Bài giảng Vật liệu học - Chương 5: Ăn mòn vật liệu

Bài giảng Vật liệu học - Chương 5: Ăn mòn vật liệu cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm, phân loại dạng ăn mòn, ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hóa, phương pháp chống ăn mòn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương 5 Ăn mòn vật liệu

1 Khái niệm

• Ăn mòn vật liệu: do tác dụng hóa học-điện hóa học của VL

với môi trường

• Ăn mòn hóa học: phá hủy VL do tác dụng hóa học của VL với môi trường, tuân theo quy luật nhiệt động và động học phản ứng hóa học

• Ăn mòn điện hóa: phá hủy VL do tác dụng điện hóa học của

VL với môi trường chất điện giải, tuân theo quy luật nhiệt động điện hóa và động học các quá trình điện cực Thường xảy ra với KL, hợp kim, bán dẫn, oxyt dẫn điện

4/10/1992, El Al Flight 1862, Boeing 747, ốc gắn giữa động

cơ và cánh máy bay bị gãy do ăn mòn làm động cơ rớt khỏi cánh, máy bay đâm vào chung cư 11 tầng ở Amsterdam, Hà Lan

4 12-15-1967: cầu Point Pleasant Bridge nối giữa West

Virginia và Ohio bị sập do ăn mòn dưới tác động ứng suất

1/8/2007, cầu 35W St Anthony Bridge bắc qua sông Mississippi bị sập do ăn mòn các khớp nối

6

16/4/2001, nổ nhà máy lọc dầu Humber Estuary (Anh) do một đường ống dẫn gas bị ăn mòn

8

• Chi phí chống ăn mòn:

 Chi phí trực tiếp: thay thế thiết bị, chi tiết bị ăn mòn

 Chi phí gián tiếp: sửa chửa, thiệt hại do ngưng sản xuất

Ví dụ: Chi phí để thay thế sửa chửa một thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy, mất mát do ngưng sản xuất

 Chi phí để bảo vệ: dùng vật liệu chịu ăn mòn thì đầu tư cao hơn, chi phí tạo các lớp phủ bảo vệ, chi phí bảo vệ điện hóa

 Chi phí phòng ngừa: phải dùng vật liệu có kích thước lớn hơn, chi phí kiểm tra, bảo dưỡng

• Các dạng ăn mòn và phá hủy vật liệu phi kim

 Ăn mòn và phá hủy vật liệu polymer: do đứt liên kết giữa các phân tử trong polymer Các liên kết này là liên kết cộng hóa trị, năng lượng liên kết nhỏ nên rất dễ bị phá hủy dưới các tác động hóa học và vật lý như nhiệt, chùm tia năng lượng cao

 Ăn mòn vật liệu gốm

Ví dụ: thủy tinh silicat rất kém bền trong môi

trường kiềm do có phản ứng thủy phân làm đứt các

liên kết trong phân tử và phá hủy bề mặt

10

Các vật liệu xây dựng (bêtông, xi măng, gạch …) thường bị ăn mòn theo cơ chế hòa tan cacbonat

 Trong bầu khí quyển ô nhiễm công nghiệp, khi có mặt

của nước, SO2 sẽ tạo thành H2SO4 Axít này sẽ tác dụng với cacbonat canxi CaCO3 trong vật liệu để tạo thành thạch cao (CaSO4.2H2O) Do thạch cao có thể tích lớn hơn

cacbonat canxi, khi tạo thành sẽ làm trương phồng bề mặt, gây nứt và bong tróc bề mặt

 Các vết nứt sẽ cho phép nước và axít xâm nhập sâu vào trong vật liệu, gây đứt gãy các liên kết và phá hủy vật liệu

Phân loại các dạng ăn mòn

• Phân loại theo cơ chế ăn mòn

 Ăn mòn điện hóa

Là sự ăn mòn kim loại trong môi trường điện ly Xảy ra

do quá trình trao đổi điện tử giữa chất oxyhóa và chất khử

 Ăn mòn hóa học

Là sự ăn mòn trong môi trường khí, còn gọi là ăn mòn trong khí khô Xảy ra do phản ứng hóa học của kim loại với môi trường khí xung quanh có chứa các tác nhân gây ăn mòn như oxy, lưu huỳnh, clo…

Ví dụ kim loại khi nung ở nhiệt độ cao trong không khí sẽ

bị oxyhóa theo phản ứng:

2 Me + ½ O2  MeO

12

- Nhiệt độ cao - Không cần nhiệt độ cao

- Dung dịch chất điện ly

• Phân loại theo môi trường ăn mòn

 Ăn mòn trong khí quyển

 Ăn mòn trong môi trường nước ngọt

 Ăn mòn trong môi trường nước biển

 Ăn mòn trong môi trường đất

 Ăn mòn trong kim loại lỏng

14

• Phân loại theo phạm vi ăn mòn: Ăn mòn đều và ăn mòn cục bộ

Ăn mòn đều

- Xảy ra đồng nhất trên tất cả bề mặt của kim loại,

ở mức độ vĩ mô, không phân biệt được khu vực anôt, khu vực catôt Bề mặt của kim loại vừa là catôt vừa

là anôt

Ăn mòn cục bộ

- Xảy ra tại một nơi trên bề mặt, ở đó chỉ có phản ứng anôt

- Có thể phân biệt rõ ràng khu catốt, khu anốt

- Trong thực tế ăn mòn cục bộ là do tính dị thể của vật liệu hoặc của môi trường

• Cách phân loại ăn mòn khác:

+ Ăn mòn galvanic (galvanic corrosion) (vi pin):

- Ăn mòn giữa hai kim loại do tạo thành pin điện hóa giữa chúng

- Kim loại có thế âm hơn sẽ bị ăn mòn

+ Ăn mòn hốc (crevice corrosion):

- Do sự khác nhau về nồng độ oxy ở hai phần của một cấu trúc, tạo thành pin điện hóa giữa chúng

- Thường gặp trên các khe của kim loại hoặc trên các vùng mà oxy ít có khả năng thấm vào

+ Ăn mòn lỗ (pitting corrosion):

- Tạo nên bởi một vài anion (chủ yếu là Cl-) trên các kim loại

đã được bảo vệ bởi một lớp màng thụ động

- Thường tạo các lỗ hổng có đường kính khoảng vài chục m

16

+ Ăn mòn giữa các hạt (intergranular corrosion):

- Ăn mòn có chọn lọc trên biên giới hạt

- Có liên quan đến các pha bị kết tinh trong quá trình xử lý nhiệt

+ Ăn mòn chọn lọc (selective corrosion):

- Ăn mòn do oxyt hóa một cấu tử của hợp kim tạo thành một cấu trúc kim loại xốp

+ Ăn mòn xói mòn (erosion corrosion):

- Do tác động kết hợp giữa một phản ứng điện hóa và bào mòn cơ học

- Dạng này thường xảy ra khi các kim loại đặt trong dòng chất lỏng chảy nhanh

+ Ăn mòn dưới ứng suất (stress corrosion cracking):

- là sự kết hợp giữa một ứng suất cơ học và một phản ứng điện hóa tạo nên các vết nứt trên kim loại

18

Crevice corrosion Pitting corrosion

Selective corrosion Intergranular corrosion

20

2 Ăn mòn hóa học

22

24

26 Xét màng oxyt kim loại: có thể xốp hay sít chặt

28

30

3 Ăn mòn điện hóa

Hai lý thuyết cơ bản

a) Ăn mòn điện hóa giống như pin ngắn mạch:

• Các anode (điện thế âm hơn), cathode (điện thế dương hơn) nằm sát nhau

• Xây dựng biểu đồ: EA=f(I), EC=f(I)



C

32

34

36

38

b) Lý thuyết về điện thế hỗn hợp

4 Phương pháp chống ăn mòn

• Chuyển điện thế ăn mòn về phía âm hơn

40

42

• Chuyển điện thế ăn mòn về phía dương hơn

44

• Sử dụng chất ức chế ăn mòn

46

 Ăn mòn bê tông cốt thép