Vlastnosti a zkoušení materiálů - fs.vsb.cz · PDF fileKoroze -...
Transcript of Vlastnosti a zkoušení materiálů - fs.vsb.cz · PDF fileKoroze -...
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 praskání2 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 oxidaciztrácí kov své valenční elektrony dle rovnice
kde Men+ 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
kde V0 je podíl molekulárního objemu oxidu a VMe atomární objem kovu.
3 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
−−−−++++ ++++→→→→ neMeMe n
MePB V
Vr 0====
Chemická koroze kovů - oxidace
� Jestliže je přibližně rPB = 1, na povrchu kovu vzniká souvislá ochranná vrstva oxidu kovu, která zamezuje dalšímu průběhu oxidačního děje.
� Charakter oxidické vrstvy dle Pilling – Betworthova čísla:
slabá přilnavost dobrá přilnavost
� Hodnoty rPB vybraných kovů:
4 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
x
1====PBr1<<<<PBr
x x
1>>>>PBr
kov oxid V0/VMe kov oxid V0/VMe kov oxid V0/VMe
K K2O 0,45 Al Al2O3 1,28 Cu Cu2O 1,64
Mg MgO 0,81 Pb PbO 1,31 Mo MoO3 3,3
silná vrstva (rozdílnátepl. roztažnost ⇒ praská)
Chemická koroze kovů - pokračování
� Je-li rPB ≥≥≥≥ 1, pak tloušťka vrstvy s rostoucím časem vzrůstá. Závislost tloušťky vrstvy x na čase bývá většinou nelineární a lze ji často popsat vztahem
kde kp 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
tkx pm ====
Elektrochemická koroze kovů
� Mechanismus elektrochemické koroze v sobě zahrnuje dvě reakce. První je oxidace (rozpouštění kovu), např.
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
- vzniká nestejnorodostí kovů a slitin v chemickém složení a struktu ře
6 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
−−−−++++ ++++→→→→ eFeFe 22
Elektrochemická koroze kovů - pokračování
� Hmotnost kovu rozpuštěného na jednotkové ploše je dána Faradayovým zákonem
kde MMe je molová hmotnost kovu, n je počet vyměněných elektronů v reakci, F=9,65⋅⋅⋅⋅104 C ⋅⋅⋅⋅ mol-1 je Faradayova konstanta, i je hustota korozního proudu [A ⋅⋅⋅⋅ cm-2] a t je čas.
� Elektromotorické napětí je dáno Nerstnovýmvztahem
kde - standardní elektrochem. potenciál anody a katodyCk, Ca - koncentrace iontů kovu (kat. a anody) v elektrolytunk, na - mocenství kovových iontůR - univerzální plynová konstantaT - teplota
7 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
FntiM
m Me⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====
++++−−−−====
a
k
na
nkak
C
C
FRT
EEU ln00
ak EE 00 ,
Elektrochemická koroze kovů - pokračování
� Tab. Elektrochemická ušlechtilost a korozní odolnost kovů (T=25°C)
8 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
Korozní ušlechtilost
Korozní odolnost
E0 [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
E0 [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
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 KI:
a) interkrystalické korozní praskání – pro nízké hodnoty K I
b) transkrystalické šíření trhliny – pro vyšších hodn. KI
c) trhlina se šíří tvárně – pro vysoké hodnoty KI
� 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
11 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
� Při relativním pohybu dvou těles vzniká v oblasti styku povrchů silový odpor Ft [N], který se nazývá třecí silounebo také třením. Je kolmý na normálovou sílu Fn [N] a vyjadřuje se vztahem:
Ft = ν Fnkde ν je součinitel t ření, který se dle charakteru pohybu nazývá součinitelem
a) kluzného (smykového) třeníb) valivého tření
a) b)
Fn
Fn
Ft
G=mg N
Opotřebení
12 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
- nežádoucí změna povrchu neborozměrů způsobená vzájemnouinterakcí funkčních povrchůnebo funkčního povrchu a média.
� Dle mechanismu opotřebení rozlišujeme šest základních typůopotřebení:
a) Adhezivníb) Abrazivníc) Erozivníd) Kavitačníe) Únavovéf) Vibra ční
� Opotřebení se hodnotí délkovýmWl [µµµµm] objemovýmWV [mm3] či hmotnostnímotěrem Wh [mg].
� Rychlost otěru je pak definována časovou derivací otěru:
Opotřebení
13 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
hVlidt
dWw i
i ,,, ========
čas t
Obj
emov
ý otěr
WV
� Příčinou adhezivního opotřebeníje nerovnost funkčních povrchů.
� Ke styku při normálové síle Fn dochází v menší ploše než je kontaktní plocha An, tzv. skutečné ploše Ar :
Ar = An Nn
kde Nn je normalizovaná tlaková síla definovaná vztahem
kde H je tvrdost podložky v Pa.
� Archardův zákon (lineární opotřebení)
kde kA je Archardova konstanta adhezivního opotřebení, jenž je bezrozměrná.
Adhezivní opotřebení
14 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
nAn
Vn Nk
AW
W ========
HAN
nn
nF====
Abrazivní opotřebení
15 Přednáška č. 11 - Koroze a 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)
kde kab je Archardova konstanta abrazivního opotřebení.
� Objemový otěr závisí kromě působící tlakové síly a relativní rychlosti funkčního povrchu a abraziva také na podílu tvrdosti abraziva Ha a tvrdosti materiálu funk ční části H0 :
kde K je pro neměnné podmínky abrazivního opotřebení konstanta.
nabn NkW ====
0log
HH
KW aV ⋅⋅⋅⋅====
Erozivní a kavitační opotřebení
16 Přednáška č. 11 - Koroze a 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 αααα na povrch
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
kde p, r, v je tlak, měrná hmotnost, respektive rychlost proudící kapaliny a pp je tlak nasycených par kapaliny při dané teplotě.
αααα22coskonst mvWV ⋅⋅⋅⋅====
25.0 v
ppTh p
ρρρρ
−−−−====
Vibra ční opotřebení
17 Přednáška č.11 - Koroze a opotřebení
- vzniká na stykových plochách součástí konajících vzájemný tangenciální kmitavý pohyb při působení normálových sil.
� Minimální amplituda kmitavého pohybu je ∼∼∼∼ 1-10µµµµm
� Vyskytuje se u:
- hybných uložení (valivá ložiska, čepy, hřídele,…)- zdánlivě nehybných uložení (lisované spoje, šrouby, nýty,…)
� U vibračního opotřebeníse výrazně uplatňuje také korozní působení okolního prostředí.
� Vznikající důlky a trhlinyvýrazně snižují mez únavy!
� Vliv frekvence a amplitudy
kmitavého pohybu na hmotn.
otěr (uhlíková ocel, tlak 37MPa)
Únavové opotřebení (kontaktní únava)
18 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
- 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 býtmechanismus kontaktní únavyodlišný (vysokocyklová únava, nízkocyklová únava či cyklické tečení-ratcheting, tepelněindukované trhliny...).
� Opotřebení se zkoumá na speciálníchzkušebních strojích (foto – zkušební stroj na VŠB-TUO)
Únavové opotřebení (kontaktní únava)
19 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
� 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.
Únavové opotřebení (kontaktní únava)
20 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
� K odhadu chování materiálu se používají tzv. mapy přizpůsobení (shakedown maps).
� U bodového kontaktu je faktor zatížení navíc funkcí geometrie kontaktních těles, nikoliv jen maximálního fiktivního elastického tlaku p0 a meze kluzu ve smyku k. Navíc mohou třecí síly působit v příčném ipodélném směru (ve směru valení).
LINIOVÝ STYK
BODOVÝ STYK
Únavové opotřebení (kontaktní únava)
21 Přednáška č. 11 - Koroze a opotřebení
� Opotřebení mechanismem ratchetingu – postupnou delaminací (odlupování šupinek materiálu)
Pitting
500 cyklů
60000 cyklů
5000 cyklů
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