4. ΒΛΑΒΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΚΑΙ ΘΡΑΥΣΕΙΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ

Transcript

1 4. ΒΛΑΒΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΚΑΙ ΘΡΑΥΣΕΙΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΒΡΩΣΗΣ Ως διάβρωση ορίζεται η διεργασία που επισυμβαίνει στην επιφάνεια μεταλλικών κατασκευών και οδηγεί σε ποικίλου βαθµού καταστροφή τους. Όταν ένα μέταλλο έρθει σε επαφή με ένα «υλικό», με το οποίο μπορεί να αντιδράσει χημικά, τότε αρχίζει μια διεργασία που τα αποτελέσματά της είναι καταστροφικά για το μέταλλο. Τέτοιες διεργασίες αναφέρονται με τον γενικό όρο διάβρωση (corrosion). Οι κυριότεροι τρόποι διάβρωσης είναι οι παρακάτω: α. Ομοιόμορφη (general corrosion). Το μέταλλο διαβρώνεται ομοιόμορφα σε όλη του την επιφάνεια, δηλαδή η ταχύτητα διάβρωσης είναι παντού η ίδια. β. Σημειακή ή τρηματική (pitting corrosion). Η διάβρωση περιορίζεται σε ορισμένα μόνο σημεία, αλλά η ταχύτητά της σε αυτά τα σημεία είναι μεγάλη. (Εικ.) γ. Περικρυσταλλική διάβρωση (intercrystalline ή intergranunar corrosion).εδώ, διαβρώνονται κυρίως οι διαχωριστικές επιφάνειες που είναι γνωστό ότι βρίσκονται σε πιο ασταθή κατάσταση από τους ίδιους τους κρυσταλλίτες. Η διάβρωση αυτού του είδους δεν φαίνεται εκ πρώτης όψεως και γι αυτό είναι και επικίνδυνη, ενώ διευκολύνεται από την παρουσία ξένων ουσιών. δ. Εκλεκτική (selective leaching). Όταν ένα υλικό αποτελείται από διαφορετικά συστατικά, αυτά συνήθως διαβρώνονται κατά διαφορετικό τρόπο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η εκλεκτική απομάκρυνση του ψευδάργυρου από κράματα 30 % Zn 70 % Cu (ορείχαλκος) που έχει σαν αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος από το κιτρινωπό του ορείχαλκου στο κοκκινωπό του χαλκού. (Εικ.) ε. Διάβρωση κενών ή διακένων ή σχισμών (crack ή cranny ή crevicecorrosion). Ορισμένα υλικά διαβρώνονται ταχύτερα είτε σε περιοχές με μικρορωγμές που προϋπάρχουν στο υλικό είτε σε περιοχές που καλύπτονται από άλλα υλικά ή αντικείμενα και αυτό διότι σε αυτές τις περιοχές δημιουργείται διαφορά στη συγκέντρωση οξυγόνου. στ. Διάβρωση εξαιτίας τάσεων (stress corrosion). Aν για κάποιο λόγο στην επιφάνεια ή μέσα σε ένα υλικό υπάρχουν τοπικές τάσεις, οι περιοχές αυτές παρουσιάζουν αυξημένη ταχύτητα διάβρωσης, καθώς στα σημεία αυτά υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα να δημιουργηθεί ρωγμή. Σ αυτό το είδος διάβρωσης οφείλεται η μείωση της αντοχής σε κυκλική κόπωση όταν υπάρχει διαβρωτικό περιβάλλον (corrosionfatigue).

2 Εικόνα 4.1.: SEI Χημικής διάβρωσης στελέχους εγγλυφίδας, Εικόνα 4.2.: Η προηγούμενη εικόνα σε μεγαλύτερη μεγέθυνση. Άλλες μορφές διαβρώσεων είναι η ρωγμώδης διάβρωση, λόγω παρουσίας σουλφιδίων (sulphide stress corrosion cracking), η μεσοκοκκική ή διακρυσταλλική (intergranular), η γαλβανική (galvanic) και η εξ επαφής (contact), η οποία συνδυάζει στοιχεία από την τρηματική, τη γαλβανική και τη διάβρωση των σχισμών. Η διάβρωση είναι μια ηλεκτροχημική διεργασία κατά την οποία εμπλέκεται ροή ηλεκτρικού ρεύματος και μπορεί να εμφανισθεί εξαιτίας γαλβανικών φαινομένων που προκαλούνται από την επαφή ανόμοιων μετάλλων μέσα σε ηλεκτρολυτικό περιβάλλον, δηλαδή σε ένα ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό. Για να εξελιχθεί κάποιο φαινόμενο γαλβανικής διάβρωσης θα πρέπει τα δύο μέταλλα να απέχουν κατά πολύ στην κατάταξη γαλβανισμού, να βρίσκονται σε ηλεκτρική επαφή και οι επιφάνειές τους να έρχονται σε επαφή μέσω ενός ηλεκτρικά αγώγιμου υγρού. Αν δεν υφίσταται ή αρθεί έστω και μία από όλες αυτές τις παραμέτρους, τότε αποτρέπεται η δημιουργία της γαλβανικής διάβρωσης. Στην πραγματικότητα, οι διάφοροι αυτοί τύποι σπάνια υπάρχουν μόνοι τους, καθώς η διάβρωση είναι ένας συνδυασμός από δύο ή περισσότερους τύπους. Διακρίνονται δύο μεγάλες κατηγορίες διάβρωσης: η χηµική, η ηλεκτροχημική. Κατά τη χηµική διάβρωση, τα μέταλλα και τα κράµατα μετατρέπονται σε οξείδια χωρίς την παρουσία νερού ή διαλύματος υπό ταυτόχρονη θέρμανση (Stein& Μακρής, 1993). Κατή την ηλεκτροχημική διάβρωση, απαραίτητη είναι η παρουσία ηλεκτρολύτη για τη μεταφορά των ιόντων και η δυνατότητα δημιουργίας ανόδου και καθόδου. Κατά την ηλεκτροχημική διάβρωση, το μέταλλο

3 της ανόδου διαλύεται και είτε παραµένει σε διαλυμένη κατάσταση είτε εναποτίθεται σαν προϊόν οξείδωσης στην κάθοδο. Το ηλεκτρολυτικό στοιχείο αποτελείται από άνοδο, ηλεκτρολύτη και κάθοδο. Ως άνοδος χαρακτηρίζεται το λιγότερο ευγενές μέταλλο ή η λιγότερο ευγενής θετικά φορτισµένη περιοχή του μετάλλου. Το μέταλλο αυτό ελευθερώνει ηλεκτρόνια µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία των θετικά φορτισμένων ιόντων. Ο ηλεκτρολύτης είναι υδατικό διάλυµα το οποίο επιτρέπει τη μετακίνηση των ιόντων από την άνοδο προς την κάθοδο (π.χ. νερό, αλκαλικά και όξινα διαλύµατα). Ως κάθοδος χαρακτηρίζεται το ευγενέστερο μέταλλο ή η ευγενέστερη αρνητικά φορτισµένη περιοχή του µετάλλου. Τα ηλεκτρόνια της ανόδου που περισσεύουν οδεύουν προς την κάθοδο και εκεί εκφορτίζουν τα θετικά ιόντα του ηλεκτρολύτη. Υπάρχει, όµως, μια σειρά παραγόντων που επηρεάζει θετικά ή αρνητικά την ταχύτητα της διάβρωσης και πιο συγκεκριµένα είναι: Η τιµή του pη του διαλύµατος, µε τα όξινα διαλύµατα να επιτείνουν τη διάβρωση. Η θερµοκρασία, µε την αύξηση της οποίας το φαινόµενο επιτείνεται, με αποτέλεσμα η µέγιστη διάβρωση να εµφανίζεται γύρω στους 80 C, ενώ, σε υψηλότερες θερµοκρασίες, η ταχύτητα διάβρωσης ελαττώνεται, καθώς περιορίζεται η διαλυτότητα του οξυγόνου. Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο, µε επιτάχυνση της διάβρωσης σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο. Η ταχύτητα ροής του περιβάλλοντος ρευστού. Με την αύξηση της ταχύτητας ροής, αυξάνεται η ταχύτητα διάβρωσης, λόγω αποκόλλησης και αποµάκρυνσης των προστατευτικών στρωµάτων και λόγω της συνύπαρξης μηχανικής διάβρωσης. Η περιεκτικότητα του διαλύµατος σε άλατα, λόγω αύξησης της αγωγιμότητας του διαλύµατος. Το είδος του διαβρωτικού µέσου, όπως διάφορα αέρια αλλά και το νερό. Διακρίνονται, επίσης, διάφορες µορφές διάβρωσης, ως υποκατηγορίες της ηλεκτροχηµικής διάβρωσης, χωρίς ή και µε µηχανική καταπόνηση των διατάξεων. Έτσι, στις ηλεκτροχηµικές διαβρώσεις χωρίς µηχανική καταπόνηση, εντάσσονται, η στρωµατική διάβρωση, η διάβρωση επαφής, η εκλεκτική διάβρωση, η τρηµατική διάβρωση και η διάβρωση διακένων. Στις ηλεκτροχηµικές διαβρώσεις µε την παρουσία µηχανικής καταπόνησης, εντάσσονται η ρηγµατική διάβρωση υπό τάση, η ρηγµατική διάβρωση υπό ταλάντωση, η µηχανική διάβρωση, η σπηλαίωση και η τριβική διάβρωση. Τέλος, στις διαβρώσεις ανήκει και η ψαθυροποίηση και ρηγµάτωση από την παρουσία υδρογόνου, λόγω της διείσδυσης ατοµικού υδρογόνου στο κρυσταλλικό πλάγια, κυρίως κατά τη φάση της παρασκευής των χαλύβων και της θερµικής και επιφανειακής κατεργασίας τους (Stein& Μακρής, 1993). Προκειµένου να αντιµετωπιστεί το φαινόµενο της διάβρωσης, η συνήθης τακτική αφορά στην προστασία των διαφόρων διατάξεων µε διάφορες επικαλύψεις με στρώµατα δια ηλεκτρολυτικής ή χηµικής απόθεσης.

4 Η στρατηγική προστασίας των μετάλλων από την καταστροφή επικεντρώνεται στον προσδιορισµό και τον έλεγχο σειράς παραγόντων που ευθύνονται γι αυτό, από τους οποίους οι σπουδαιότεροι, όπως ήδη προαναφέρθηκε, είναι η θερµοκρασία, η σχετική υγρασία, το ρη, η συγκέντρωση οξυγόνου, οι στερεοί ή διαλυτοί ρυπαντές και τέλος, η συγκέντρωση και η ταχύτητα του ηλεκτρολύτη (Σπυρέλλης, 1992). Η πιο αποτελεσµατική, τεχνικά ανετότερη και συνηθέστερη προστασία των µετάλλων από διάβρωση γίνεται μέσω της επικάλυψής τους µε κάποιο επίστρωµα ανθεκτικού υλικού, μεταλλικού ή µη μεταλλικού (βαφές και πολυµερείς επικαλύψεις). Έτσι, χρησιμοποιείται αλουµίνιο, χρώµιο, κοβάλτιο, κασσίτερος, ψευδάργυρος, οξείδιο του ζιρκονίου, νικέλιο, κάδµιο, ευγενή µέταλλα και πολλά άλλα στοιχεία, οξείδια αλλά και ενώσεις, προκειµένου οι χάλυβες να βελτιώσουν τη συµπεριφορά τους απέναντι στη διάβρωση, στην οξείδωση και σε πολλές άλλες ιδιότητες, απαραίτητες για τη σωστή εργονοµική συµπεριφορά τους. Η απόθεση του µεταλλικού επιστρώµατος επί του βασικού µετάλλου γίνεται συνήθως µε µία από τις παρακάτω µεθόδους: ηλεκτρολυτικά, με εµβάπτιση του µετάλλου σε τήγµα µετάλλου επικάλυψης, με εκτόξευση τηγµένου µετάλλου, με επιδραση ατµών ένωσης του επικαλυπτικού µετάλλου, με μηχανική επίθεση και εξέλαση φύλλων από το µέταλλο επικάλυψης (Σπυρέλλης, 1992).

5 Βιβλιογραφία 4 ου κεφαλαίου Σπυρέλλης, Ν. (1992). Τεχνολογία επιμεταλλώσεων. Αθήνα: Eκδόσεις ΕΜΠ. Stein, K. & Μακρής Π. (1993). Ανάλυση μηχανολογικών καταστροφών. Αθήνα: Εκδόσεις Παπασωτηρίου.