научная статья по теме ТЕОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПИТТИНГОВ. I. МЕХАНИЗМ ЛОКАЛЬНОЙ ДЕПАССИВАЦИИ МЕТАЛЛА Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПИТТИНГОВ. I. МЕХАНИЗМ ЛОКАЛЬНОЙ ДЕПАССИВАЦИИ МЕТАЛЛА»

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ, 2007, том 43, № 3, с. 231-234

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ

__ГРАНИЦАХ И ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ. _

--ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ. -

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

УДК 620.193.013

ТЕОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПИТТИНГОВ. I. МЕХАНИЗМ ЛОКАЛЬНОЙ ДЕПАССИВАЦИИ МЕТАЛЛА

© 2007 г. Ю. А. Попов

ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова г. Москва Поступила в редакцию 13.06.2006 г.

Рассмотрена электрохимическая кинетика на поверхности зарождающегося питтинга, роль ее энергетической неоднородности, кинетика самоускорения процесса локальной депассивации поверхности металла.

Ключевые слова: питтинг, кинетика, потенциал, самоускорение, уравнение, локальность, пассивность.

PACS: 82.45.Bb

В экспериментальном и теоретическом изучении питтингов можно выделить три основные части. Это задачи

1) о закономерностях зарождения питтингов, т.е. локальной депассивации металлической поверхности 8;

2) о конкурентном взаимодействии зародившихся питтингов и выживаний наиболее сильных из них;

3) о закономерностях роста выживших питтингов.

Эти задачи взаимосвязаны и все рассматриваемые в них процессы самосогласованы.

Взаимодействие питтингов, которое начинается уже в процессе локальной депассивации, в теоретическом плане почти не изучалось. Зарождение и рост выживших питтингов рассматривались в [1], [2], [3], но многие аспекты этой обширной темы нуждаются в дальнейшей разработке.

Согласно [1], локальная депассивация происходит, и питтинги зарождаются при наличии в растворе, во-первых, достаточно агрессивных анионов (типа С1-, Б 04 и др.) и, во-вторых, энергетической неоднородности поверхности Б металла, порождающей флуктуации концентрации С2 анионов у этой поверхности и рассматриваемой ниже.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА В ПИТТИНГЕ

Роль агрессивных анионов велика. В конкретных случаях существует их критическая по величине концентрация Скр, регулярной (т.е. воспроизводимой) функцией которых является потенциал

питтингообразования. В соответствии с электрохимической концепцией [4], участия анионов в элементарных актах анодного растворения, ионы С1- образуют на поверхности Б промежуточные адсорбционные комплексы, время жизни т которых определяет плотность i анодного тока. Через стадию образования таких комплексов (подобных большим молекулам) происходит зарождение и рост питтинга. Принципиальная схема [1] имеет вид:

Мг+ + рС1- ^ (МрС1 У-р + ° + ов,

(М р С1)

г - р + о

+ пН20 ^ (МрС1 п Н20)

г - р + о

(МрС1 п Н20)г-р + о — ► (МрС1 п Н20)г+ + рС1- ов,

(1)

где о - доля электронного заряда, затрачиваемая на образование хемосорбционных комплексов (МрС1 п Н20)г - р + о. Согласно (1), для перехода в раствор в составе этих регенерируемых комплексов поверхностные ионы металла должны предварительно связаться с р ионами С1- и п молекулами адсорбированной воды. Это соответствует тому, что в области потенциалов питтингообразующая активность С1- возрастает за счет величины о(ф) настолько, что их адсорбционная способность при достаточной концентрации оказывается сильнее (в отличие от области активного растворения), чем у молекул воды. Эти молекулы вытесняются с соответствующих по активности участков поверхности Б, залечивание на них становится невозможным и локальная депассивация при наличии рассмотренного ниже ее самоускорения оказывает-

ся необратимой. Она ведет к возникновению пит-тингов1.

Отметим, что присутствие в (1) молекул Н20, как участников элементарного акта не является какой-либо спецификой развития питтингов. В водных электролитах анодное растворение всегда сопровождается участием молекул воды, и их включение в схемы типа (1) совместно с активирующими ионами естественно. Но если концентрация воды велика, так что ионные компоненты электролита являются примесями, то молекулы Н20 в схему элементарного акта можно не вводить явно. В случае питтингов ситуация иная, что учтено в (1). Кинетическое уравнение, адекватное схеме (1), имеет вид:

Г= кай(Ф)С25СВ8Км( 1- 0) - Кион(ф)©,

от (2)

7 = К ион (Ф)0,

где 0 - степень заполнения растворяющейся поверхности S комплексами (МрС1 п Н20)2 - р + Каа(ф) и Кион(ф) - скорости их образования и концентрации, Г - полное число мест адсорбции на S, С28 и СВ8 - граничные значения концентраций анионов и водного растворителя.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ РАСТВОРЯЮЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ S.

САМОУСКОРЕНИЕ ЕЕ ЛОКАЛЬНОЙ ДЕПАССИВАЦИИ

Причиной неоднородности (т.е. различия скоростей анодного растворения на разных участках 5S) могут быть структурные несовершенства в решетке реального кристалла, т.е. межкристал-литные границы, микровыступы, выходы дислокаций, различие кристалликих граней и др.

Момент времени и место появления на поверхности S растворяющегося металла той или иной активности случайны, но плотность вероятности их статистического распределения и интервал их значений детерминированы. Для учета неоднородности поверхность S представим суммой малых участков 5Sn, на каждом из которых активность (энергия связи £ поверхностного иона металла и другие свойства, например, адсорбционные) можно считать неизменной. Тогда

в = Х5§п

(п)

Далее введем функцию / (£) статистического распределения активностей, перейдем к пределу

8Sn^d в (£)

и получим выражение для средней по поверхности плотности 7С анодного тока

1с = | 'а(£)/(£)d£,

| /(£)d£

= 1,

где £тп, £тах - нижний и верхний пределы спектра активностей. Функцию / (£) можно считать соответствующей равномерно-неоднородной поверхности. Здесь под интегралом локальная плотность тока

7д(£) = 7 с + 8,- (£),

генерируется участком 8S(£). Индекс Л означает локальность. Отклонение 87(£) от средней плотности 7С является локальной флюктуацией плотности тока, отрицательной либо положительной. Интервал {£т1п, £тах} значений спектра активностей поверхности 5 может достигать нескольких электрон-вольт. Средняя плотность тока 7С совпадает с плотностью 7П растворения запассивиро-ванного металла.

Так как на наиболее активных (т.е. 87(£) > 0) участках 85^ поверхности металла через соответствующие им объемы 8¥к пассивирующего слоя проходит локальный ток 7Л большей величины, то обмен местами ионами в подрешетках слоя здесь более интенсивен. Поэтому вся структура ПС неоднородна, т.е. неоднородность поверхности 5 передается на межфазную границу с электролитом. Соответственно в электролите у поверхности объемов 8¥к концентрация 8СХ ионов М2+ локально повышается на величину 8СХ, возникает избыточный положительный заряд г18С1, и происходит приток агрессивных анионов, компенсирующих этот заряд. Соответственно объемная концентрация С2 анионов локально возрастает на величину 8С2, т.е. на участках 85^ имеем

С1Л = С + 8 С1(£),

С2Л = С2 + 8 С2(£),

причем

1 Указанный механизм питтингообразования, т.е. совместное действие энергетической неоднородности запассиви-рованной поверхности 8, ионов электролита С1- и самоускорение можно назвать "хлорным". В его пользу свидетельствует само отсутствие питтингов при недостаточной концентрации С1-, а также регулярная зависимость потенциала питтингообразования от этой концентрации.

^8С ~ ^8С2,

-Л = -с + 87(£) .

(4)

Таким образом, первичная флюктуация 87 порождает вторичную флюктуацию 8С2 концентрации агрессивных анионов. Но поскольку они участвуют в элементарных актах, то возникнове-

£

тах

£

£

£

ТЕОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ПИТТИНГОВ

233

ние флюктуации 5С2 ускоряет локальное растворение ПС на участках с 5г'(е) > 0, и тогда еще более возрастают 5,, 5С2 и т.д. Следовательно, возникает положительная обратная связь и локальное разрушение ПС, т.е. локальная депассивация активных участков 58к происходит с самоускорением.

где фЛ - скачок потенциала над ямкой в ПС, растущей в процессе локальной депассивации. Далее для упрощения примем

Фл " Фр +

Фа - Ф р

t,

©Л - 1,

(9)

КИНЕТИКА САМОУСКОРЕНИЯ

Локальные концентрации С1Л, С2Л в (3) определяются уравнениями

С дt

+ div у 1Л = 0,

j 1Л = - А У С1 л + «1ЕС1Л, а =

^ + div; 2Л = 0, / 2Л = - В2 У С2Л - «2ЕС2Л,

а2 =

т ,

ят

(5)

с граничными условиями

„д ©л

•/18 г 1 Е, ^ Г"Эt

(6)

гЛ гп 1 5', 'И В (5), (6) величины гЛ, С1Л, С2Л совпадают с (3), (4) при условии, что плотность среднего тока гС в (4) совпадает с плотностью гп тока растворения запассивированного металла, о чем уже сказано выше. Индекс 8 означает принадлежность величины к дну ямки в слое ПС, возникающей в процессе локальной депассивации. Степень ©Л заполнения дна ямки анионами (т.е. адсорбционными комплексами) определяется соотношениями (2).

Из (5), (6) для приведенной концентрации СЛ получаем уравнение с граничным и начальным условиями вида (С10, С20 - объемные концентрации)

В „2 ( 21+ 22 )"

5 г,

г

5 г > 0.

^ = В ДС

Вэф =

[71В1+ 2 2 В2

С

п

(21 + 22 ) =

' ± 1± + ± ГЭ ©л"

В121 Е В2 д t _

С \ = С С =

л t = 0 0? ^0

С

С

(7)

20

?

21

С1Л = 2 2 CЛ, С2Л = 21СЛ

Для определения слагаемого Г

СЛ = С0 + 5 С. д ©л

дt

гранич-

ном условии (7) используем (2) и пишем

^ ©Л

Г

дt

= К ае(Фл)( 1 - ©Л) - ©ЛКион(Фл),

(8)

'л = ©Л К ион (Фл) , Кион (Фл) = к ион ехр (а яят Фл^| ,

где т - характерное время локальной депассивации (т.е. время локального "проедания"пассиви-рующего оксида), Фр - стационарный потенциал границы пассивирующего слоя с электролитом, Фа - анодный потенциал. Тогда локальный ток гЛ растворения ямки и общий (средний) ток гп растворения запассивированного металла выразятся формулами

г'п = к ион ехр ( а ЯТ Ф р ),

г'л( t) = г'п ехр ( а|Г Ф а т Ф р 11.

(10)

Связь токов гп и гЛ в (10) обусловлена зависимостью каждого из них от одних и тех же величин, именно Ка(Ф) и Ки(Ф) в (8). В силу (8), (9), (10) краевая задача для приведенной локальной концентрации СЛ сводится к виду

^ = °Эф ДСЛ,

С

Л8

п

= д (t), д (0 =

-г_л(0 ■

. 21Е ]

_1_

В л

В 2

(11)

гЛ(t) = гпехр( а

2Е Фа - Фр

ят

Для решения задачи (11), определяющей рост флюктуации 5С в (3), используем интегральный метод Кармана. Он основан на модели массопере-носа с конечной скоростью, что соответствует реальной физической ситуации. Рассмотрим область с характерным линейным размером ¡(0, за пределами которо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком