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

1 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. • Tác hại do ăn mòn:  Phá hủy VL, tiêu tốn VL, ô nhiễm môi trường, tai nạn, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2 • Tác hại:  Ở Mỹ: thiệt hại do ăn mòn KL là 350 tỷ USD/năm, chiếm 4.25% GNP (Gross National Product).  Trên thế giới: tổn thất do ăn mòn chiếm trên 4.5% GDP (Gross Domestic Product) 28/4/1988, Boeing 737, Aloha airlines, 1 phần nóc bị mất ở độ cao 24000 feet, do mỏi và ăn mòn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4 12-15-1967: cầu Point Pleasant Bridge nối giữa West Virginia và Ohio bị sập do ăn mòn dưới tác động ứng suất CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 5 1/8/2007, cầu 35W St. Anthony Bridge bắc qua sông Mississippi bị sập do ăn mòn các khớp nối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7 16/4/2001, nổ nhà máy lọc dầu Humber Estuary (Anh) do một đường ống dẫn gas bị ăn mòn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 9 • 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 11 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 12 - Nhiệt độ cao - Không cần nhiệt độ cao - Dung dịch chất điện ly CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13 • 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 trƣờng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 15 • 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 19 Crevice corrosion Pitting corrosion Selective corrosion Intergranular corrosion Erosion corrosion Stress corrosion cracking CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 20 2. Ăn mòn hóa học CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 26 Xét màng oxyt kim loại: có thể xốp hay sít chặt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 28 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 31 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) A C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 34 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 35 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 36 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 37 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 38 b) Lý thuyết về điện thế hỗn hợp 4. Phương pháp chống ăn mòn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 39 • Chuyển điện thế ăn mòn về phía âm hơn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 40 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 41 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 42 • Chuyển điện thế ăn mòn về phía dương hơn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 44 • Sử dụng chất ức chế ăn mòn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 45 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 46 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 47  Ăn mòn bê tông cốt thép CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt