Vlastnosti a zkoušení materiálů Přednáška č.11 koroze a opotřebení
Koroze - postupné chemické nebo fyzikálně-chemické znehodnocování materiálu za působení okolního prostředí Dělení - dle prostředí: a) atmosférická koroze b) půdní koroze c) koroze v chemických sloučeninách d) koroze v horké páře - podle procesů: - dle vnější formy: 1) chemická A) rovnoměrná 2) elektrochemická B) nerovnoměrná 3) korozní praskání 2 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Chemická koroze kovů - probíhá v elektricky nevodivých prostředích, např. v nevodných kapalinách, suchých plynech (oxidační či redukční chemickou reakcí). Při oxidaci ztrácí kov své valenční elektrony dle rovnice n+ + Me Me ne kde Me n+ je n-mocný kationt kovu, který se pak slučuje s atomem kyslíku za vzniku oxidu kovu. Náchylnost k oxidaci je dána kompaktností povrchové vrstvy oxidu kovu, která je dána Pilling Betworthovým číslem V rpb = 0 V kde V 0 je podíl molekulárního objemu oxidu a V Me atomární objem kovu. Me 3 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Chemická koroze kovů - oxidace Jestliže je přibližně r PB = 1, na povrchu kovu vzniká souvislá ochranná vrstva oxidu kovu, která zamezuje dalšímu průběhu oxidačního děje. Charakter oxidické vrstvy dle Pilling Betworthova čísla: r PB < 1 r PB = 1 r PB > 1 x x x slabá přilnavost dobrá přilnavost Hodnoty r PB vybraných kovů: silná vrstva (rozdílná tepl. roztažnost praská) kov oxid V 0 /V Me kov oxid V 0 /V Me kov oxid V 0 /V Me K K 2 O 0,45 Al Al 2 O 3 1,28 Cu Cu 2 O 1,64 Mg MgO 0,81 Pb PbO 1,31 Mo MoO 3 3,3 4 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Chemická koroze kovů - pokračování Je-li r PB 1, pak tloušťka vrstvy s rostoucím časem vzrůstá. Závislost tloušťky vrstvy x na čase bývá většinou nelineární a lze ji často popsat vztahem m = x k p t kde k p je konstanta a m je exponent (m=1 až 3). V redukčních plynech (nejčastěji obsahují volný nebo vázaný vodík) může být důsledkem interakce změna chemického složení materiálu, oduhličení, vodíkové zkřehnutí nebo vznik dutin a vnitřních trhlin, které mohou negativně ovlivnit únosnost součásti. Koroze v nevodných roztocích (kapalných plynech, bezvodém alkoholu nebo v petroleji) za normálních podmínek často není nebezpečná, podobně jako oxidace či redukce. 5 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Elektrochemická koroze kovů Mechanismus elektrochemické koroze v sobě zahrnuje dvě reakce. První je oxidace (rozpouštění kovu), např. Fe Fe 2e druhou je depolarizační katodová reakce, při které dochází k redukci některé oxidační složky roztoku, tj. k vylučování vodíku (koroze s vodíkovou depolarizací) nebo kyslíku (koroze s kyslíkovou depolarizací). Obě reakce se vzájemně podmiňují a musí tedy probíhat současně, pokud kovem neprotéká el. proud. Korozní makročlánek - vzniká spojením dvou různě ušlechtilých kovů v korozním prostředí (rozpouští se ten méně ušlechtilý anodová reakce) Korozní mikročlánek 2+ + - vzniká nestejnorodostí kovů a slitin v chemickém složení a struktuře 6 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Elektrochemická koroze kovů - pokračování Hmotnost kovu rozpuštěného na jednotkové ploše je dána Faradayovým zákonem M i t m Me = n F kde M Me je molová hmotnost kovu, n je počet vyměněných elektronů v reakci, F=9,65 10 4 C mol -1 je Faradayova konstanta, i je hustota korozního proudu [A cm -2 ] a t je čas. Elektromotorické napětí je dáno Nerstnovým vztahem nk k a RT C U = E + k 0 E0 ln F n C a a kde E k E a 0, 0 - standardní elektrochem. potenciál anody a katody C k, C a - koncentrace iontů kovu (kat. a anody) v elektrolytu n k, n a - mocenství kovových iontů R - univerzální plynová konstanta T - teplota 7 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Elektrochemická koroze kovů - pokračování Tab. Elektrochemická ušlechtilost a korozní odolnost kovů (T=25 C) Korozní ušlechtilost Korozní odolnost E 0 [mv] kov kov +1,5 Au Au +1,2 Pt Pt +0,987 Pd Pd +0,799 Ag Zr +0,337 Cu Ti -0,126 Pb Ag -0,136 Sn Mo -0,20 Mo Cr -0,25 Ni Cu Korozní ušlechtilost Korozní odolnost E 0 [mv] kov kov -0,403 Cd Ni -0,440 Fe Pb -0,740 Cr Al -0,763 Zn Sn -1,18 Mn Fe -1,53 Zr Cd -1,63 Ti Zn -1,66 Al Mg -2,37 Mg Mn 8 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Korozní praskání a korozní únava Korozní praskání (koroze pod napětím) - proces koroze bývá intenzivnější, šíření trhliny rychlejší a doba do lomu kratší, než kdyby působily oba vlivy na materiál odděleně (důvodem je opakované porušování pasivační vrstvy na povrchu lomových ploch v blízkosti kořene trhliny) - dle velikosti faktoru intenzity napětí K I : a) interkrystalické korozní praskání pro nízké hodnoty K I b) transkrystalické šíření trhliny pro vyšších hodn. K I c) trhlina se šíří tvárně pro vysoké hodnoty K I Korozní únava - při časově proměnlivém napětí - mechanismus šíření trhliny je stejný jako u korozního praskání 9 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Ochrana proti korozi Omezení působení korozního napadení: a) Volba vhodného konstrukčního materiálu b) Změna vlastností korozního prostředí (voda PH=0) c) Úprava konstrukce a izolace (podložky) d) Využití způsobu elektrochemické ochrany zařízení a staveb e) Použití ochranného povlaku, nejčastěji: - jiným kovem - anorganické nátěrové hmoty - organické nátěrové hmoty 10 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Tření Při relativním pohybu dvou těles vzniká v oblasti styku povrchů silový odpor F t [N], který se nazývá třecí silou nebo také třením. Je kolmý na normálovou sílu F n [N] a vyjadřuje se vztahem: F t = ν F n kde ν je součinitel tření, který se dle charakteru pohybu nazývá součinitelem a) kluzného (smykového) tření b) valivého tření F n F n F t G=mg N a) b) 11 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Opotřebení - nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů způsobená vzájemnou interakcí funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a média. Dle mechanismu opotřebení rozlišujeme šest základních typů opotřebení: a) Adhezivní b) Abrazivní c) Erozivní d) Kavitační e) Únavové f) Vibrační 12 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Opotřebení Opotřebení se hodnotí délkovým W l [µm] objemovým W V [mm 3 ] či hmotnostním otěrem W h [mg]. Rychlost otěru je pak definována časovou derivací otěru: dw w i i =, i = l, V, h dt Objemový otěr W V čas t 13 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Adhezivní opotřebení Příčinou adhezivního opotřebení je nerovnost funkčních povrchů. Ke styku při normálové síle F n dochází v menší ploše než je kontaktní plocha A n, tzv. skutečné ploše A r : A r = A n N n kde N n je normalizovaná tlaková síla definovaná vztahem kde H je tvrdost podložky v Pa. Archardův zákon (lineární opotřebení) W W V n = = kan A kde k A je Archardova konstanta adhezivního opotřebení, jenž je bezrozměrná. 14 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení N n = n A F n n H n
Abrazivní opotřebení - oddělování částic z funkčního povrchu účinkem působení tvrdého a drsného povrchu druhého tělesa nebo účinkem tvrdých částic. Objemový otěr se při abrazi projevuje škrábáním a rýhováním funkčního povrchu. Archardův zákon (lineární opotřebení) W = k kde k ab je Archardova konstanta abrazivního opotřebení. Objemový otěr závisí kromě působící tlakové síly a relativní rychlosti funkčního povrchu a abraziva také na podílu tvrdosti abraziva H a a tvrdosti materiálu funkční části H 0 : H W = K log a H kde K je pro neměnné podmínky abrazivního opotřebení konstanta. 15 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení V n ab N n 0
Erozivní a kavitační opotřebení Eroze vzniká interakcí tuhých částic, unášených kapalným nebo plynným médiem, a funkčního povrchu strojních částí. Erozivní opotřebení se projevuje často nerovnoměrným vymíláním povrchových vrstev a rýhováním způsobeným turbulencí proudícího média. Objemový otěr závisí na kinetické energii částic a úhlu dopadu α na povrch konst mv 2 cos 2 WV = kde m je hmotnost dopadající částice. Kavitace z důvodu opakovaného vzniku a zanikání bublin v kapalině, která je s funkčním povrchem ve styku. Thomův součinitel p pp Th = 2 0.5ρv kde p, r, v je tlak, měrná hmotnost, respektive rychlost proudící kapaliny a p p je tlak nasycených par kapaliny při dané teplotě. 16 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení α
Vibrační opotřebení - vzniká na stykových plochách součástí konajících vzájemný tangenciální kmitavý pohyb při působení normálových sil. Minimální amplituda kmitavého pohybu je 1-10µm Vyskytuje se u: - hybných uložení (valivá ložiska, čepy, hřídele, ) - zdánlivě nehybných uložení (lisované spoje, šrouby, nýty, ) U vibračního opotřebení se výrazně uplatňuje také korozní působení okolního prostředí. Vznikající důlky a trhliny výrazně snižují mez únavy! Vliv frekvence a amplitudy kmitavého pohybu na hmotn. otěr (uhlíková ocel, tlak 37MPa) 17 Přednáška č.11 - Koroze a opotřebení
Únavové opotřebení (kontaktní únava) - vzniká u funkčního povrchu součástí, z nichž alespoň jedna koná valivý pohyb, a to v důsledku působení normálových a smykových kontaktních sil. Vyskytuje se na jízdní ploše kolejnic či železničních dvojkolí, u valivých ložisek, ozubených kol, apod. U jednotlivých defektů může být mechanismus kontaktní únavy odlišný (vysokocyklová únava, nízkocyklová únava či cyklické tečení-ratcheting, tepelně indukované trhliny...). Opotřebení se zkoumá na speciálních zkušebních strojích (foto zkušební stroj na VŠB-TUO) 18 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Únavové opotřebení (kontaktní únava) Při vyšších trakčních koeficientech f či vyšších zátěžných tlacích může dojít k akumulaci plastických deformací, k tzv. ratchettingu. Je-li f>0.3, dochází k největší akumulaci deformace (ratchetingu) na povrchu, při nižších hodnotách je kritické místo pod povrchem. Podobně je tomu s charakterem vad. 19 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Únavové opotřebení (kontaktní únava) K odhadu chování materiálu se používají tzv. mapy přizpůsobení (shakedown maps). BODOVÝ STYK LINIOVÝ STYK U bodového kontaktu je faktor zatížení navíc funkcí geometrie kontaktních těles, nikoliv jen maximálního fiktivního elastického tlaku p 0 a meze kluzu ve smyku k. Navíc mohou třecí síly působit v příčném i podélném směru (ve směru valení). 20 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Únavové opotřebení (kontaktní únava) Opotřebení mechanismem ratchetingu postupnou delaminací (odlupování šupinek materiálu) 500 cyklů Pitting 5000 cyklů 60000 cyklů 21 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Další zdroje informací 1) Strnadel, B.: Řešené příklady a technické úlohy z materiálového inženýrství, VŠB TU Ostrava, 1998, 334 s. 2) Strnadel, B.: Nauka o materiálu, skripta FS VŠB TU Ostrava, 2004, 187s. 3) University of Cambridge. Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science (DoITPoMS). Animace pro podporu výuky Nauky o materiálu (Materials Science), 2010. http://www.doitpoms.ac.uk/index.html 4) http://www.wikipedia.com/ 5) HALAMA, R. Řešení elastoplastické napjatosti v bodovém styku dvou zakřivených těles pomocí MKP : doktorská disertace. Ostrava : VŠB-TU Fakulta strojní, 2005. 130 s., 3 příl. 6) HALAMA, R. Experimentální poznatky a fenomenologické modelování cyklické plasticity kovů. Ostrava : habilitační práce. VŠB-TU Fakulta strojní, 2009. 141 s. 22 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení