Коррозия металлов представляет собой процесс разрушения металлических материалов под воздействием химических или электрохимических факторов окружающей среды. Основной механизм коррозии связан с электрохимическими реакциями окисления и восстановления, протекающими на поверхности металла. Металл теряет электроны, переходя в растворимое или труднорастворимое соединение, в то время как на другом участке поверхности происходит восстановление акцептора электронов, обычно кислорода или ионов водорода.
Ключевым аспектом является формирование гальванических элементов на микронном уровне между различными участками поверхности металла, имеющими различную потенциал-среду. Эти микрогальванические пары определяют локализацию анодных и катодных участков и скорость коррозии.
Анодная реакция окисления металла На аноде металл теряет электроны:
M → Mn+ + ne−
где M — металл, Mn+ — ион металла, n — валентность.
Катодная реакция восстановления Катодные процессы могут включать:
Восстановление кислорода в щелочной среде:
O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−
Восстановление кислорода в кислотной среде:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
Водородное восстановление:
2H+ + 2e− → H2
Коррозия усиливается при наличии электропроводной среды, которая обеспечивает токопроводимость между анодными и катодными участками. Примерами таких сред служат вода с растворёнными солями, кислотные или щелочные растворы.
Равномерная коррозия Процесс протекает равномерно по всей поверхности металла. Характеризуется равномерным истончением материала. Электрохимический механизм в данном случае заключается в непрерывном распределении анодных и катодных участков, что приводит к медленному, но предсказуемому разрушению.
Локальная коррозия Включает такие формы, как точечная (pitting), щелевая (crevice) и межкристаллитная (intergranular) коррозия. Характеризуется высокой скоростью разрушения на ограниченных участках поверхности:
Гальваническая коррозия Возникает при контакте двух различных металлов в проводящей среде. Металл с меньшим электрохимическим потенциалом становится анодом и растворяется быстрее, в то время как катодный металл защищён от разрушения. Этот механизм широко используется при проектировании антикоррозионной защиты, но одновременно является источником повреждений соединений разнородных металлов.
Коррозионные процессы чувствительны к температуре, влажности, химическому составу среды и наличию растворённых газов. Ускорение коррозии наблюдается при повышенной температуре, наличии кислорода, хлорид-ионов и кислот. В некоторых случаях происходит биокоррозия, вызванная деятельностью микроорганизмов, которые создают локальные электрохимические ячейки на поверхности металла.
Металлы обладают различной склонностью к формированию защитной оксидной плёнки, которая препятствует контакту анодного металла с агрессивной средой. Такие пассивирующие слои характерны для алюминия, титана и нержавеющих сталей. Основной механизм защиты основан на создании барьерного слоя, который замедляет или полностью блокирует электрохимические реакции окисления.
Скорость коррозии определяется электрохимическим потенциалом металла, проводимостью среды и кинетикой анодных и катодных процессов. Она может быть описана уравнением:
iкорр = k ⋅ [агрессивные агенты]n
где iкорр — коррозионный ток, k — константа, зависящая от температуры и природы металла, n — порядок реакции по конкретному агенту.
Применение электрохимических методов, таких как поляризационные кривые и импедансная спектроскопия, позволяет количественно оценивать скорость и механизм коррозии, прогнозировать её развитие и разрабатывать методы защиты металлов.
Структура металла — размер зерна, наличие фазовых включений, остаточных напряжений — оказывает решающее влияние на локализацию коррозии. Разнородные участки создают микрогальванические элементы, ускоряющие разрушение, особенно в присутствии агрессивных ионов и кислорода.
Покрытия — органические, неорганические или электрохимически активные — изменяют распределение анодных и катодных зон. Защитный эффект достигается уменьшением доступности агрессивных ионов и увеличением сопротивления току коррозионной реакции. Некорректно выбранное покрытие может, напротив, ускорить локальную коррозию за счёт создания щелевых или пористых зон.
Механизмы коррозии представляют собой комплекс взаимосвязанных электрохимических и химических процессов, зависящих от свойств металла, среды и внешних условий. Понимание этих процессов позволяет прогнозировать скорость разрушения, локализацию коррозии и разрабатывать эффективные методы защиты металлических материалов.