Instytut Inżynierii Materiałowej
Politechnika A
ódzka
Wykład z przedmiotu:
Nauka o materiałach
Temat wykładu:
Korozja, tarcie, umocnienie
ProwadzÄ…cy:
Dr inż. Bożena Pietrzyk
1
Korozja
Korozja jest to proces niszczenia materiałów w wyniku reakcji
chemicznych i elektrochemicznych zachodzÄ…cych podczas
zetknięcia się materiału z otaczającym je środowiskiem gazowym
lub ciekłym. Proces zaczyna się na powierzchni.
Rozpoczęty proces korozji, o ile nie ulegnie zahamowaniu,
prowadzi do całkowitego zniszczenia detalu.
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Ze względu na przyczyny zjawiska rozróżnia się dwa rodzaje korozji:
chemicznÄ… (utlenianie) elektrochemicznÄ…
Odporność na korozję materiałów zależy głównie od:
1. Rodzaju materiału - składu chemicznego.
2. Struktury
3. Stanu powierzchni
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Korozja chemiczna metali - utlenianie - tworzenie tlenków
Szybkość utleniania zależna jest od szybkości dyfuzji jonów tlenu lub metalu przez
powstającą warstwę tlenku, jej przewodnictwa elektrycznego i szczelności.
Tlenki o właściwościach ochronnych: Cr2O3, Al2O3, SiO2, TiO2
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Korozja elektrochemiczna
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 (w środowisku wilgotnym)
zachodzi znacznie szybciej niż utlenianie w suchych gazach
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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
elektrochemicznÄ….
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 Inżynierii Materiałowej PA

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem działania lokalnych ogniw
galwanicznych tworzÄ…cych siÄ™ 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 Inżynierii Materiałowej PA

Ze względu na skutki zniszczenia
rozróżnia się korozję:
" równomierną
" międzykrystaliczną
" lokalnÄ…:
" wżerową
" naprężeniową
" selektywnÄ…
" kontaktowÄ…
Korozja równomierna Korozja międzykrystaliczna
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Korozja lokalna:
Korozja wżerowa
zachodzi na skutek
istnienia w metalu
F F
naprężeń o kierunku
Korozja naprężeniowa
rozciÄ…gajÄ…cym oraz
ośrodka aktywnego.
Korozja selektywna
Korozja kontaktowa zachodzi w miejscu styku różnych stopów
metali np. stali ze stopem miedzi, dzięki czemu powstają lokalne
ogniwa prowadzÄ…ce do znacznego ubytku metalu.
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Ochrona przed korozjÄ…
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 (opóz
niaczy). Są to substancje, które dodane do środowiska
agresywnego, zmniejszają wybitnie szybkość procesów korozyjnych.
3. Stosowanie ochrony katodowej i protektorowej
4. Stosowanie powłok ochronnych
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

" ochrona katodowa (zewnętrznym z
ródłem
prądu) - polega na utrzymywaniu takiej różnicy
potencjałów, aby chroniony metal był zawsze
katodÄ….
" ochrona protektorowa - jest odmianÄ… ochrony
katodowej przy użyciu zewnętrznej elektrody o
dostatecznie niskim potencjale w szeregu
elektrochemicznym
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Właściwości mechaniczne materiałów
" moduł sprężystości,
" granica plastyczności,
" wytrzymałość,
Zjawiska występujące w materiałach w
" twardość,
trakcie eksploatacji
" nagłe pękanie
" odporność na pękanie,
" zmęczenie materiału
" wytrzymałość zmęczeniowa,
" pełzanie
" odporność na pełzanie
" utlenianie i korozja
" tarcie i zużycie trybologiczne
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Tarcie i zużycie trybologiczne
F = µ P
µ
µ
µ
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
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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
" Ścinanie nierówności
" Ścinanie nierówności ścierniwem
" Odkształcenie plastyczne materiału
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Główne rodzaje zużycia trybologicznego
Zużycie ścierne:
W obszarach tarcia występują cząstki ścierniwa (utwierdzone lub luz
ne)
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 zmęczeniowe
Występuje na skutek oddziaływania cyklicznych naprężeń kontaktowych w
warstwie wierzchniej.
Zmęczenie materiału w warstwie wierzchniej powoduje miejscowe ubytki materiału
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Tarcie suche
Tarcie graniczne
Tarcie mieszane
Tarcie płynne
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Kontrola nad procesami tarcia:
- dobór systemów smarowania i środków smarnych
-dobór odpowiednich materiałów współpracujących
- stosowanie powłok niskotarciowych
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Umocnienie metali
Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje
podwyższone własności obniżone własności plastyczne:
wytrzymałościowe:
" wydłużenie (A) ,
" granica plastyczności ( Re ),
" przewężenie i udarność (Z , KCU) ,
" wytrzymałość i twardość ( Rm , HB )
Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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 Inżynierii Materiałowej PA

Umocnienie wynikające z wielkości ziarna
Wpływ wielkości ziarna na wartość granicy plastyczności:
K
R = A +
e
d
Gdzie: Re  granica plastyczności
d  wielkość ziarna
A, K  stałe materiałowe
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.
Wielkość ziarna można regulować w
procesach odlewania, przeróbki
plastycznej i obróbki cieplnej metali
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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 Inżynierii Materiałowej PA

Umacnianie wydzieleniowe i dyspersyjne (czÄ…stkami)
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Umocnienie odkształceniowe (umocnienie zgniotem)
polega na wzajemnym blokowaniu się dyslokacji poruszających się w różnych
płaszczyznach poślizgu.
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

HB
KCU
Ã
75%
140
22
50%
KCU
18
120
HB
25%
100
Rm, Re, A, Z
Z
0%
80
80
60
60
Rm
40
40
A
20
Re
0 20 40 60 80 100 %
odkształcenie
Zmiana własności czystego Fe
Krzywe rozciągania dla próbek
w zależności od stopnia zgniotu
o różnym stopniu zgniotu
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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 .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA