Строение, физико-химические и коррозионные свойства металлов и металлических материалов

Металлы и их сплавы относятся к кристаллическим веществам. Они обладают трехмерной периодически повторяющейся атомной структурой в виде металлической кристаллической решетки. В ее узлах находятся атомы и катионы металла, которые постоянно обмениваются друг с другом электронами: М⁰ – ne ↔ M⁺ⁿ. В кристаллах металлов происходит трехмерная делокализация электронов, т.е. они свободно движутся в межатомном пространстве, образуя так называемый «электронный газ». За счет их притяжения к атомам и ионам металла осуществляется металлический тип связи:

В металлической связи свободные электроны способны свободно перемещаться по кристаллу и переносить энергию из одной его части в другую. Это обеспечивает высокую электро- и теплопроводность металлов. Металлическая связь ненасышена и ненаправлена. Вследствие этого многие металлы могут менять свою форму без потери прочности, т.е. имеют свойства ковкости и тягучести, а также способны, в отличие от неметаллов, образовывать сплавы.

Металлические свойства элементов количественно характеризуются энергией ионизации (Е_ион). Это энергия, которую нужно сообщить атому для его превращения в положительно заряженный ион путем отрыва от него одного или нескольких электронов, например Zn⁰ – 2e ® Zn²⁺. Металлические свойства атомов тем больше, чем меньше Е_ион, т.е. чем легче оторвать от атома электрон. Поэтому чем выше металличность атома, тем ниже его относительная электроотрицательность, т.е. способность частицы притягивать электроны. У всех металлов относительная электроотрицательность (О.Э.О.) ниже, чем у всех неметаллов, поэтому в реакциях с неметаллами атомы металлов могут только отдавать им электроны, т.е. могут проявлять только восстановительные свойства. Атомы металлов окислителями быть не могут, поэтому наименьшая степень окисления металлов равна нулю. Катионы металлов образуются в результате отдачи электронов атомами и способны обратно присоединять эти отданные электроны. Поэтому катионы металлов могут проявлять окислительные свойства, а если они находятся в промежуточной степени окисления – то и восстановительные свойства.

Атомы металлов способны участвовать в разнообразных окислительно-восстановительных реакциях (ОВР), причем только в роли восстановителей. Основные типы окислителей, которые могут взаимодействовать с металлами:

1. Неметаллы.

2. Вода.

3. Соли в виде водных растворов.

4. Кислоты.

5. Водные растворы щелочей.

Все эти окислители могут разрушать металлы как в условиях природной коррозии, так и в различных технологических средах.

1.2.1 Технические и коррозионные характеристики железа и его сплавов

Наиболее распространенными конструкционными материалами являются чугуны и стали, получаемые на основе железа.

Железо существует в двух аллотропических формах: a-форма (феррит, имеет магнитные свойства) и g-форма (аустенит, немагнитен). Железо, также как хром и марганец, относят к черным металлам, в природе находится в окисленной форме в составе горных руд.

Другую группу составляют цветные металлы (называются так потому, что имеют различную окраску (например, медь светло-красная; никель, олово, серебро – белые; свинец – голубовато-белый; золото – желтое). Из сплавов цветных металлов нашли большое применение: бронза (сплав меди с оловом и другими металлами), латунь (сплав меди с цинком), баббит (сплав олова с сурьмой и медью) и пр.

Выделяют еще группу благородных металлов: Ag, Au, Pt, Ru, Os, Pd и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей

При коррозионном окислении железа, как правило, образуется катион Fe²⁺. В нейтральных средах образуется его гидроксид Fe(ОН)₂, который очень незначительно растворим в воде.

Кислород не только присутствует в атмосфере в значительном количестве, но и хорошо растворим в воде и других растворителях. Поэтому он практически всегда имеется в окружающей среде, и при его наличии идет окисление гидроксида Fe(II) по следующей реакции:

4Fe(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(ОН)_3.

Образующийся гидроксид Fe(ОН)₃ уже практически нерастворим в воде.

В большинстве сред, за исключением растворов минеральных кислот, конечным продуктом коррозии железа является ржавчина. Это вещество светло-коричневого цвета, нерастворимо в воде и имеет переменный состав общей формулы kFe(ОН)₂ ^.  nFe(ОН)₃ ^. mН₂О.

Упрощенно формулу ржавчины представляют в виде гидратированного оксида железа Fе₂O₃·H₂О, или Fe(O)OH. Ржавчина образуется в растворе в непосредственной близости от корродирующей поверхности и покрывает металл рыхлым слоем. Адгезионное сцепление между ржавчиной и металлом незначительно, доступ среды к поверхности металла остается свободным, поэтому ржавчина плохо защищает железо от коррозии.

Практически все конструкционные материалы на основе железа в тех или иных количествах содержат углерод, который находится в сплавах в основном в виде карбида железа, или цементита Fe₃C. Сплавы состава «Fe – Fe₃C» делятся на стали и чугуны в зависимости от содержания углерода. В сталях <2,3 % C, в чугунах >2,3 % C. Коррозионные свойства сталей от содержания углерода зависят незначительно. В процессе изготовления чугуна происходят переохлаждения, которые приводят к образованию в его составе графита. Существуют чугуны, в которых углерод находится в основном в виде графита.

Кроме углерода, в состав сталей входят многие другие химические элементы (примесные), которые попадают в них из руды, или их специально вводят в качестве так называемых легирующих добавок (см. ниже) для придания стали определенных свойств. Основную долю оборудования и металлоконструкций изготавливают из углеродистых, или низколегированных сталей, содержащих до 3-5 % легирующих добавок.

Коррозии железа весьма способствует наличие в нем соединений серы, в первую очередь сульфидов FeS, и др. В процессе коррозии сульфиды железа разлагаются с выделением сероводорода H₂S, который катализирует этот процесс.