Chương 9: Độ bền hóa của vật liệu

LOGO 1 2Ø Vật liệu làm việc lâu ngày trong môi trường sẽ bị ăn mòn (corrosion), bào mòn (erosion) hay suy thoái (degradation). ü Sự ăn mòn là do tác dụng hóa học – điện hóa của vật liệu với môi trường. Sự bào mòn là do tác dụng cơ học là chủ yếu. 3ü Chi phí cho việc thay thế các vật liệu đã bị ăn mòn và những thiết bị xuống cấp do ăn mòn gây ra. ü Chi phí cho việc sửa chữa số lượng sản phẩm giảm chất lượng trong quá trình sản xuất hoặc bị mất mát do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra. ü Chi phí cho các biện pháp để phòng ngừa, các biện pháp để bảo vệ chống hiện tượng ăn mòn. Ø Tiêu tốn khoảng 4 – 5% tổng thu nhập quốc gia. 4Ø Tốc độ ăn mòn (corrosion penetration rate) được tính: ü CPR (mm/năm): tốc độ ăn mòn ü W (mg): khối lượng mất sau thời gian ăn mòn t (h) ü ρ (g/cm3): khối lượng riêng của vật liệu bị ăn mòn ü A (cm2): diện tích bị ăn mòn ü K = 87,6 khi CPR có đơn vị là (mm/năm) 5Tốc độ ăn mòn điện hóa r trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt là: r: tốc độ ăn mòn điện hóa (mol/m2.s) i: mật độ dòng (A/m2) n: số electron trao đổi F: hằng số Faraday (96.500 C/mol) Cho hầu hết trường hợp CPR < 0,50 mm/năm là chấp nhận được. 6Ăn mòn kim loại là hiện tượng kim loại bị oxy hóa bởi môi trường. Theo cơ chế, có 2 loại ăn mòn: ü Ăn mòn hóa học: Quá trình ăn mòn tuân theo qui luật động học của phản ứng dị thể, không kèm theo sự xuất hiện của dòng điện. Ví dụ: ăn mòn do các khí khô: O2, H2S, SO2, …; hoặc các chất lỏng không điện ly: xăng, nhựa,..; các khí ở nhiệt độ cao. ü Ăn mòn điện hóa: Quá trình ăn mòn tuân theo qui luật động học điện hóa và kèm theo sự hình thành các pin tế vi. Ví dụ: ăn mòn khi có mặt chất điện ly như trong không khí ẩm, nước biển, dưới mặt đất,… 7Nghiên cứu quá trình oxy hóa kim loại trong không khí 8ü Quy luật parabol: khi lớp oxit tạo ra có cấu trúc không mao quản và phủ kín bề mặt. ü Quy luật đường thẳng: lớp oxit có cấu trúc mao quản. ü Hàm logarit: lớp oxit tạo thành rất mỏng (< 100 nm) và ở nhiệt độ thấp. 9Ø Lớp oxit mỏng tạo ra là chất dẫn electron kém và dẫn ion rất chậm, hạn chế tốc độ ăn mòn vật liệuà sự thụ động (passivity) Ví dụ: nhôm bị thụ động trong môi trường, hợp kim chống gỉ Fe-Cr (> 12% Cr). 10 Cơ chế của quá trình ăn mòn điện hóa: Ở anod (cực - của pin): M – ne → Mn+ Ở catod (cực + của pin): 1/2 O2 + H2O + 2e → 2OH- Nếu môi trường acid: 2H+ + 2e → H2 Ví dụ: Sự ăn mòn của thép (-) Fe êO2 êH2O, Fe3C (+) Quá trình anod: Fe – 2e → Fe2+ Quá trình catod: 1/2O2 + H2O + 2e → 2OH- 11 12 Ø Một số dạng ăn mòn khác: ü Ăn mòn chọn lọc ü Ăn mòn ranh giới ü Ăn mòn nứt do ứng suất ü Ăn mòn mỏi ü Ăn mòn mài mòn ü Ăn mòn do ma sát Ø Ăn mòn đều Ø Ăn mòn cục bộ ü Ăn mòn tiếp xúc ü Ăn mòn khe ü Ăn mòn tại vùng mớn nước ü Ăn mòn do lắng đọng ü Ăn mòn lỗ (ăn mòn điểm) 13 Ø Ăn mòn đều (uniform corrosion): rất phổ biến, tốc độ ăn mòn ở mọi chỗ trên bề mặt gần bằng nhau. Ví dụ: đặt thép trong môi trường acid, sự gỉ sét Ngăn ngừa: v Sơn v Mạ v Anode hy sinh 14 Ăn mòn điện hóa (Galvanic Corrosion) hay ăn mòn tiếp xúc xuất hiện khi thỏa mãn các điều kiện sau: ü 2 kim loại khác nhau tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau ü Môi trường chất điện giải ü Có xuất hiện dòng điện Ngăn ngừa: ü Chọn 2 kim loại có thế oxi hóa – khử gần nhau ü Có tỉ lệ anode/cathode lớn ü Cách ly hay kim loại khác nhau ü Sử dụng cathode bảo vệ 15 5th Century sword Thép không gỉ trong môi trường acid HCl Ø Ăn mòn lỗ (pitting corrosion) hay ăn mòn điểm là một dạng ăn mòn cục bộ tạo ra các lỗ có kích thước nhỏ, độ sâu của lỗ có thể lớn hơn đường kính của nó. ü Dạng ăn mòn này xảy ra trên các kim loại, hợp kim có màng thụ động (Al, Ni, Ti, Zn, thép không gỉ) hoặc có các lớp phủ bảo vệ bị xuyên thủng. 16 Ăn mòn khe (crevice corrosion): tại những khe hẹp giữa các mặt bích có lớp đệm của các chỗ nối hai ống kim loại, hoặc dưới các vật đệm đã tán ốc hoặc có ốc xiết có thể sinh ra ăn mòn cục bộ vì trong các khe đó nồng độ oxi của không khí nghèo hơn ở phía ngoài. 17 Ăn mòn mài mòn (erosion-corrosion) là sự kết hợp của tác động hóa học và cơ học. Ví dụ: đường ống dẫn nước, cánh quạt của bơm 18 Dùng lớp phủ bảo vệ: - Phủ bằng chất hữu cơ: sơn - Phủ kim loại hoặc hợp kim bền vững: sắt tráng kẽm (tôn), sắt mạ kền, mạ crom,… - Phủ bằng màng oxyt bền, cách ly kim loại với môi trường: ví dụ dùng màng Al2O3 Xử lý môi trường: - Giảm chất khử cực, O2: đun nóng, thổi khí,… - Thêm vào các chất ức chế để làm giảm quá trình ăn mòn Dùng dòng điện ngoài: - Phương pháp bảo vệ catod - Phương pháp bảo vệ anod 19 20 21 ü Thường thì vật liệu gốm sứ bị thụ động trong tất cả môi trường ở nhiệt độ phòng. ü Ăn mòn vật liệu gốm thường liên quan tới ăn mòn hóa học, không liên quan đến ăn mòn điện hóa. ü Vật liệu gốm sứ thường được sử dụng bởi vì khả năng chống ăn mòn. 22 Sự thoái hóa (degradation) làm cho polymer bị biến dạng và phân hủy do bị cắt đứt liên kết dưới các tác nhân như: bức xạ, phản ứng hóa học, nhiệt (nóng quá hoặc lạnh quá), thời tiết,… 23 ü Do tác động của vật lý và cơ học làm suy thoái gỗ ü Do tiếp xúc với nước hoặc thấm ướt ü Do sinh vật như nấm, vi khuẩn hoặc côn trùng 24