В сферата на материалните науки и инженерството термините корозия, окисляване и ръжда често се използват взаимозаменяемо. Тези процеси, макар и свързани, имат различни характеристики и въздействия. Разбирането на техните различия е от решаващо значение за индустриите, вариращи от строителството до аерокосмическото пространство, тъй като тези явления могат значително да повлияят на дълголетието и безопасността на материалите и структурите.
Какво е корозия?
Корозията е постепенното разграждане на материалите, обикновено метали, причинени от химични или електрохимични реакции. Той отслабва материала и засяга неговата структурна цялост. Корозията може да доведе до неуспех, ако остане непроверена.
Деградация на свойствата на материала
Когато се появи корозия, тя променя физичните свойства на материала. Това включва здравина, външен вид и дори проводимост. Електрохимичните реакции между метала и неговата среда причиняват това разграждане.
Видове корозия
Корозията не е еднаква при всеки сценарий. Различните среди и материали водят до различни форми на корозия. По -долу са някои общи типа:
Еднообразна атака : Това е най -често срещаната форма на корозия. Той възниква, когато цялата повърхност на материал е изложена на корозивна среда, което води до равномерно влошаване.
Галванална корозия : Този тип корозия се случва, когато два различни метала са в контакт помежду си в присъствието на електролит. По -малко благородният метал става анод и корозира по -бързо.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[червено])
Ecell = клетъчен потенциал, E0 = стандартни потенциали на електрода, r = константа на газ, t = температура, n = брой прехвърлени електрони, а F е константата на Faraday.
Скорост на корозия ∝ [Cl–] E (-∆G/RT)
В това уравнение ΔG е промяната в свободната енергия на Gibbs, R е газовата константа, а T е температурата.
Pitting : Това е локализирана форма на корозия, която води до малки дупки или ями на повърхността на метал. Може да бъде трудно да се открие и може да доведе до бърза повреда.
Междугрануларна корозия : Този вид корозия възниква по границите на зърното на метал, често поради утаяването на примеси или образуването на различни фази.
Ерозия корозия : Това се случва, когато корозивна течност се движи върху метална повърхност с високи скорости, причинявайки както механично износване, така и химическо разграждане.
Напукване на корозия на стреса : Това се случва, когато металът е подложен както на напрежение на опън, така и на корозивна среда, което води до образуването и разпространението на пукнатините.
Селективно извличане : Този тип корозия включва селективното отстраняване на един елемент от сплав, оставяйки след себе си отслабена пореста структура.
Материали, засегнати от корозия
Корозията не влияе само на металите. Други материали също могат да се влошат:
Метали : Желязо, алуминий, мед и техните сплави са най -повлияни от корозия.
Керамика : Макар и по -рядко срещана, керамиката може да се разгради чрез химични реакции с тяхната среда.
Полимери : Вместо корозия, полимерите се разграждат. Това отслабване може да доведе до напукване, изкривяване или обезцветяване.
Какво е окисляване?
Окисляването е химичен процес, при който материал губи електрони, обикновено реагиращи с кислород. Това е част от ежедневната химия, често води до видими промени като цвят или текстура.
Химически процес, включващ загубата на електрони
При окисляване веществото се отказва от електрони на друг. Кислородът обикновено е веществото, което ги приема. Тази реакция може да възникне както в органични, така и в неорганични материали, променяйки свойствата им. Обща реакция на окисляване може да бъде представена като:
m → m⁺ + e⁻
Тук 'm ' представлява материала (често метал) губещ електрони, превръщайки се в положително зареден йон (M⁺).
Примери за окисляване в ежедневието
Окисляването засяга материалите, които използваме всеки ден. Ето някои общи примери:
Ръжда на желязо и стомана : Когато желязото реагира с кислород и влага, той образува ръжда. Химическото уравнение за образуване на ръжда е:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Този червеникаво-кафяв слой отслабва метала.
Опетняване на сребро : Среброто реагира със серни съединения във въздуха, образувайки сребърен сулфид. Химическото уравнение е:
2AG + H₂S → AG₂S + H₂
Този черен слой притъва блясъка на сребърни бижута или прибори за хранене.
Окисляване в органични материали
Окисляването се случва и при живи организми. Но за разлика от металите, ефектите могат да бъдат от полза:
Увеличаване на метаболизма : В нашите тела окисляването помага да изгаря храната за енергия, ускорявайки метаболизма.
По -нисък риск от рак : Някои процеси на окисляване в клетките помагат да се предотврати разпространението на вредни свободни радикали, което може да намали риска от рак.
Какво е ръжда?
Ръст е специфичен тип корозия, която засяга желязото и неговите сплави, като стомана. Характеризира се с червеникаво-кафяв цвят и люспеста текстура.
Тази форма на корозия възниква, когато желязото е изложено на влага и кислород. Процесът на образуване на ръжда включва няколко стъпки:
Реакция на окисляване : Желязото губи електрони и реагира с кислород в присъствието на вода, за да образува желязо (II) йони.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Образуване на железен хидроксид : Fe⊃2; ⁺ йони реагират с вода и кислород, за да образуват желязо (II) хидроксид.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Окисляване на желязо хидроксид : желязо (II) хидроксид допълнително окислява, за да образува желязо (III) хидроксид.
4Fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe (OH) ₃
Образуване на ръжда : желязо (iii) хидроксид дехидрати за образуване на желязо (III) оксид-хидроксид, обикновено известен като ръжда. Тази ръжда е сложна смес от железни оксиди и хидроксиди.
4Fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Няколко условия могат да насърчават формирането на ръжда:
Наличие на влага : Водата действа като електролит, което позволява реакциите на редукция на окисляване, необходими за ръжда. Високата влажност или директното излагане на дъжд може да ускори процеса.
Излагане на кислород и електролити : Кислородът е от съществено значение за образуването на ръжда. Зоните с добра аерация или висока концентрация на кислород са по -предразположени към ръжда. Солите и киселините също могат да увеличат електрохимичната активност на метала, ускорявайки процеса на ръжда.
Фактори на околната среда : Температурата играе роля във формирането на ръжда. По -високите температури могат да повишат скоростта на химичните реакции, което води до по -бързо ръжда. Повърхностните замърсители като мръсотия или масло могат да улавят влагата срещу металната повърхност, създавайки локализирани зони, уязвими от ръжда.
Разлики между корозия, окисляване и
| аспект на ръжда | на ръжда | окисляване | корозия |
| Определение | Деградация на материалите поради химически или електрохимични реакции с околната среда | Химически процес, при който вещество губи електрони, често включващи кислород | Специфична форма на корозия, засягаща желязните и железни сплави |
| Обхват | Най -широк термин, обхващащ различни форми на деградация на материала | Специфичен тип химическа реакция | Специфичен продукт от окисляване на желязо |
| Засегнати материали | Различни материали, включително метали, керамика и полимери | Както органични, така и неорганични вещества | Конкретно желязо и неговите сплави |
| Фактори на околната среда | Изисква електролит | Се нуждае от кислород или друг окислителен агент | Изисква както кислород, така и влага |
| Продукти | Може да доведе до различни съединения | Произвежда оксиди | Образува железни оксиди и хидроксиди |
| Химичен процес | Често включва пренос на електрон между материал и околна среда | Загуба на електрони, често за кислород | Желязото реагира с кислород и вода |
| Външен вид | Различни форми (напр., Изковаване, мащабиране) | Може да бъде видим или невидим в зависимост от материала | Отличителен червеникаво-кафяв цвят |
| Въздействие | Обикновено пагубни за свойствата на материала | Може да бъде полезно (напр. Защитни слоеве) или вредни | Винаги вредни за материалите на желязо |
| Икономическо въздействие | Значими в различни индустрии | Варира в зависимост от контекста | Съществени в индустрията, използваща желязо |
Въздействие на корозия, окисляване и ръжда
Корозията, окисляването и ръждата имат далечни последици, които се простират извън разграждането на материалите. Те могат да доведат до значителни икономически загуби, да представляват рискове за безопасността и дори да навредят на околната среда.
Икономически последици
Разходите, свързани с корозия, окисляване и ръжда, са потресаващи. Според проучване на NACE International, глобалните разходи за корозия се оценяват на 2,5 трилиона долара годишно, което е еквивалентно на 3,4% от световния БВП.
Тези разходи включват:
Директни разходи за подмяна или поправяне на корозирани материали и конструкции
Косвени разходи като загуба на производство, екологични щети и съдебни спорове
Разходи за поддръжка за мерки за предотвратяване и контрол на корозия
Индустриите, които са най -засегнати от корозия, включват:
Нефт и газ
Транспорт (Автомобилно, аерокосмическо, железопътно и морски)
Инфраструктура (мостове, тръбопроводи и сгради)
Производствени и преработвателни централи
Загриженост за безопасността
Корозията, окисляването и ръждата могат да компрометират структурната цялост на сградите, превозните средства и инфраструктурата. Това влошаване може да доведе до катастрофални провали, излагайки на риск живот.
Някои примери за опасности от безопасността, причинени от корозия, включват:
Срив на мостове или сгради поради отслабени стоманени армировки
Неуспех на тръбопроводите, което води до нефтени разливи или течове на газ
Неизпълнение на критични компоненти в самолети или превозни средства
Замърсяване на питейната вода от корозирани тръби
Последици на околната среда
Корозията, окисляването и ръждата също могат да имат значителни последици за околната среда. Когато корозираните структури се провалят, те могат да отделят опасни материали в околната среда.
Например:
Корозираните резервоари за съхранение могат да изтичат химикали или петролни продукти, замърсяващи почвата и подземните води
Ръдки метални отпадъци могат да издуват тежки метали в екосистемата
Влошаването на инфраструктурата може да доведе до неефективност, увеличаване на емисиите на парникови газове
Стратегии за превенция и смекчаване
Предотвратяването и смекчаването на корозията, окисляването и ръждата изисква многостранен подход. Това включва внимателен подбор на материали, съображения за проектиране, защитни лечения, контрол на околната среда и редовен мониторинг.
Избор и дизайн на материали
Един от най -ефективните начини за предотвратяване на корозия е чрез използване на материали, които по своята същност са устойчиви на него. Някои примери за устойчиви на корозия сплави включват:
Тези материали образуват защитен оксиден слой на тяхната повърхност, което помага да се предотврати по -нататъшната корозия.
Дизайнът също играе решаваща роля за минимизиране на корозията. Инженерите трябва:
Избягвайте остри ъгли и пукнатини, където корозивните вещества могат да се натрупват
Осигурете правилен дренаж за предотвратяване на стояща вода
Използвайте заварени фуги вместо закрепени или нитове, когато е възможно
Защитни покрития и лечения
Прилагането на защитни покрития и обработки върху повърхността на материал може да помогне за предотвратяване на корозия. Някои общи методи включват:
Бои и масла : Те създават бариера между метала и околната среда, предотвратявайки излагането на корозивни агенти.
Галванизиране : Това включва покритие от желязо или стомана със слой цинк, който жертвено корозира, за да защити основния метал.
Електроплаване : Той отлага тънък слой от по-устойчив на корозия метал, като хром или никел, върху повърхността на друг метал.
Анодизиране : Този процес създава дебел, защитен оксиден слой върху повърхността на метали като алуминий.
Пасивация : Тя включва третиране на повърхността на метал с химичен разтвор, за да се подобри образуването на защитен оксиден слой.
Контрол на околната среда
Контролът на околната среда може да помогне за минимизиране на излагането на корозивни агенти. Някои стратегии включват:
Поддържане на ниски нива на влажност за намаляване на влагата във въздуха
Регулиране на температурата, за да се избегнат екстремни колебания, които могат да ускорят корозията
Използване на обезводняващи, климатици или нагреватели за контрол на околната среда
Съхраняване на материали в сухи, добре проветриво зони далеч от корозивни вещества
Мониторинг и проверка на корозия
Редовният мониторинг и проверка може да помогне за откриване на корозия рано, което позволява навременна намеса. Това включва:
Визуално инспектиране на повърхности за признаци на корозия, като обезцветяване, изкопване или лющене
Използване на неразрушителни методи за тестване, като измерване на ултразвуковата дебелина или рентгенография, за да се оцени степента на корозия, без да се повреди материала
Поддържане на подробни записи на резултатите от проверката, за да се проследи прогресирането на корозията във времето
Напредък в превенцията и технологиите на корозия
Докато битката срещу корозията продължава, изследователите и инженерите разработват иновативни решения, за да предотвратят и смекчат неговите ефекти. Тези напредъци варират от високоефективни покрития до системи за мониторинг в реално време и нови материали.
Разработване на високоефективни покрития
Една област на значителен напредък е развитието на напреднали защитни покрития. Тези покрития осигуряват превъзходна устойчивост на корозия, износване и химическа атака. Някои забележителни примери включват:
Епоксидни и полиуретанови покрития : Те предлагат отлична адхезия, издръжливост и устойчивост на влага и химикали. Те се използват широко в индустриални и морски приложения.
Флуорополимерни покрития : Известни със своята изключителна химическа устойчивост и свойства с ниско триене, флуорополимерни покрития, като PTFE (тефлон), са идеални за тежки среди.
Био-вдъхновени покрития за самолечение : Тези иновативни покрития имитират самолечещите свойства на живите организми. Те съдържат микроскопични капсули, пълни с лечебни агенти, които се освобождават, когато покритието се повреди, което му позволява да се поправи.
Катодни технологии за инхибитор на корозия и корозия
Катодната защита е добре утвърден метод за предотвратяване на корозия в метални структури. Тя включва прилагане на малък електрически ток върху метала, което го прави катодът в електрохимична клетка. Това не позволява на метала да корозира.
Корозионните инхибитори са вещества, които, когато се добавят към корозивна среда, намаляват скоростта на корозия. Те работят, като образуват защитен филм върху металната повърхност или чрез промяна на химията на околната среда.
Последните напредък в тези технологии включват:
Впечатлени текущи катодни системи за защита, които използват слънчева енергия или други възобновяеми енергийни източници
Органични инхибитори на корозия, получени от растителни екстракти и други екологични източници
Интелигентни покрития, които включват инхибитори на корозия и ги освобождават, когато е необходимо
Системи за наблюдение на корозия в реално време и ранно предупреждение
Откриването на корозия рано е от решаващо значение за предотвратяване на катастрофални повреди. Системите за мониторинг в реално време използват сензори, за да измерват непрекъснато различни параметри, свързани с корозия, като например:
Тези системи могат да предупреждават операторите, когато скоростта на корозия надвишава приемливите нива, което позволява навременна намеса. Някои напреднали системи дори използват алгоритми за машинно обучение, за да прогнозират скоростта на корозия въз основа на исторически данни.
Нови материали и техники за предотвратяване на корозия в морска среда
Морската среда е особено предизвикателна, когато става дума за предотвратяване на корозия. Комбинацията от солена вода, биологично замърсяване и механичен стрес може бързо да разгради дори най -здравите материали.
Изследователите разработват нови материали и техники за справяне с тези предизвикателства, като например:
Устойчиви на корозия сплави, съдържащи високи нива на хром, никел и молибден
Композитни материали, които комбинират силата на металите с корозионната устойчивост на полимерите
Наноструктурирани покрития, които създават суперхидрофобна повърхност, предотвратявайки водата и други корозивни вещества да се придържат към метала
Електрохимични методи за контрол на корозия, като впечатлена текуща катодна защита и жертвени аноди
Заключение
Корозията, окисляването и ръждата са свързани, но различни процеси, които могат значително да повлияят на материалите и структурите. Докато окисляването е широка химическа реакция, корозията конкретно разгражда материалите, а ръждата засяга само желязо и неговите сплави.
Разбирането на тези различия е от решаващо значение за поддържане на безопасността и дълголетието на различни активи. Постоянните изследвания в корозионната наука имат за цел да разработят нови стратегии и технологии за превенция за борба с тези постоянни предизвикателства.
