Instytut In
ż
ynierii Materiałowej
Politechnika Łódzka
Temat wykładu:
Nauka o materiałach
Prowadz
ą
cy:
Wykład z przedmiotu:
Korozja, tarcie, umocnienie
Dr in
ż
. Bo
ż
ena Pietrzyk
1
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej
Politechnika Łódzka
Temat wykładu:
Nauka o materiałach
Prowadz
ą
cy:
Wykład z przedmiotu:
Korozja, tarcie, umocnienie
Dr in
ż
. Bo
ż
ena Pietrzyk
1
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Korozja jest to proces niszczenia materiałów w wyniku reakcji
chemicznych i elektrochemicznych zachodzących podczas
zetknięcia się materiału z otaczającym je środowiskiem gazowym
lub ciekłym. Proces zaczyna się na powierzchni.
Korozja
Rozpoczęty proces korozji, o ile nie ulegnie zahamowaniu,
prowadzi do całkowitego zniszczenia detalu.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Ze względu na przyczyny zjawiska rozróżnia się dwa rodzaje korozji:
chemiczną (utlenianie)
elektrochemiczną
Odporność na korozję materiałów zależy głównie od:
1. Rodzaju materiału - składu chemicznego.
2. Struktury
3. Stanu powierzchni
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Szybkość utleniania zależna jest od szybkości dyfuzji jonów tlenu lub metalu przez
powstającą warstwę tlenku, jej przewodnictwa elektrycznego i szczelności.
Tlenki o właściwościach ochronnych: Cr
2
O
3
, Al
2
O
3
, SiO
2
, TiO
2
Korozja chemiczna metali - utlenianie - tworzenie tlenków
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Korozja elektrochemiczna zachodzi w cieczach, zwykle w roztworach wodnych,
na skutek przepływu prądu elektrycznego, z jednej części metalu do drugiej, za
pośrednictwem elektrolitu. Przykładem jej może być rozpuszczanie metali w
kwasach.
Korozja elektrochemiczna
Korozja elektrochemiczna (w środowisku wilgotnym)
zachodzi znacznie szybciej niż utlenianie w suchych gazach
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Szereg elektrochemiczny metali:
Na< Mg< Al< Zn< Fe< Cd< Co< Ni< Pb
< H<
Cu< Hg< Ag< Au
ujemne potencjały normalne
dodatnie potencjały normalne
metale “nieszlachetne”
metale “szlachetne”
Każdy metal tego szeregu wypiera następne metale z roztworu ich soli.
Im bardziej ujemna jest wartość potencjału normalnego metalu tym większą posiada on
tendencję do przechodzenia do roztworu, czyli mniejszą odporność na korozję
elektrochemiczną.
Przez pasywację rozumiemy zwiększenie odporności metalu na korozję przez utworzenie
na jego powierzchni szczelnej i silnie przylegającej ochronnej warstewki tlenków, która
chroni metal przed oddziaływaniem otaczającego środowiska.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Korozja elektrochemiczna jest wynikiem działania lokalnych ogniw
galwanicznych tworzących się na powierzchni metalu.
Lokalne ogniwa korozyjne można podzielić na:
• ogniwa powstałe wskutek zetknięcia dwóch różnych metali
• ogniwa powstałe w wyniku zetknięcia metalu z wtrąceniami niemetalicznymi
• ogniwa wytworzone wskutek częściowej pasywacji metalu, tj. częściowego
pokrycia go tlenkami
• ogniwa powstałe w rezultacie naprężeń mechanicznych, występujących w
metalu
• ogniwa stężeniowe tworzące się wówczas, gdy kawałek metalu styka się z
roztworami o różnych stężeniach soli lub tlenu.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Ze względu na skutki zniszczenia
rozróżnia się korozję:
• równomierną
• międzykrystaliczną
• lokalną:
• wżerową
• naprężeniową
• selektywną
• kontaktową
Korozja równomierna
Korozja międzykrystaliczna
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Korozja wżerowa
Korozja naprężeniowa
Korozja selektywna
zachodzi na skutek
istnienia w metalu
naprężeń o kierunku
rozciągającym oraz
ośrodka aktywnego.
F
F
Korozja lokalna:
Korozja kontaktowa zachodzi w miejscu styku różnych stopów
metali np. stali ze stopem miedzi, dzięki czemu powstają lokalne
ogniwa prowadzące do znacznego ubytku metalu.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Ochrona przed korozją
Istnieje kilka sposobów ochrony przed korozją:
1. Dobór odpowiedniego metalu lub stopu.
2. Osłabienie agresywności środowiska.
Sposób ten można stosować, gdy ilość ośrodka atakującego jest ograniczona.
•
przez usuwanie tlenu z elektrolitów o odczynie obojętnym np. odpowietrzanie
wody kotłowej
•
stosowanie inhibitorów (opóźniaczy). Są to substancje, które dodane do środowiska
agresywnego, zmniejszają wybitnie szybkość procesów korozyjnych.
3. Stosowanie ochrony katodowej i protektorowej
4. Stosowanie powłok ochronnych
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
• ochrona katodowa (zewnętrznym źródłem
prądu) - polega na utrzymywaniu takiej różnicy
potencjałów, aby chroniony metal był zawsze
katodą.
• ochrona protektorowa - jest odmianą ochrony
katodowej przy użyciu zewnętrznej elektrody o
dostatecznie niskim potencjale w szeregu
elektrochemicznym
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Właściwości mechaniczne materiałów
•
moduł sprężystości,
•
granica plastyczności,
•
wytrzymałość,
•
twardość,
•
odporność na pękanie,
•
wytrzymałość zmęczeniowa,
•
odporność na pełzanie
Zjawiska występujące w materiałach w
trakcie eksploatacji
• nagłe pękanie
• zmęczenie materiału
• pełzanie
• utlenianie i korozja
•tarcie i zużycie trybologiczne
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Wartości współczynników tarcia:
Idealnie czyste metale w próżni
>5
Czyste metale w powietrzu
0,5 - 2
Stal - stopy łożyskowe
0,1 – 0,5
Stal – ceramika
0,1 – 0,5
Metale i ceramika po polimerach
0,04 – 0,5
Smarowanie graniczne metali
0,05 – 0,2
Smarowanie hydrodynamiczne
0,001 – 0,005
Tarcie i zużycie trybologiczne
F =
µµµµ
P
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Zużycie ścierne spowodowane jest procesami tarcia.
Intensywność tego zużycia zależy od odporności obszarów tarcia
warstw wierzchnich i od rodzaju oddziaływania
Elementarne procesy występujące podczas tarcia:
•
Bruzdowanie
•
Ś
cinanie nierówności
•
Ś
cinanie nierówności ścierniwem
•
Odkształcenie plastyczne materiału
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Zużycie zmęczeniowe
Występuje na skutek oddziaływania cyklicznych naprężeń kontaktowych w
warstwie wierzchniej.
Zmęczenie materiału w warstwie wierzchniej powoduje miejscowe ubytki materiału
Zużycie adhezyjne
Polega na lokalnym sczepianiu się powierzchni trących, na wierzchołkach
nierówności powierzchni i następnym ich rozrywaniu.
Występuje dla materiałów o dużym powinowactwie chemicznym.
Warstwa tlenków na powierzchni zmniejsza oddziaływanie adhezyjne
Zużycie ścierne:
W obszarach tarcia występują cząstki ścierniwa (utwierdzone lub luźne)
Główne rodzaje zużycia trybologicznego
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Tarcie suche
Tarcie graniczne
Tarcie mieszane
Tarcie płynne
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Kontrola nad procesami tarcia:
- dobór systemów smarowania i środków smarnych
-dobór odpowiednich materiałów współpracujących
- stosowanie powłok niskotarciowych
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne .
Umocnienie metali
podwyższone własności
wytrzymałościowe:
• granica plastyczności ( R
e
),
• wytrzymałość i twardość ( R
m
, HB )
Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje
obniżone własności plastyczne:
• wydłużenie (A) ,
• przewężenie i udarność (Z , KCU) ,
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Umocnienie jest wynikiem malejącej wraz z odkształceniem
zdolności przemieszczania się dyslokacji na skutek hamowania ich
i blokowania przez inne dyslokacje oraz inne przeszkody takie,
jak: obce atomy, granice ziarn itp.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
d
K
A
R
e
+
=
Wpływ wielkości ziarna na wartość granicy plastyczności:
Gdzie:
R
e
– granica plastyczności
d – wielkość ziarna
A, K – stałe materiałowe
Wielkość ziarna można regulować w
procesach odlewania, przeróbki
plastycznej i obróbki cieplnej metali
Umacniający wpływ granic ziaren jest bardzo silny w metalach o sieci A3
(z jedną płaszczyzną łatwego poślizgu). W strukturach regularnych wpływ
ten jest znacznie słabszy ze względu na większą ilość płaszczyzn poślizgu
dyslokacji.
Umocnienie wynikające z wielkości ziarna
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Umocnienie roztworowe
polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej obcych atomów o średnicach różnych
od atomów rodzimych sieci .
Naprężenia wprowadzane w ten sposób do sieci powodują dodatkowy opór ruchu
dyslokacji.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Umacnianie wydzieleniowe i dyspersyjne (cząstkami)
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Umocnienie odkształceniowe (umocnienie zgniotem)
polega na wzajemnym blokowaniu się dyslokacji poruszających się w różnych
płaszczyznach poślizgu.
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
75%
50%
25%
0%
σ
odkształcenie
KCU
HB
120
80
40
60
100
140
18
22
80
40
60
20
20
40
60
80
100 %
0
R
m
, R
e
, A, Z
KCU
HB
Z
R
m
R
e
A
Krzywe rozciągania dla próbek
o różnym stopniu zgniotu
Zmiana własności czystego Fe
w zależności od stopnia zgniotu
Instytut In
ż
ynierii Materiałowej PŁ
Umocnienie metali
Do najważniejszych rodzajów zabiegów umocnienia materiałów metalicznych
należą :
• umacnianie czynnikami metalurgicznymi:
(skład roztworu stałego, wielkość ziarna) związane z procesami
metalurgicznymi lub odlewniczymi, a głównie z odtlenianiem i modyfikacją,
• umacnianie obróbką cieplną, związane z zabiegami
ulepszania cieplnego (hartowania i odpuszczania),
lub utwardzania dyspersyjnego ( przesycania i starzenia )
• umacnianie obróbką plastyczną na zimno na skutek zgniotu .