Instytut In

ż

ynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka

Temat wykładu:

Nauka o materiałach

Prowadz

ą

cy:

Wykład z przedmiotu:

Korozja, tarcie, umocnienie

Dr in

ż

. Bo

ż

ena Pietrzyk

1

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Korozja jest to proces niszczenia materiałów w wyniku reakcji
chemicznych i elektrochemicznych zachodzących podczas
zetknięcia się materiału z otaczającym je środowiskiem gazowym
lub ciekłym. Proces zaczyna się na powierzchni.

Korozja

Rozpoczęty proces korozji, o ile nie ulegnie zahamowaniu,
prowadzi do całkowitego zniszczenia detalu.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Ze względu na przyczyny zjawiska rozróżnia się dwa rodzaje korozji:

chemiczną (utlenianie)

elektrochemiczną

Odporność na korozję materiałów zależy głównie od:
1. Rodzaju materiału - składu chemicznego.
2. Struktury
3. Stanu powierzchni

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Szybkość utleniania zależna jest od szybkości dyfuzji jonów tlenu lub metalu przez

powstającą warstwę tlenku, jej przewodnictwa elektrycznego i szczelności.

Tlenki o właściwościach ochronnych: Cr

2

O

3

, Al

2

O

3

, SiO

2

, TiO

2

Korozja chemiczna metali - utlenianie - tworzenie tlenków

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Korozja elektrochemiczna zachodzi w cieczach, zwykle w roztworach wodnych,
na skutek przepływu prądu elektrycznego, z jednej części metalu do drugiej, za
pośrednictwem elektrolitu. Przykładem jej może być rozpuszczanie metali w
kwasach.

Korozja elektrochemiczna

Korozja elektrochemiczna (w środowisku wilgotnym)
zachodzi znacznie szybciej niż utlenianie w suchych gazach

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Szereg elektrochemiczny metali:

Na< Mg< Al< Zn< Fe< Cd< Co< Ni< Pb

< H<

Cu< Hg< Ag< Au

ujemne potencjały normalne

dodatnie potencjały normalne

metale “nieszlachetne”

metale “szlachetne”

Każdy metal tego szeregu wypiera następne metale z roztworu ich soli.

Im bardziej ujemna jest wartość potencjału normalnego metalu tym większą posiada on
tendencję do przechodzenia do roztworu, czyli mniejszą odporność na korozję
elektrochemiczną.

Przez pasywację rozumiemy zwiększenie odporności metalu na korozję przez utworzenie
na jego powierzchni szczelnej i silnie przylegającej ochronnej warstewki tlenków, która
chroni metal przed oddziaływaniem otaczającego środowiska.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem działania lokalnych ogniw
galwanicznych tworzących się na powierzchni metalu.

Lokalne ogniwa korozyjne można podzielić na:
• ogniwa powstałe wskutek zetknięcia dwóch różnych metali
• ogniwa powstałe w wyniku zetknięcia metalu z wtrąceniami niemetalicznymi
• ogniwa wytworzone wskutek częściowej pasywacji metalu, tj. częściowego
pokrycia go tlenkami
• ogniwa powstałe w rezultacie naprężeń mechanicznych, występujących w
metalu
• ogniwa stężeniowe tworzące się wówczas, gdy kawałek metalu styka się z
roztworami o różnych stężeniach soli lub tlenu.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Ze względu na skutki zniszczenia
rozróżnia się korozję:

• równomierną
• międzykrystaliczną
• lokalną:

• wżerową
• naprężeniową
• selektywną
• kontaktową

Korozja równomierna

Korozja międzykrystaliczna

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Korozja wżerowa

Korozja naprężeniowa

Korozja selektywna

zachodzi na skutek
istnienia w metalu
naprężeń o kierunku
rozciągającym oraz
ośrodka aktywnego.

F

F

Korozja lokalna:

Korozja kontaktowa zachodzi w miejscu styku różnych stopów
metali np. stali ze stopem miedzi, dzięki czemu powstają lokalne
ogniwa prowadzące do znacznego ubytku metalu.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Ochrona przed korozją

Istnieje kilka sposobów ochrony przed korozją:

1. Dobór odpowiedniego metalu lub stopu.

2. Osłabienie agresywności środowiska.
Sposób ten można stosować, gdy ilość ośrodka atakującego jest ograniczona.

•

przez usuwanie tlenu z elektrolitów o odczynie obojętnym np. odpowietrzanie

wody kotłowej

•

stosowanie inhibitorów (opóźniaczy). Są to substancje, które dodane do środowiska

agresywnego, zmniejszają wybitnie szybkość procesów korozyjnych.

3. Stosowanie ochrony katodowej i protektorowej

4. Stosowanie powłok ochronnych

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

• ochrona katodowa (zewnętrznym źródłem

prądu) - polega na utrzymywaniu takiej różnicy

potencjałów, aby chroniony metal był zawsze

katodą.

• ochrona protektorowa - jest odmianą ochrony
katodowej przy użyciu zewnętrznej elektrody o
dostatecznie niskim potencjale w szeregu
elektrochemicznym

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Właściwości mechaniczne materiałów

•

moduł sprężystości,

•

granica plastyczności,

•

wytrzymałość,

•

twardość,

•

odporność na pękanie,

•

wytrzymałość zmęczeniowa,

•

odporność na pełzanie

Zjawiska występujące w materiałach w

trakcie eksploatacji

• nagłe pękanie

• zmęczenie materiału

• pełzanie

• utlenianie i korozja

•tarcie i zużycie trybologiczne

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Wartości współczynników tarcia:
Idealnie czyste metale w próżni

>5

Czyste metale w powietrzu

0,5 - 2

Stal - stopy łożyskowe

0,1 – 0,5

Stal – ceramika

0,1 – 0,5

Metale i ceramika po polimerach

0,04 – 0,5

Smarowanie graniczne metali

0,05 – 0,2

Smarowanie hydrodynamiczne

0,001 – 0,005

Tarcie i zużycie trybologiczne

F =

µµµµ

P

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Zużycie ścierne spowodowane jest procesami tarcia.

Intensywność tego zużycia zależy od odporności obszarów tarcia
warstw wierzchnich i od rodzaju oddziaływania

Elementarne procesy występujące podczas tarcia:
•

Bruzdowanie

•

Ś

cinanie nierówności

•

Ś

cinanie nierówności ścierniwem

•

Odkształcenie plastyczne materiału

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Zużycie zmęczeniowe
Występuje na skutek oddziaływania cyklicznych naprężeń kontaktowych w
warstwie wierzchniej.
Zmęczenie materiału w warstwie wierzchniej powoduje miejscowe ubytki materiału

Zużycie adhezyjne
Polega na lokalnym sczepianiu się powierzchni trących, na wierzchołkach
nierówności powierzchni i następnym ich rozrywaniu.
Występuje dla materiałów o dużym powinowactwie chemicznym.
Warstwa tlenków na powierzchni zmniejsza oddziaływanie adhezyjne

Zużycie ścierne:
W obszarach tarcia występują cząstki ścierniwa (utwierdzone lub luźne)

Główne rodzaje zużycia trybologicznego

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Tarcie suche

Tarcie graniczne

Tarcie mieszane

Tarcie płynne

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Kontrola nad procesami tarcia:

- dobór systemów smarowania i środków smarnych

-dobór odpowiednich materiałów współpracujących

- stosowanie powłok niskotarciowych

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne .

Umocnienie metali

podwyższone własności
wytrzymałościowe:

• granica plastyczności ( R

e

),

• wytrzymałość i twardość ( R

m

, HB )

Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje

obniżone własności plastyczne:

• wydłużenie (A) ,

• przewężenie i udarność (Z , KCU) ,

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Umocnienie jest wynikiem malejącej wraz z odkształceniem
zdolności przemieszczania się dyslokacji na skutek hamowania ich
i blokowania przez inne dyslokacje oraz inne przeszkody takie,
jak: obce atomy, granice ziarn itp.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

d

K

A

R

e

+

=

Wpływ wielkości ziarna na wartość granicy plastyczności:

Gdzie:

R

e

– granica plastyczności

d – wielkość ziarna
A, K – stałe materiałowe

Wielkość ziarna można regulować w
procesach odlewania, przeróbki
plastycznej i obróbki cieplnej metali

Umacniający wpływ granic ziaren jest bardzo silny w metalach o sieci A3
(z jedną płaszczyzną łatwego poślizgu). W strukturach regularnych wpływ
ten jest znacznie słabszy ze względu na większą ilość płaszczyzn poślizgu
dyslokacji.

Umocnienie wynikające z wielkości ziarna

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Umocnienie roztworowe

polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej obcych atomów o średnicach różnych
od atomów rodzimych sieci .
Naprężenia wprowadzane w ten sposób do sieci powodują dodatkowy opór ruchu
dyslokacji.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Umacnianie wydzieleniowe i dyspersyjne (cząstkami)

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Umocnienie odkształceniowe (umocnienie zgniotem)

polega na wzajemnym blokowaniu się dyslokacji poruszających się w różnych
płaszczyznach poślizgu.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

75%

50%

25%

0%

σ

odkształcenie

KCU

HB

120

80

40

60

100

140

18

22

80

40

60

20

20

40

60

80

100 %

0

R

m

, R

e

, A, Z

KCU

HB

Z

R

m

R

e

A

Krzywe rozciągania dla próbek
o różnym stopniu zgniotu

Zmiana własności czystego Fe
w zależności od stopnia zgniotu

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Umocnienie metali

Do najważniejszych rodzajów zabiegów umocnienia materiałów metalicznych
należą :

• umacnianie czynnikami metalurgicznymi:

(skład roztworu stałego, wielkość ziarna) związane z procesami

metalurgicznymi lub odlewniczymi, a głównie z odtlenianiem i modyfikacją,

• umacnianie obróbką cieplną, związane z zabiegami
ulepszania cieplnego (hartowania i odpuszczania),
lub utwardzania dyspersyjnego ( przesycania i starzenia )

• umacnianie obróbką plastyczną na zimno na skutek zgniotu .