрій поверхні
металу (особливо для тріщин) і зміни з часом.
В другій задачі попередніми дослідженнями [90-92] недостатньо розглянуті
процеси наводнення металу в результаті водневої деполяризації катоду.
Особливо важливою задачею при оцінці довготривалої пошкодженості металу в
результаті електрохімічної корозії є визначення кінетики приходу іонів водню до
катодних ділянок поверхні металу (третя задача). Проте в літературі [7, 93-95]
недостатньо дослідженні процеси дифузії іонів дальнього і ближнього поля
електроліту, особливо у таких тонких об’ємах, як тріщина і не зроблені для
цього відповідні математичні моделі.
В даному розділі автором розроблена спроба дещо надолужити в цій недостатньо
дослідженій області електрохімічної корозії металів. Представлені тут
результати опубліковані в працях [96-98].
2.1. Деякі положення теорії електрохімічної корозії металів
Якщо в електроліт занурити металічний матеріал, то на його поверхні можуть
виникнути короткозамкнуті гальванічні елементи. При цьому ділянки з більш
електровід’ємним потенціалом стають анодами і розчиняються. Це пояснюється тим,
що існує різниця потенціалів між різними структурними складовими сплавів, або
домішками і основним металом. Окрім того, різниця в потенціалах інколи досить
значна, може бути наслідком різного стану окисної плівки, що є на поверхні
металу. При зануренні в електроліт, такі ділянки утворюють короткозамкнуті
гальванічні елементи (мікроелементи). Теорія процесів, які при цьому виникають
добре описана в літературі, наприклад [93, 94]. При зануренні металу в
електроліт між ними проходить взаємодія, яка викликає певну різницю потенціалів
на границі розділу метал-електроліт, Це пояснюється тим, що водні розчини
електроліту складаються із частинок, позитивно заряджених (катіонів) і від’ємно
заряджених (аніонів), які знаходяться в оболонці із води (гідратовані).
Молекули води складаються із позитивних зарядів (Н+) і від’ємних (ОН-),
розміщених в різних кінцях молекули. В свою чергу іони-атоми, що знаходяться на
поверхні металу притягуються диполями води і, якщо ці сили більші ніж сили
зв’язку між іонами і електронами в металі, деяка кількість іонів-атомів у
вигляді гідратованих іонів перейде у розчин. Ці іони, внаслідок
електростатичного притягання електронами металу, віддалитися від його поверхні
не можуть. Утворений подвійний шар складається із електронів металу і
гідратованих іонів розчину. Цей шар, що утворився на границі між металом і
електролітом, визначає величину електродного потенціалу даного металу.
Величина скачка потенціалу на поверхні металу при зануренні його в електроліт,
залежить не тільки від характеру подвійного шару, но і від процесів що
проходять на ньому. Потенціал, який виникає при зануренні металу в електроліт,
- Київ+380960830922