Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 12 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 12 Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, gồm các nội dung chính sau ăn mòn do phản ứng hóa học; pin điện hóa – ăn mòn điện hóa; một số quá trình ứng dụng; ăn mòn trong các môi trường khác nhau;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 12 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 12ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 TỪ KHÓA• Corrosion• Corrosive Media• Chemical Corrosion• Electrochemical Corrosion• Galvanic Cell PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 VIẾT TẮT• MT: Môi trường• VL: Vật liệu• KL: Kim loại• LK: Liên kết• DD: Dung dịch PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1. MỞ ĐẦU 1.1. HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN Ăn mòn: sự hư hỏng của VL do tương tác (cơ, nhiệt, điện, hóa …) với môi trường Nội dung chính của chương 12: khảo sát tác động hóa, đặc biệt là điện hóa VL polymer, ceramic: không có e tự do trong LK  hoạt tính MT kém, tốc độ ăn mòn chậm VLKL: nhiều e tự do  khả năng phản ứng với MT rất cao, dễ bị phá hủy bởi tác động hóa, điện hóa của MT. KL là đối tượng xem xét chính của chương PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 1.1. HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN Ăn mòn được coi là đồng đều nếu tốc độ ăn mòn ở kích thước vĩ mô không phụ thuộc vào vị trí bị ăn mòn trên bề mặt (VD: cốt thép trong bê tông) Phần lớn các hiện tượng ăn mòn là không đồng đều: tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào vị trí bị ăn mòn Tốc độ ăn mòn: được định nghĩa theo dạng ăn mòn. Có thể xác định theo chiều dày bị ăn mòn, theo kích thước dài, chiều sâu lỗ, lượng KL bị hòa tan vào MT … PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6 1.2. BẢO VỆ VẬT LIỆU Thực hiện các giải pháp nhằm ngăn chận sự phá hủy VL do môi trường tác động Hai nhóm quá trình ăn mòn chính:1. Quá trình hóa học: phản ứng oxy hóa-khử, trong đó e từ KL trực tiếp chuyển vào MT2. Quá trình điện hóa: phản ứng oxy hóa-khử, trong đó e từ KL chuyển vào dung dịch điện li và tạo dòng điện từ cực âm tới cực dương. Đây là quá trình phá hủy VLKL chủ yếu PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 2. ĂN MÒN DO PHẢN ỨNG HÓA HỌC Được coi là dạng ăn mòn đồng đều Các phản ứng hóa học giữa VL và MT xảy ra sẽ có tác động khác nhau tới VL Chiều dày lớp sản phẩm phản ứng tăng theo thời gian và tốc độ chậm dần do lớp sản phẩm có tác dụng ngăn cản sự phát triển của phản ứng vào lớp sâu bên trong Cơ chế phản ứng diễn ra qua bề mặt tiếp xúc pha, có thể chia thành hai giai đoạn PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8 Cơ chế phản ứng – Mô hình Taman1. Phản ứng trên bề mặt, tạo lớp sản phẩm dày x2. Chuyển chất qua lớp sản phẩm tới vùng phản ứng phía trong. Thường đây là quá trình khuếch tán, là giai đoạn chậm nhất Phản ứng tấm KL với MT khí: x/= k/x Lấy tích phân với với điều kiện biên: = 0, x= 0  x2= 2kD (mô hình Taman) : thời gian; k: hằng số, phụ thuộc tính chất tác nhân & điều kiện phản ứng; D: hệ số khuếch tán PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10 Lớp bảo vệSự hình thành lớp sản phẩm phản ứng trên bề mặt có tác dụng bảo vệ: tạo lớp thụ động trên bề mặtMột số thí dụ: Thép không gỉ crom chứa 13%Cr: trong không khí, do phản ứng với oxy tạo lớp Cr2O3 bền vững và sít chặt ở lớp bề mặt. Lớp này mỏng nhưng đủ bền, ngăn không cho oxy thấm qua để phản ứng tiếp Tương tự với Al, Zn PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 113. PIN ĐIỆN HÓA – ĂN MÒN ĐIỆN HÓAĂn mòn điện hóa: ăn mòn KL trong MT chất điện giải3 quá trình cơ bản của ăn mòn điện hóa KL:1) Quá trình anode (oxy hóa điện hóa): KL chuyển vào DD dưới dạng ion và giải phóng e, KL bị ăn mòn: Me  Men+ + ne PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12 3. PIN ĐIỆN HÓA – ĂN MÒN ĐIỆN HÓA2) Quá trình cathode (khử điện hóa): các chất oxy hóa (Ox) nhận e do KL bị ăn mòn giải phóng: Ox + ne  Red, Red là dạng chất khử (Ox, ne) Ox thường là H+ hoặc O2. Nếu Ox là H+: H+ + e  Hhp; Hhp+ Hhp  H2 (Hhp: hydro hấp phụ) Nếu Ox là O2: - Môi trường axit: O2 + 4H+ + 4e  2H2O - Môi trường trung tính hoặc kiềm: O2 + 2H2O + 4e  4OH- PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 133. PIN ĐIỆN HÓA – ĂN MÒN ĐIỆN HÓA Khi trong DD có ion KL có điện thế điện cực dương hơn KL bị ăn mòn, quá trình cathode: Men’+ + n’e  Me hoặc Men’+ + n”e  Men”’+, n’= n” + n”’3) Quá trình dẫn điện: các e do KL bị ăn mòn giải phóng sẽ di chuyển từ anode tới cathode, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch. PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 143. PIN ĐIỆN HÓA – ĂN MÒN ĐIỆN HÓATrong quá trình ăn mòn điện hóa, KL hoạt động như 1 pin, ta gọi là pin ăn mòn cục bộ (vi pin)KL chứa các tạp chất có đthế khác nhau  nhúng vào dd điện giải  tạo thành các vi pin tạo ăn mòn PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15 Phương trình oxy hóa – khử (PT O-K)Một cách tổng quát, PT O-K được viết: aA + bB = cC + dDTheo Nerst, hiệu điện thế pin Ecb: Ecb= E0 + (RT/nF) ...