Коррозия металлов представляет собой совокупность химических, электрохимических и физико-химических процессов разрушения металлов под воздействием внешней среды. Основной механизм коррозии связан с окислительно-восстановительными реакциями, в которых металл теряет электроны и превращается в соединения более высокой степени окисления, чаще всего оксиды, гидроксиды или соли. Этот процесс сопровождается уменьшением механической прочности металла и изменением его физических свойств.
Коррозия является спонтанным процессом, протекающим в условиях термодинамической неравновесности между металлом и окружающей средой. Основной движущей силой служит стремление системы к снижению свободной энергии.
Коррозия металлов делится на несколько основных типов:
Химическая коррозия Протекает в сухих газовых средах или при контакте с реагентами без участия электролита. Пример — окисление железа сухим кислородом или сернистым газом. Скорость химической коррозии определяется температурой, концентрацией агрессивных компонентов и природой металла.
Электрохимическая (гальваническая) коррозия Возникает при контакте металла с электролитом, создающим разность потенциалов на разных участках поверхности. Металл на анодных участках растворяется, а на катодных протекают восстановительные реакции, чаще всего восстановление кислорода или водорода. Типичный пример — коррозия железа в воде с растворённым кислородом.
Местная коррозия Включает щелевую, питтинговую, точечную и межкристаллитную коррозию. Характеризуется высокой локализацией разрушения, при которой основная масса металла остаётся относительно неповреждённой. Локальная коррозия особенно опасна, так как приводит к пробою конструкций при сохранении видимой целостности поверхности.
Напряжённая коррозия (коррозионное растрескивание под напряжением) Происходит при одновременном действии механических напряжений и коррозионного воздействия. Металл разрушается вдоль трещин или дефектов, даже при условии, что химическая агрессивность среды относительно невысока.
Электрохимическая коррозия протекает через образование анодных и катодных зон на поверхности металла. Анодная реакция обычно представлена окислением металла:
[ M M^{n+} + ne^-]
Катодная реакция включает восстановление кислорода или водорода:
[ O_2 + 4H^+ + 4e^- 2H_2O] или [ 2H^+ + 2e^- H_2 ]
При этом формируется электрический двойной слой на поверхности металла, создающий локальное электрическое поле, ускоряющее миграцию ионов и протекание коррозионного процесса.
Химический состав среды Наличие кислорода, кислот, солей, сернистых соединений существенно ускоряет коррозию. Например, хлориды активно способствуют локальной питтинговой коррозии стали.
Температура Повышение температуры увеличивает кинетическую активность ионов и молекул, ускоряет скорость электрохимических реакций, повышая скорость коррозии.
Влажность и присутствие электролитов Вода является ключевым электролитом. Даже тонкая плёнка влаги на поверхности металла способна инициировать электрохимический процесс.
Механическое напряжение и структура металла Дефекты кристаллической решётки, границы зерен и остаточные напряжения повышают склонность к локализованной коррозии. Анизотропия поверхности металла создаёт различие потенциалов между участками.
Физическая защита
Химическая пассивация
Электрохимическая защита
Материаловедческие подходы
Коррозия металлов является сложным многофакторным процессом, соединяющим химические, электрохимические и физико-химические явления. Понимание механизмов разрушения позволяет прогнозировать долговечность конструкций и разрабатывать эффективные методы защиты, сочетая физические барьеры, химические ингибиторы и электрохимические методы контроля. Анализ коррозионной активности металлов в различных средах является основой материаловедения и инженерной химии, обеспечивая надёжность и безопасность промышленных объектов.