У сферы матэрыяльнай навукі і тэхнікі тэрміны карозіі, акіслення і іржы часта выкарыстоўваюцца ўзаемазаменна. Аднак гэтыя працэсы, хоць і звязаныя, маюць розныя характарыстыкі і наступствы. Разуменне іх адрозненняў мае вырашальнае значэнне для галін, пачынаючы ад будаўніцтва да аэракасмічнай прасторы, бо гэтыя з'явы могуць істотна паўплываць на даўгалецце і бяспеку матэрыялаў і структур.
Што такое карозія?
Карозія - гэта паступовая дэградацыя матэрыялаў, як правіла, металы, выкліканыя хімічнымі або электрахімічнымі рэакцыямі. Гэта аслабляе матэрыял і ўплывае на яго структурную цэласнасць. Карозія можа прывесці да адмовы, калі застанецца без кантролю.
Дэградацыя матэрыяльных уласцівасцей
Калі ўзнікае карозія, гэта змяняе фізічныя ўласцівасці матэрыялу. Сюды ўваходзяць сіла, знешні выгляд і нават праводнасць. Электрахімічныя рэакцыі паміж металам і яго асяроддзем выклікаюць гэтую дэградацыю.
Віды карозіі
Карозія не аднолькавая ў кожным сцэнарыі. Розныя асяроддзі і матэрыялы прыводзяць да розных формаў карозіі. Ніжэй прыведзены некаторыя агульныя тыпы:
Адзіная атака : Гэта найбольш распаўсюджаная форма карозіі. Гэта адбываецца, калі ўся паверхня матэрыялу падвяргаецца агрэсіўнай асяроддзі, што прыводзіць да нават пагаршэння.
Гальванічная карозія : гэты тып карозіі адбываецца, калі два розныя металы кантактуюць адзін з адным пры наяўнасці электраліта. Менш высакародны метал становіцца анодам і размываецца хутчэй.
eCell = E⁰Cathode - E⁰Anode - (RT/NF) LN ([OX]/[чырвоны])
Ecell = патэнцыял клетак, E0 = стандартныя патэнцыялы электрода, R = канстанта газу, t = тэмпература, n = колькасць перададзеных электронаў, а F - пастаянная фарадэя.
Карозія расколіны : гэта адбываецца ў абмежаваных прасторах, дзе агрэсіўнае асяроддзе больш сур'ёзная, чым ваколіцы. Гэтыя прасторы, альбо шчыліны, могуць утварацца па дызайне або навалам смецця.
Хуткасць карозіі ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
У гэтым раўнанні ΔG - гэта змяненне свабоднай энергіі Гібса, R - гэта канстанта газу, а t - тэмпература.
Пітынг : Гэта лакалізаваная форма карозіі, якая прыводзіць да невялікіх адтулін або ям на паверхні металу. Гэта можа быць складана выявіць і можа прывесці да хуткага збою.
Міжгранулярная карозія : гэты тып карозіі ўзнікае ўздоўж межаў збожжа металу, часта з -за ападкаў прымешак або фарміравання розных фаз.
Карозія эрозіі : гэта адбываецца, калі агрэсіўная вадкасць перамяшчаецца па металічнай паверхні з высокімі хуткасцямі, выклікаючы як механічны знос, так і хімічную дэградацыю.
Стрэс -трэсканне карозіі : гэта адбываецца, калі метал падвяргаецца як напружанню расцяжэння, так і агрэсіўным асяроддзем, што прыводзіць да фарміравання і распаўсюджвання расколін.
Селектыўнае вылугаванне : Гэты тып карозіі прадугледжвае селектыўнае выдаленне аднаго элемента са сплаву, пакідаючы пасля сябе аслабленую, сітаватую структуру.
Матэрыялы, якія пацярпелі ад карозіі
Карозія не проста ўплывае на металы. Іншыя матэрыялы таксама могуць пагоршыць:
Металы : жалеза, алюміній, медзь і іх сплавы найбольш уплываюць на карозію.
Кераміка : Хоць менш распаўсюджаная, кераміка можа пагоршыць хімічныя рэакцыі са сваім асяроддзем.
Палімеры : Замест карозіі палімеры дэградуюць. Гэта паслабленне можа прывесці да парэпання, дэфармацыі або змянення колеру.
Што такое акісленне?
Акісленне - гэта хімічны працэс, калі матэрыял губляе электроны, звычайна рэагуе з кіслародам. Гэта частка паўсядзённай хіміі, якая часта прыводзіць да бачных змяненняў, такіх як колер ці тэкстура.
Хімічны працэс, які ўключае страту электронаў
У акісленні рэчыва аддае электроны іншаму. Кісларод звычайна з'яўляецца рэчывам, якое іх прымае. Гэтая рэакцыя можа адбывацца як у арганічных, так і ў неарганічных матэрыялах, змяняючы іх уласцівасці. Агульная рэакцыя акіслення можа быць прадстаўлена як:
m → m⁺ + e⁻
Тут 'm ' уяўляе сабой матэрыял (часта метал), які губляе электроны, становячыся станоўча зараджаным іёнам (M⁺).
Прыклады акіслення ў паўсядзённым жыцці
Акісленне ўплывае на матэрыялы, якія мы выкарыстоўваем кожны дзень. Вось некалькі агульных прыкладаў:
Іржа з жалеза і сталі : калі жалеза ўступае ў рэакцыю з кіслародам і вільгаці, ён утварае іржу. Хімічнае ўраўненне для фарміравання іржы складае:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Гэты чырванавата-карычневы пласт аслабляе метал.
Запляценне срэбра : срэбра ўступае ў рэакцыю з серавымі злучэннямі ў паветры, утвараючы срэбны сульфід. Хімічнае ўраўненне:
2Ag + h₂s → ag₂s + h₂
Гэты чорны пласт прытупляе бляск срэбных упрыгожванняў або сталовых прыбораў.
Акісленне ў арганічных матэрыялах
Акісленне таксама адбываецца ў жывых арганізмах. Але ў адрозненне ад металаў, эфекты могуць быць карыснымі:
Павышэнне метабалізму : У нашых целах акіслянне дапамагае спальваць ежу для энергіі, паскараючы метабалізм.
Нізкі рызыка рака : пэўныя працэсы акіслення ў клетках дапамагаюць прадухіліць распаўсюджванне шкодных свабодных радыкалаў, што можа знізіць рызыку рака.
Што такое іржа?
Іржа - гэта спецыфічны тып карозіі, які ўплывае на жалеза і яго сплавы, напрыклад, сталь. Ён характарызуецца чырванавата-карычневым колерам і лупістай тэкстурай.
Такая форма карозіі ўзнікае, калі жалеза падвяргаецца ўздзеянню вільгаці і кіслароду. Працэс фарміравання іржы ўключае ў сябе некалькі этапаў:
Рэакцыя акіслення : Жалеза губляе электроны і рэагуе з кіслародам у прысутнасці вады, утвараючы іёны жалеза (II).
Fe → fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Фарміраванне гідраксіду жалеза : іёны Fe⊃2; ⁺ ўступаюць у рэакцыю з вадой і кіслародам, утвараючы жалеза (II) гідраксід.
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → fe (OH) ₂ ₂
Акісленне гідраксіду жалеза : жалеза (II) гідраксід таксама акісляе акіслянне, утвараючы жалеза (III) гідраксід.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Фарміраванне іржы : жалеза (III) дэгідраты гідраксіду, утвараючы аксід-гідраксід жалеза (III), звычайна вядомы як іржа. Гэтая іржа ўяўляе сабой складаную сумесь аксіду жалеза і гідраксідаў.
4fe (OH) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Некалькі ўмоў могуць спрыяць фарміраванню іржы:
Наяўнасць вільгаці : вада дзейнічае як электраліт, што дазваляе рэакцыямі па скарачэнні акіслення, неабходнымі для іржы. Высокая вільготнасць або непасрэднае ўздзеянне дажджу могуць паскорыць працэс.
Уздзеянне кіслароду і электралітаў : кісларод мае важнае значэнне для фарміравання іржы. Участкі з добрай аэрацыяй або высокай канцэнтрацыяй кіслароду больш схільныя да іржы. Солі і кіслоты таксама могуць павялічыць электрахімічную актыўнасць металу, паскараючы працэс іржы.
Фактары навакольнага асяроддзя : тэмпература гуляе ролю ў фарміраванні іржы. Больш высокія тэмпературы могуць павысіць хуткасць хімічных рэакцый, што прывядзе да больш хуткага іржы. Паверхневыя забруджванні, такія як бруд або алей, могуць прыняць вільгаць на паверхню металу, ствараючы лакалізаваныя ўчасткі, уразлівыя да іржы.
Адрозненні паміж карозіяй, акісленнем і
| іржы | іржы | іржы | іржой |
| Вызначэнне | Дэградацыя матэрыялаў з -за хімічных ці электрахімічных рэакцый з навакольным асяроддзем | Хімічны працэс, дзе рэчыва губляе электроны, часта звязаны з кіслародам | Спецыфічная форма карозіі, якая ўплывае на жалезныя і жалезныя сплавы |
| Аб'ём | Самы шырокі тэрмін, які ахоплівае розныя формы дэградацыі матэрыялу | Спецыфічны тып хімічнай рэакцыі | Спецыфічны прадукт акіслення жалеза |
| Закрануты матэрыялы | Розныя матэрыялы, уключаючы металы, кераміку і палімеры | Як арганічныя, так і неарганічныя рэчывы | У прыватнасці жалеза і яго сплавы |
| Фактары навакольнага асяроддзя | Патрабуе электраліта | Патрэбны кісларод ці іншы акісляльны агент | Патрабуе як кіслароду, так і вільгаці |
| Прадукцыя | Можа прывесці да розных злучэнняў | Вырабляе аксіды | Утварае аксіды жалеза і гідраксіды |
| Хімічны працэс | Часта ўключае ў сябе перадачу электронаў паміж матэрыялам і навакольным асяроддзем | Страта электронаў, часта да кіслароду | Жалеза рэагуе з кіслародам і вадой |
| Знешнасць | Розныя формы (напрыклад, піттынг, маштабаванне) | Можа быць бачным альбо нябачным у залежнасці ад матэрыялу | Адметны чырванавата-карычневы колер |
| Уздзеянне | Звычайна шкодна для матэрыяльных уласцівасцей | Можа быць карысным (напрыклад, ахоўнымі пластамі) альбо шкоднымі | Заўсёды шкодны для матэрыялаў на аснове жалеза |
| Эканамічны ўплыў | Значны ў розных галінах прамысловасці | Залежыць у залежнасці ад кантэксту | Істотна ў галінах, якія выкарыстоўваюць жалеза |
Уплыў карозіі, акіслення і іржы
Карозія, акісленне і іржа маюць далёка ідучыя наступствы, якія выходзяць за рамкі дэградацыі матэрыялаў. Яны могуць прывесці да значных эканамічных страт, ставяць рызыку бяспекі і нават нанесці шкоду навакольнаму асяроддзю.
Эканамічныя наступствы
Выдаткі, звязаныя з карозіяй, акісленнем і іржай, ашаламляльныя. Паводле даследавання NACE International, сусветная кошт карозіі ацэньваецца ў 2,5 трлн долараў штогод, што эквівалентна 3,4% ад ВУП свету.
Гэтыя выдаткі ўключаюць:
Прамыя выдаткі на замену або рамонт карозійных матэрыялаў і структур
Ускосныя выдаткі, такія як страта вытворчасці, пашкоджанне навакольнага асяроддзя і судовыя працэсы
Выдаткі на тэхнічнае абслугоўванне для прафілактыкі і кантролю
Галіны, якія найбольш пацярпелі ад карозіі, ўключаюць:
Алей і газ
Транспарт (аўтамабільная, аэракасмічная, чыгуначная і марская)
Інфраструктура (масты, трубаправоды і будынкі)
Вытворчыя і перапрацоўчыя расліны
Праблемы бяспекі
Карозія, акісленне і іржа могуць паставіць пад пагрозу структурную цэласнасць будынкаў, транспартных сродкаў і інфраструктуры. Гэта пагаршэнне можа прывесці да катастрафічных збояў, падвяргаючы жыццё рызыцы.
Некаторыя прыклады небяспекі бяспекі, выкліканыя карозіяй, ўключаюць:
Калапс мастоў або будынкаў з -за аслабленага сталёвага арматуры
Збой трубаправодаў, што прывядзе да разліву нафты або ўцечкі газу
Няспраўнасць крытычных кампанентаў у самалётах ці транспартных сродках
Забруджванне пітной вады з карозійных труб
Наступствы навакольнага асяроддзя
Карозія, акісленне і іржа таксама могуць мець значныя наступствы навакольнага асяроддзя. Калі раз'ядзеныя канструкцыі не атрымліваюцца, яны могуць выпускаць небяспечныя матэрыялы ў навакольнае асяроддзе.
Напрыклад:
Каразіраваныя рэзервуары могуць уцечкі хімічных рэчываў або нафтапрадуктаў, забруджваючы глебу і падземныя воды
Іржавыя металічныя адходы могуць вылучыць цяжкія металы ў экасістэму
Дэградацыя інфраструктуры можа прывесці да неэфектыўнасці, павелічэнне выкідаў парніковых газаў
Стратэгіі прафілактыкі і змякчэння наступстваў
Прадухіленне і змякчэнне карозіі, акіслення і іржы патрабуе шматграннага падыходу. Гэта ўключае ў сябе ўважлівы выбар матэрыялаў, дызайнерскія меркаванні, ахоўныя метады лячэння, кантроль над навакольным асяроддзем і рэгулярны маніторынг.
Выбар матэрыялу і дызайн
Адзін з найбольш эфектыўных спосабаў прадухілення карозіі - гэта выкарыстанне матэрыялаў, якія па сваёй сутнасці ўстойлівыя да яго. Некалькі прыкладаў устойлівых да карозійных сплаваў ўключаюць:
Гэтыя матэрыялы ўтвараюць на іх паверхні ахоўны аксідны пласт, што дапамагае прадухіліць далейшую карозію.
Дызайн таксама гуляе вырашальную ролю ў мінімізацыі карозіі. Інжынеры павінны:
Пазбягайце вострых кутоў і шчылін, дзе могуць назапашвацца агрэсіўныя рэчывы
Забяспечце належны дрэнаж, каб прадухіліць стаянне вады
Выкарыстоўвайце зварныя суставы замест прыкручаных або заклёпленых злучэнняў, калі гэта магчыма
Ахоўныя пакрыцці і працэдуры
Прымяненне ахоўных пакрыццяў і працэдур на паверхню матэрыялу можа дапамагчы прадухіліць карозію. Некаторыя распаўсюджаныя метады ўключаюць:
Фарбы і алеі : яны ствараюць бар'ер паміж металам і навакольным асяроддзем, прадухіляючы ўздзеянне агрэсіўных агентаў.
Ацынкаванне : гэта ўключае ў сябе пакрыццё жалеза ці сталі з пластом цынку, які ахрысцічна раз'ядае, каб абараніць асноўны метал.
Электрапляванне : ён адкладае тонкі пласт больш устойлівага да карозіі металу, напрыклад, хром або нікель, на паверхню іншага металу.
Анадызацыя : Гэты працэс стварае тоўсты ахоўны аксідны пласт на паверхні металаў, як алюміній.
Пасівацыя : гэта прадугледжвае лячэнне паверхні металу з хімічным растворам для ўзмацнення адукацыі ахоўнага аксіднага пласта.
Экалагічны кантроль
Кантроль за навакольным асяроддзем можа дапамагчы мінімізаваць уздзеянне агрэсіўных агентаў. Некаторыя стратэгіі ўключаюць:
Падтрыманне нізкага ўзроўню вільготнасці для зніжэння вільгаці ў паветры
Рэгуляванне тэмпературы, каб пазбегнуць экстрэмальных ваганняў, якія могуць паскорыць карозію
Выкарыстанне асушальнікаў, кандыцыянераў або абагравальнікаў для кіравання навакольным асяроддзем
Захоўванне матэрыялаў у сухіх, добра праведзеных участках ад агрэсіўных рэчываў
Маніторынг карозіі і агляд
Рэгулярны маніторынг і агляд могуць дапамагчы выявіць карозію рана, што дазваляе своечасова ўмяшацца. Гэта ўключае:
Візуальна аглядаючы паверхні на наяўнасць прыкмет карозіі, такіх як змяненне колеру, ярка альбо лускавінка
Выкарыстанне неразбуральных метадаў тэсціравання, такіх як вымярэнне ультрагукавой таўшчыні або рэнтгенаграфія, для ацэнкі ступені карозіі, не пашкоджваючы матэрыял
Вядзенне падрабязных вынікаў праверкі для адсочвання прагрэсавання карозіі з цягам часу
Прагрэс у галіне прафілактыкі карозіі і тэхналогій
Паколькі барацьба з карозіяй працягваецца, даследчыкі і інжынеры распрацоўваюць інавацыйныя рашэнні для прадухілення і змякчэння яго наступстваў. Гэтыя дасягненні вар'іруюцца ад высокапрадукцыйных пакрыццяў да сістэм маніторынгу ў рэжыме рэальнага часу і новых матэрыялаў.
Распрацоўка высокапрадукцыйных пакрыццяў
Адзін з напрамкаў значнага прагрэсу - гэта распрацоўка перадавых ахоўных пакрыццяў. Гэтыя пакрыцці забяспечваюць цудоўную ўстойлівасць да карозіі, зносу і хімічнай атакі. Некаторыя прыкметныя прыклады ўключаюць:
Эпаксідныя і паліурэтанавыя пакрыцці : яны прапануюць выдатную адгезію, трываласць і ўстойлівасць да вільгаці і хімічных рэчываў. Яны шырока выкарыстоўваюцца ў прамысловых і марскіх прыкладаннях.
Флюарапалімерныя пакрыцці : вядомыя сваімі выключнымі хімічнымі рэзістэнтнасцю і нізкім уласцівасцям трэння, фторпалімерныя пакрыцці, такія як PTFE (Teflon), ідэальна падыходзяць для жорсткіх умоў.
Бія-натхнёныя пакрыццямі для самастойнага вылету : гэтыя інавацыйныя пакрыцці імітуюць самастойнае ўласцівасці жывых арганізмаў. Яны ўтрымліваюць мікраскапічныя капсулы, запоўненыя лячэбнымі рэчывамі, якія вылучаюцца пры пашкоджанні пакрыцця, што дазваляе ёй адрамантаваць сябе.
Катодныя абароны і тэхналогіі інгібітараў карозіі
Катодная абарона-гэта добра наладжаны метад прадухілення карозіі ў металічных структурах. Гэта прадугледжвае прымяненне невялікага электрычнага току да металу, што робіць яго катодам у электрахімічнай клетцы. Гэта не дазваляе металу раз'ядаць.
Інгібітары карозіі - гэта рэчывы, якія пры даданні ў агрэсіўную сераду зніжаюць хуткасць карозіі. Яны працуюць, утвараючы ахоўную плёнку на металічнай паверхні альбо змяняючы хімію навакольнага асяроддзя.
Апошнія дасягненні ў гэтых тэхналогіях ўключаюць:
Уражаныя сучасныя катодныя сістэмы абароны, якія выкарыстоўваюць сонечную энергію або іншыя аднаўляльныя крыніцы энергіі
Інгібітары арганічнай карозіі, атрыманыя з раслінных экстрактаў і іншых экалагічна чыстых крыніц
Разумныя пакрыцці, якія ўключаюць інгібітараў карозіі і вылучаюць іх пры неабходнасці
Сістэмы маніторынгу карозіі ў рэжыме рэальнага часу і ранняе папярэджанне
Ранняе выяўленне карозіі мае вырашальнае значэнне для прадухілення катастрафічных няўдач. Сістэмы маніторынгу ў рэжыме рэальнага часу выкарыстоўваюць датчыкі для пастаяннага вымярэння розных параметраў, звязаных з карозіяй, напрыклад::
Гэтыя сістэмы могуць папярэджваць аператараў, калі хуткасць карозіі перавышае прымальныя ўзроўні, што дазваляе своечасова ўмяшацца. Некаторыя ўдасканаленыя сістэмы нават выкарыстоўваюць алгарытмы машыннага навучання для прагназавання хуткасці карозіі на аснове гістарычных дадзеных.
Новыя матэрыялы і метады прафілактыкі карозіі ў марскіх умовах
Марскія ўмовы асабліва складаныя, калі гаворка ідзе пра прафілактыку карозіі. Спалучэнне салёнай вады, біялагічнага забруджвання і механічнага стрэсу можа хутка пагоршыць нават самыя надзейныя матэрыялы.
Даследчыкі распрацоўваюць новыя матэрыялы і прыёмы для вырашэння гэтых праблем, такіх як:
Устойлівыя да карозійных сплаваў, якія змяшчаюць высокі ўзровень хрому, нікеля і малібдэна
Кампазітныя матэрыялы, якія спалучаюць трываласць металаў з каразійнай устойлівасцю палімераў
Нанаструктураваныя пакрыцці, якія ствараюць супергідрафобную паверхню, прадухіляючы ваду і іншыя агрэсіўныя рэчывы ад прытрымлівання металу
Электрахімічныя метады кіравання карозія
Выснова
Карозія, акісленне і іржа звязаны, але розныя працэсы, якія могуць значна паўплываць на матэрыялы і структуры. У той час як акісленне - гэта шырокая хімічная рэакцыя, карозія канкрэтна дэградуе матэрыялы, а іржа закранае толькі жалеза і яго сплавы.
Разуменне гэтых адрозненняў мае вырашальнае значэнне для падтрымання бяспекі і даўгавечнасці розных актываў. Працягваюцца даследаванні ў галіне карозійнай навукі накіраваны на распрацоўку новых стратэгій і тэхналогій прафілактыкі для барацьбы з гэтымі ўстойлівымі праблемамі.
