Материаловедение в промышленном дизайне краткий курс художественног
..pdf-1ем выше дисперсность, тем больше общая поверхность этих частиц. Тасие системы бывают высокодисперсными (коллоидальными) и грубодисзерсными (суспензиями).
Коллоидальные системы с частицами размером от 1(Г до 10” см иикрогетерогенны (микронеоднородны). Для них характерно броуновское движение - беспорядочное движение взвешенных в жидкости мельчайших частиц под влиянием ударов молекул окружающей среды (жидкости). Ти пичные коллоидальные системы - золи и гели.
Золи - коллоидальные растворы. Это жидкие системы с дисперсными частицами (мицеллами), свободно и независимо друг от друга переме щающиеся в процессе броуновского движения. Золи с водной дисперсион ной средой называются гидрозлями, с органической средой - органозо лями.
Гели - дисперсные системы, в которых частицы образуют пространст венную структуру (пространственную сетку). Гели обладают некоторыми признаками твердых тел - способностью сохранять форму, прочность, пла стичность. Типичные гели образуются, например, при слипании частиц зо лей и имеют вид студенистых тел. Высушиванием гелей получают хрупкие микропористые тела, называемые аэрогелями (например, селикогель, алю могель и др.).
Суспензии - грубодисперсные системы, состоящие из жидкой среды и твердых частиц, которые достаточно крупны, чтобы противостоять бро уновскому движению. В суспензиях частицы иногда могут сравнительно быстро выпадать в осадок или всплывать. Суспензии используются в про изводстве лаков, красок и др.
В виде дисперсионных систем (золей, гелей, суспензий) существует множество тел и веществ окружающего мира: ткани живых организмов, пищевые продукты, многие технические материалы и т.д. Акварельные й масляные краски, гуашь - это дисперсионные системы (суспензии).
Гомогенной (от греч. homogenes - однородный) система является то гда, когда химические состав и свойства во всех ее частях (объемах) оди наковы (или меняются непрерывно, без скачков). В такой системе отсутст вуют фазы. Например, растворы, в которых частицы растворенного веще ства равномерно распределены по объему раствора и не образуют с рас творителем границы раздела фаз, являются гомогенными.
Адгезионная способность как физико-химическое свойство, проявля ется в сопротивлении разделению контактирующих материалов. Адгезия (от лат. adhaesio - прилипание) - сцепление между находящимися в кон такте поверхностями разнородных по составу твердых (например, бумага) и жидких (например, клей) тел, обусловленное межатомными или межмо лекулярными силами притяжения. Адгезия имеет большое значение при пайке металлов, при склеивании материалов, при нанесении на них покры
соляной НС1 кислот), но они не стойки в растворах плавиковой кислоты HF. Примерами полного растворения могут служить растворение цинка Zn в соляной кислоте НС1 для получения хлористого цинка ZnCl2 , употреб ляемого в качестве флюса при пайке, или растворение серебра в азотной кислоте HNO3 при приготовлении азотнокислого серебра AgNC>3 и т.д.
Окисление - процесс соединения металлов с кислородом и образова ние на их поверхностях окислов. Большинство металлов и сплавов покры то с поверхности тончайшей оксидной пленкой, состоящей из одного или нескольких окислов. Скорость образования такой пленки у разных метал лов бывает различной. Например, магний, алюминий, титан окисляются практически мгновенно, бронза и латунь - значительно медленнее, а изде лия из золота и платины не окисляются совсем. Тонкая оксидная пленка, не увеличиваясь по толщине, бывает весьма прочной, плотной, эластичной, имеет хорошее сцепление с металлом и предохраняет его от дальнейшего окисления (например, у алюминия, титана, и т.д.). Однако имеют место случаи, когда на поверхности металла образуется рыхлая, непрочная плен ка, не предохраняющая металл от окисления (например, у магния).
Окисление металлов активизируется при их нагреве. Это происходит, например, при ковке и прокатке под действием печных газов, содержащих окисляющие реагенты (О2 , СО2 , пары воды). При окислении углеродистых сталей наблюдается поверхностное обезуглераживание и образование ока лины из-за окисления железа до FeO, РегОз, БезО^ При высоких темпера турах и при избытке воздуха на поверхности металла может образоваться достаточно толстая пленка окислов. Такая пленка создает трудности пайке и сварке. Окисление ведет к потерям металла тем большим, чем оно интен сивнее. Процесс окисления поддается регулированию и его можно исполь зовать для получения покрытий своеобразной фактуры и цвета (воронение
ИТ.П.).
Коррозия (от лат. corrodo - разъедаю) связывается с разрушением ма териалов. Коррозия - это сложный физико-химический процесс комплекс ного воздействия внешней среды на материал. Корродировать могут ме таллы и неметаллы. Коррозию железа, стали, чугуна называют ржавлени ем. Коррозия горных пород или бетона - это их растворение под влиянием химически активной воды, кислот, щелочей. Различают химическую и элек трохимическую коррозию.
Коррозионная стойкость - свойство материала сопротивляться раз рушению под воздействием внешней агрессивной среды (сопротивляться коррозии). Положительно заряженные ионы называются катионами (на пример, Си2+), а отрицательно заряженные - анионами (например, SO4 ). Таким образом, в водных растворах кислот, щелочей или солей происхо-
происходить процесс, похожий на процесс, протекающий в гальванической
ванне).
На коррозию оказывают влияние характер среды, в которой находится металл, и электрохимические свойства самого металла. Электрохимиче ский потенциал на металле возникает тотчас, как только он попадает в жидкую электропроводящую среду, которой может быть водный раствор солей, щелочей, кислот. Для оценки электрохимических свойств металла пользуются электродными потенциалами, последовательно расположен ными в ряду электрохимических напряжений (табл. 5) в котором эти на пряжения измерены относительно водорода, а его потенциал принят рав ным нулю.
Каждые два металла образуют пару, которая обладает электродви жущей стой. Поскольку эта сила равна разности электродных потенциа лов, то она тем больше, чем дальше в ряду электрохимических напряжений стоят друг от друга взятые металлы. Например, у пары «медь Си - железо Fe» разность потенциалов равна 0,34 - (-0,44) = 0,78, а у пары «железо Feцинк Zn» соответственно - 0,44 - (-0,76) = 0,32. Следовательно, кор розия в первом случае будет протекать интенсивнее, чем во втором, при мерно в два с лишним раза. Причем в первом случае разрушается железо Fe, а во втором случае цинк Zn. В паре «металл + металл» металл с более электроотрицательным потенциалом становится растворимым и на чинает корродировать. Выбор металлического покрытия гальваническим способом производится с учетом величин потенциалов металла-покрытия иосновного металла (табл. 5, 6 ).
Таблица 5
Электродные потенциалы металлов
Металлы |
Электродный |
Металлы |
Электродный |
Калий |
потенциал |
|
потенциал |
-2,98 |
Кобальт |
-0,27 |
|
Натрий |
-2,73 |
Никель |
-0,25 |
Магний |
-1,55 |
Олово |
-0,14 |
Алюминий |
-1,32 |
Свинец |
-0,13 |
Марганец |
- 1 , 1 0 |
Водород |
0 |
Цинк |
-0,76 |
Сурьма |
+0 , 2 0 |
Хром |
-0,51 |
Медь |
+0,34 |
Железо |
-0,44 |
Серебро |
+0,81 |
Кадмий |
-0,40 |
Ртуть |
+0 , 8 6 |
_ |
1 |
Золото |
+1,50 |
Равномерная коррозия протекает тогда, когда электродные потенциа лы зерен металла мало разнятся между собой или практически одинаковы.
Это характерно для металлов, на поверхности которых образуется ш пленка, затрудняющая развитие коррозии от поверхности внутрь MI (происходит пассивация поверхности).
Таб. Допустимые и недопустимые контакты между металлами
в жестких условиях эксплуатации
Ме |
|
Au |
Cr- |
|
Cu |
|
Sn, |
|
Cr- |
Уг. |
|
|
|
|
Ag |
Pt |
Ni- |
Cr |
и ее |
Ni |
Sn- |
Ti |
Cd |
A1 |
Zn |
||||
таллы |
CT. |
CT. |
||||||||||||
|
|
Pd |
CT. |
|
спл. |
|
Pb |
|
|
|
|
|
|
|
Ag |
# |
# |
# |
# |
# |
• |
Л |
# |
# |
+ + + + |
||||
Au, |
# |
# |
# |
# |
# |
|
|
# |
# |
+ + + + |
||||
Pt, Pd |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Cr- |
|
|
|
|
|
|
# |
|
|
|
• |
+ + |
||
Ni- |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
|
|||||
CT. |
# |
|
|
|
• |
|
• |
|
# |
+ |
+ + + |
|||
Cr |
# |
# |
# |
# |
# |
|||||||||
Cu |
# |
|
|
• |
|
|
|
|
|
-I- + + + |
||||
и ее |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
|
|||||||
|
|
|||||||||||||
спл. |
• |
• |
|
|
|
|
|
|
# |
+ |
+ + + |
|||
Ni |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
||||||||
Sn, |
|
|
# |
• |
|
# |
|
# |
|
+ |
• |
• |
t |
|
Sn- |
|
|
|
|
|
|||||||||
Pb |
|
|
|
|
|
+ + |
|
|
+ + + + |
|||||
Ti |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
# |
|||||||
Cr- |
# |
# |
|
# |
|
+ |
|
# |
# |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
CT. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Угл. |
+ + |
|
+ |
+ + |
|
+ + |
# |
• |
+ + |
|||||
CT. |
|
|
||||||||||||
+ |
+ + |
+ |
+ |
+ |
• |
+ |
+ |
• |
|
• • |
||||
Cd |
# |
|||||||||||||
A1 |
+ + + |
+ |
+ + + + + |
+ |
• |
# ■ |
||||||||
Zn |
+ + + |
+ |
+ + + + + |
+ |
• • |
# |
||||||||
Mg |
+ + |
+ |
+ |
+ + + + + |
4- + + • |
Условные обозначения: # - коррозия отсутствует; •. - слабая коррозия; + чителъная коррозия.____________________________________________________
Внутрикристаллитная (интеркристаллитная) коррозия возни] сплавах, в которых кристаллы имеют неоднородные состав и стр> Их разные электрохимические потенциалы ведут к развитию корроз торая может усугубляться примесями, способствующими коррозии.
верхности кристаллов, образующих межзерновые границы, потенциал меньше, чем в центральной части металла. В этом случае возможна корро зия периферийных кристаллов (вблизи межзерновых границ). По этой при чине постепенно снижаются прочностные и пластические характеристики металлов и изделий из них. Для такой коррозии не требуется электролита для ее инициирования; она наиболее опасна, практически неконтролируе ма и приводит к постепенному разрушению металлоизделий.
Местная коррозия наблюдается у металлов, имеющих зерна (кристал литы) с разными электрохимическими потенциалами. Многие сплавы имеют неоднородную кристаллическую структуру из-за наличия в них разных металлов, а также примесей. Они представляют как бы многоэлек тродный элемент. Кристаллиты, обладая разными электрохимическими потенциалами, при контакте с влагой, которая, попадая на их поверхность, образует электролит, начинают корродировать с поверхности в локальных местах. Развиваясь, коррозия постепенно распространяется в глубину ме талла, разрушая его. Все металлы, в том числе чистые, в своем составе иногда имеют примеси, способствующие коррозии (например, сера в желе зе). Влага на их поверхности инициирует коррозию. Чистые металлы и од нофазные сплавы значительно лучше сопротивляются коррозии. Напри мер, практически не корродируют аустенитные стали, которые так и назы ваются нержавеющими. Чистое железо не корродирует даже во влажной атмосфере.
Благодаря коррозии теряются большие массы металлов. Оценивается, что потери от коррозии достигают 40 % от их производства. Корродируют как черные, так и цветные металлы. Коррозия опасна, ибо она может быть причиной разрушения металлоизделий в ходе их эксплуатации. Они теря ют прочность и надежность, снижается их долговечность, а также наруша ется их эстетический вид.
Количественно коррозионная стойкость оценивается потерей мате риала в год (уменьшением толщины пластины, мм/год) или потерей массы (г/м ч). Существует 1 0 -балльная шкала оценки коррозионной стойкости (табл. 7). Коррозионно-стойки материалы те, у которых балл < 5. К ним относятся керамические материалы, стекла, нержавеющие стали, сплавы титана, многие пластмассы и др. Высокой коррозионной стойкостью обла дают некоторые чистые металлы (медь, железо, никель, серебро, золото, платина и др.). Нержавеющие стали получают легированием сплавов «же лезо - углерод» хромом, никелем и другими элементами.
Для предупреждения коррозии принимаются меры защиты металло изделий, которые сводятся к трем видам: рациональное конструирование металлоизделий; устранение возможностей коррозии при производстве из делий, их хранении и транспортировке; технологические методы защиты от коррозии.
сварке, часто имеют кислую реакцию и разъедают металлы. По своей при роде паяный или сварной шов, контактируя с основным металлом, пред ставляет собой гальванопару, а флюсы часто образуют электролиты. Очень важно тщательно очищать места пайки и сварки от остатков флюса, ибо в противном случае появление коррозии неизбежно. Устранение возможно стей развития коррозии при хранении и транспортировке металлоизделий также связано с соответствующими технологическими процессами.
Лучше противостоят коррозии полированные поверхности. Поэтому по окончании изготовления изделий на таких поверхностных не должно быть царапин, трещин и других дефектов.
При транспортировке и хранении металлоизделий следует принимать меры к непопаданию на них влаги. Для этого применяют различные за щитные смазки, имеющие нейтральную реакцию (не содержащие свобод ных ионов кислого характера). Металлоизделия, склонные к коррозии, ре комендуется хранить в сухих помещениях и транспортировать во влагоне проницаемой таре.
Технологические методы защиты от коррозии являются наиболее на дежными, при этом они могут выполнять одновременно задачу повышения эстетических свойств изделия. Среди таких технологических методов главными являются:
-легирование сплавов с целью получения их нержавеющими;
-оксидирование - получение искусственным путем пассивирующих окисных пленок на поверхностях металлоизделий;
-металлические или неметаллические покрытия - нанесение на по верхности металлоизделий тем или иным способом прочно сцепляющихся
споверхностью изделия пленок из коррозионно-стойких металлов или других веществ (например, нитрида титана); к таким способам относятся хромирование, никелирование, золочение и т.д.;
-лакокрасочные покрытия, изолирующие поверхности металлоизде лий от внешней среды и препятствующие появлению на них коррозии (по крытия лаками, красками и др.).
Коррозии подвержены не только металлы, но и многие неметалличе ские материалы. Достаточно хорошо изучены процессы коррозии природ ных каменных материалов. Совокупное действие различных видов корро зии горных пород и минералов приводит к выветриванию - одному из важ нейших геологических процессов. Менее изучены процессы коррозии ис кусственных каменных материалов - бетона, стекла, керамики, в том числе кирпича.