U carstvu materijalne nauke i inženjerstva, odredba korozija, oksidacija i hrđa često se koriste naizmjenično. Međutim, ovi procesi, dok su povezani, imaju različite karakteristike i utjecaje. Razumijevanje njihovih razlika presudno je za industrije u rasponu od izgradnje do zrakoplovnosti, jer ove pojave mogu značajno utjecati na dugovječnost i sigurnost materijala i struktura.
Šta je korozija?
Korozija je postepena degradacija materijala, obično metala, uzrokovane hemijskim ili elektrohemijskim reakcijama. Slabi materijal i utječe na njen strukturni integritet. Korozija može dovesti do kvara ako se ne ostavi neprovjeren.
Degradacija svojstava materijala
Kada se dogodi korozija, to mijenja fizička svojstva materijala. To uključuje snagu, izgled, pa čak i provodljivost. Elektrohemijske reakcije između metala i njegovog okruženja uzrokuju ovu degradaciju.
Vrste korozije
Korozija nije ista u svakom scenariju. Različita okruženja i materijali vode do različitih oblika korozije. Ispod su neke zajedničke vrste:
Jedinstveni napad : Ovo je najčešći oblik korozije. Javlja se kada je cijela površina materijala izložena korozivnom okruženju, što rezultira čak i pogoršanjem.
Galvanska korozija : Ova vrsta korozije događa se kada su dva različita metala u kontaktu jedni s drugima u prisustvu elektrolita. Manje plemenitog metala postaje anoda i koružnica brže.
ECELL = E⁰Cathode - E⁰anode - (RT / NF) ln ([OX] / [Red])
Ecell = Potencijal ćelija, E0 = Standardni potencijali elektrode, R = konstanta gasa, T = temperatura, n = broj prenesenih elektrona, a F je Faraday Constant.
Brzina korozije α [CL-] E (-ΔG / RT)
U ovoj je jednadžbi, ΔG je promjena u Gibbsu besplatnu energiju, R je konstanta gasa, a t je temperatura.
Pitanje : Ovo je lokalizirani oblik korozije koji rezultira malim rupama ili jama na površini metala. Može se teško otkriti i može dovesti do brzog neuspjeha.
Intergranularna korozija : Ova vrsta korozije događa se duž granica zrna metala, često zbog padavina nečistoća ili formiranja različitih faza.
Korozija erozije : Dešava se kada se korozivna tekućina premješta na metalnu površinu po velikim brzinama, uzrokujući i mehaničku habanje i hemijsku degradaciju.
Pucanje od korozije stresa : To se događa kada je metal podvrgnut i zateznom stresu i korozivnom okruženju, što dovodi do formiranja i širenja pukotina.
Selektivno ispiranje : Ova vrsta korozije uključuje selektivno uklanjanje jednog elementa od legure, ostavljajući iza oslabljene, porozne strukture.
Materijali koji su pogođeni korozijom
Korozija ne utiče samo na metale. Ostali materijali mogu se degradirati:
Metali : glačalo, aluminijum, bakar i njihove legure najviše su pogođeni korozijom.
Keramika : Iako manje uobičajena, keramika se može degradirati kemijskim reakcijama svojim okolinom.
Polimeri : Umjesto korodiranja, polimeri degradiraju. Ovo slabljenje može dovesti do pucanja, izbijanja ili diskonoracija.
Šta je oksidacija?
Oksidacija je hemijski proces u kojem materijal gubi elektrone, obično reagira s kisikom. To je dio svakodnevne hemije, često što rezultira vidljivim promjenama poput boje ili teksture.
Hemijski proces koji uključuje gubitak elektrona
U oksidaciji, tvar se odriče elektrona drugom. Kiseonik je obično tvar koja ih prihvata. Ova se reakcija može dogoditi i u organskim i anorganskim materijalima, promjenom njihovih svojstava. Opća oksidacijska reakcija može biti predstavljena kao:
M → M⁺ + E⁻
Ovdje, 'M ' predstavlja materijal (često metalni) gubivši elektrone, postajući pozitivno nabijeni ion (M⁺).
Primjeri oksidacije u svakodnevnom životu
Oksidacija utiče na materijale koje koristimo svaki dan. Evo nekih uobičajenih primjera:
Ruštanje željeza i čelika : Kad je željelo reagira sa kisikom i vlagom, formira hrđu. Hemijska jednadžba za formiranje hrđe je:
4FE + 3O₂ + 6h₂o → 4FE (oh) ₃
Ovaj crvenkasto-smeđi sloj slabi metal.
Zatamanje srebra : srebro reagira sa sumpornim spojevima u zraku, formirajući srebrni sulfid. Hemijska jednadžba je:
2ag + h₂s → ag₂s + h₂
Ovaj crni sloj priguši sjaj srebrnog nakita ili pribora za jelo.
Oksidacija u organskim materijalima
Oksidacija se takođe događa u živim organizmima. Ali za razliku od metala, efekti mogu biti korisni:
Pojačajte u metabolizmu : u našim tijelima oksidacija pomaže u izgaranju hrane za energiju, ubrzanje metabolizma.
Niži rizik od raka : Određeni procesi oksidacije u ćelijama pomažu u sprečavanju širenja štetnih slobodnih radikala, što može sniziti rizik od raka.
Šta je hrđa?
Rust je specifična vrsta korozije koja utječe na željezo i njegove legure, poput čelika. Karakterizira ga crvenkasto-smeđa boja i lagana tekstura.
Ovaj oblik korozije događa se kada je gvožđe izloženo vlagu i kisiku. Proces formiranja hrđe uključuje nekoliko koraka:
Reakcija oksidacije : željezo gubi elektrone i reagira s kisikom u prisustvu vode za oblikovanje željeza (II) iona.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Formiranje željeznog hidroksida : Fe⊃2; ⁺ ione reagiraju s vodom i kisikom da formiraju željezo (II) hidroksid.
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → Fe (oh) ₂
Oksidacija željezne hidrokside : željezo (ii) hidroksid dalje oksidizira za formiranje željeza (iii) hidroksida.
4FE (oh) ₂ + o₂ + 2h₂o → 4FE (oh) ₃
Formiranje hrđe : željezo (iii) hidroksid dehidrati za formiranje željeza (iii) oksid-hidroksida, obično poznat kao hrđa. Ova hrđa je složena mješavina željeznog oksida i hidroksida.
4FE (oh) ₂ → Fe₂o₃ · 3h₂o
Nekoliko stanja može promovirati formiranje hrđe:
Prisutnost vlage : Voda djeluje kao elektrolit, omogućavajući reakcije redukcije oksidacije potrebne za hrđanje. Visoka vlažnost ili direktna izloženost kiši mogu ubrzati proces.
Izloženost kisiku i elektrolitu : kisik je neophodan za formiranje hrđe. Područja sa dobrim aeracijom ili visokom koncentracijom kisika sklonije su hrđenju. Soli i kiseline mogu povećati i elektrohemijsku aktivnost metala, ubrzavajući postupak hrđenja.
Čimbenici okoliša : Temperatura igra ulogu u formiranju hrđe. Veće temperature mogu povećati stope hemijskih reakcija, što dovodi do brže hrđe. Površinski kontaminanti poput prljavštine ili ulja mogu zarobiti vlagu protiv metalne površine, stvarajući lokalizirane površine ranjive na hrđu.
Razlike između korozije, oksidacije i hrđeg
| hrđe | korozije | od | korozije |
| Definicija | Degradacija materijala zbog hemijskih ili elektrohemijskih reakcija sa okolinom | Hemijski proces u kojem tvar gubi elektrone, često uključuju kisik | Specifični oblik korozije koji utječu na željezo i željezne legure |
| Opseg | Najširi pojam koji obuhvaća različite oblike degradacije materijala | Specifična vrsta hemijske reakcije | Specifični proizvod Oksidacije željeza |
| Utiče na materijale | Različiti materijali, uključujući metale, keramiku i polimere | Organske i anorganske tvari | Posebno gvožđe i njegove legure |
| Faktori okoline | Zahtijeva elektrolit | Treba kiseonik ili neko drugo oksidirajuće sredstvo | Zahtijeva i kisik i vlagu |
| Proizvodi | Može rezultirati različitim spojevima | Proizvodi okside | Oblikuje željezni oksidi i hidrokside |
| Hemijski proces | Često uključuje elektronski prijenos između materijala i okoliša | Gubitak elektrona, često kiseoniku | Željezo reagira sa kisikom i vodom |
| Izgled | Različiti oblici (npr., Pinja, skaliranje) | Mogu biti vidljivi ili nevidljivi ovisno o materijalu | Karakteristična crvenkasto-smeđa boja |
| Uticaj | Obično štetno za svojstva materijala | Može biti korisno (npr. Zaštitni slojevi) ili štetni | Uvek štetan za željezo na bazi gvožđa |
| Ekonomski uticaj | Značajan u raznim industrijama | Varira ovisno o kontekstu | Značajno u industriji pomoću željeza |
Uticaj korozije, oksidacije i hrđe
Korozija, oksidacija i hrđa imaju dalekosežne posljedice koje se protežu izvan degradacije materijala. Oni mogu dovesti do značajnih ekonomskih gubitaka, predstavljaju sigurnost rizika, pa čak i naštetiti okolišu.
Ekonomske posljedice
Troškovi povezani s korozijom, oksidacijom i hrđom su zapanjujući. Prema studiji Nace International, procjenjuje se da je globalni trošak korozije 2,5 biliona dolara godišnje, što je ekvivalentno 3,4% svjetskog BDP-a.
Ovi troškovi uključuju:
Direktni troškovi zamjene ili popravljanja korodiranih materijala i struktura
Indirektni troškovi kao što su gubitak proizvodnje, oštećenja okoliša i parnice
Troškovi održavanja za mjere prevencije i kontrole korozije
Industrije koje su najviše pogođene korozijom uključuju:
Ulje i plin
Transport (automobilski, zrakoplov, željeznički i marinac)
Infrastruktura (mostovi, cjevovodi i zgrada)
Postrojenja za proizvodnju i preradu
Zabrinutost za sigurnost
Korozija, oksidacija i hrđa može ugroziti strukturni integritet zgrada, vozila i infrastrukture. Ovo pogoršanje može dovesti do katastrofalnih kvarova, stavljajući živote u rizik.
Neki primjeri opasnosti od sigurnosti uzrokovanih korozijom uključuju:
Kolaps mostova ili zgrada zbog oslabljenih čeličnih pojačanja
Neuspjeh cjevovoda, što dovodi do izlijevanja nafte ili curenja plina
Neispravnost kritičnih komponenti u avionu ili vozilima
Kontaminacija vode za piće iz korodiranih cijevi
Ekološke implikacije
Korozija, oksidacija i hrđa mogu imati značajne ekološke posljedice. Kada korodirane strukture ne uspiju, mogu osloboditi opasne materijale u okoliš.
Na primjer:
Korodirani spremnici mogu propustiti kemikalije ili naftni proizvodi, kontaminirajući tlo i podzemne vode
Ruđani metalni otpad može u obzir teške metale u ekosustavu
Degradacija infrastrukture može dovesti do neefikasnosti, povećavajući emisiju stakleničkih plinova
Strategije prevencije i ublažavanja
Sprečavanje i ublažavanje korozije, oksidacije i hrđe zahtijeva višestruki pristup. To uključuje pažljiv izbor materijala, razmatranja dizajna, zaštitni tretman, kontrolu okoliša i redovno praćenje.
Izbor i dizajn materijala
Jedan od najefikasnijih načina za sprečavanje korozije je korištenjem materijala koji su inherentno otporni na njega. Neki primjeri legura otpornih na koroziju uključuju:
Ovi materijali na svojoj površini formiraju zaštitni oksidni sloj, što pomaže u sprečavanju daljnje korozije.
Dizajn također igra ključnu ulogu u minimiziranju korozije. Inženjeri bi trebali:
Izbjegavajte oštre uglove i pukotine u kojima se korozivne tvari mogu akumulirati
Osigurajte pravilnu odvodnju za sprečavanje stajaće vode
Koristite zavarene spojeve umjesto pričvršćenih ili zavezanih veza kada je to moguće
Zaštitni premazi i tretmani
Primjena zaštitnih premaza i tretmana na površinu materijala može pomoći u sprečavanju korozije. Neke zajedničke metode uključuju:
Boje i ulja : One stvaraju barijeru između metala i okoliša, sprečavajući izlaganje korozivnim sredstvima.
Pocinčavanje : To uključuje željezo za oblaganje ili čelik s slojem cinka, koji žrtvovno korudi za zaštitu osnovnih metala.
ENTERPLOVATING : Deponira tanki sloj otporni na koroziju, poput hroma ili nikla, na površinu drugog metala.
Anodiziranje : Ovaj proces stvara gust, zaštitni oksidni sloj na površini metala poput aluminija.
Pasivacija : To uključuje postupanje sa površinom metala hemijskom otopinom za poboljšanje formiranja zaštitnog oksidnog sloja.
Kontrola zaštite okoliša
Kontrola okoliša može pomoći u minimiziranju izlaganja korozivnim agentima. Neke strategije uključuju:
Održavanje niske razine vlage za smanjenje vlage u zraku
Regulirajuća temperatura kako bi se izbjegle ekstremne fluktuacije koje mogu ubrzati koroziju
Korištenje odvlaživača, klima uređaja ili grijača za kontrolu okoliša
Skladištenje materijala na suhom, dobro prozračenim područjima udaljenim od korozivnih supstanci
Nadgledanje i pregled korozije
Redovno nadgledanje i inspekciju mogu pomoći rano otkrivanju korozije, omogućavajući pravovremenu intervenciju. To uključuje:
Vizuelno pregledavanje površina za znakove korozije, poput boje boje, pinjanja ili ljuljanja
Korištenje metoda ispitivanja nerazovavanja, poput ultrazvučnog mjerenja debljine ili radiografije, za procjenu opsega korozije bez oštećenja materijala
Vođenje detaljnih evidencija o inspekcijskim rezultatima za praćenje napredovanja korozije tokom vremena
Napredak u prevenciji i tehnologiji korozije
Kako se bitka protiv korozije nastavlja, istraživači i inženjeri razvijaju inovativna rješenja za sprečavanje i ublažavanje njegovih efekata. Ove napredovanje kreću se od visoko performansi premaza do sustava za praćenje u stvarnom vremenu i nove materijale.
Izrada premaza visokih performansi
Jedno područje značajnog napretka je razvoj naprednih zaštitnih premaza. Ovi premazi pružaju vrhunsku otpornost na koroziju, habanje i hemijski napad. Neki zapaženi primjeri uključuju:
Epoksidni i poliuretanski premazi : One nude izvrsnu prijanjanje, izdržljivost i otpornost na vlagu i hemikalije. Široko se koriste u industrijskim i morskim aplikacijama.
Fluoropolimerni premazi : Poznat po izuzetnoj hemijskoj otpornosti i nekretninama s niskim trenjem, fluoropolimerni premazi, poput PTFE (teflona), idealni su za oštre okruženja.
Bio-inspirirani premazi za samoizlječenje : ovi inovativni premazi oponašaju samo-izlječenje svojstva živih organizama. Sadrže mikroskopske kapsule napunjene ljekovite sredstvima koji se puštaju kada je premaz oštećen, omogućujući da se popravi.
Katodne zaštite i tehnologije inhibitora korozije
Katodna zaštita je dobro uspostavljena metoda za sprečavanje korozije u metalnim konstrukcijama. To uključuje nanošenje male električne struje na metal, čineći katodom u elektrohemijskoj ćeliji. To sprečava metal od korodiranja.
Inhibitori korozije su tvari koje su, kada se dodaju u korozivno okruženje, smanjite stopu korozije. Oni rade formiranjem zaštitnog filma na metalnoj površini ili modificiranjem hemije okoline.
Nedavna napretka u ovim tehnologijama uključuju:
Impresionirani trenutni sustavi katodnih zaštite koji koriste solarnu snagu ili druge obnovljive izvore energije
Organski inhibitori korozije izvedeni iz biljnih ekstrakata i drugih ekološki prihvatljivih izvora
Pametni premazi koji uključuju inhibitore korozije i oslobađaju ih po potrebi
Sustavi za nadzor korozije u stvarnom vremenu i rano upozorenje
Rano otkrivanje korozije ključno je za sprečavanje katastrofalnih kvarova. Sustavi za praćenje u stvarnom vremenu koriste senzore za kontinuirano mjerenje različitih parametara vezanih za koroziju, kao što su:
Elektrohemijski potencijal
Korozijska struja
Okolišni faktori (temperatura, vlaga, pH)
Ovi sistemi mogu upozoriti operatere kada stope korozije premašuju prihvatljive nivoe, omogućavajući pravovremenu intervenciju. Neki napredni sustavi čak koriste algoritme za učenje mašina za predviđanje stope korozije na osnovu povijesnih podataka.
Novi materijali i tehnike za prevenciju korozije u morskom okruženju
Morska sredina su posebno izazovna kada je u pitanju prevencija korozije. Kombinacija slane vode, biološkog fauliranja i mehanički stres može brzo degradirati čak i najugroženiji materijali.
Istraživači razvijaju nove materijale i tehnike za rješavanje ovih izazova, kao što su:
Legure otporne na koroziju sa visokim nivoima kroma, nikla i molibdena
Kompozitni materijali koji kombinuju snagu metala sa otporom na koroziju polimera
Nanostrukturirani premazi koji stvaraju super hidrofobnu površinu, sprečavaju vodu i druge korozivne tvari da se pridržavaju metala
Metode elektrohemijske kontrole korozije, poput impresionirane trenutne katodne zaštite i žrtvenih anoda
Zaključak
Korozija, oksidacija i hrđa povezani su, ali različiti procesi koji mogu značajno utjecati na materijale i strukture. Iako je oksidacija široka hemijska reakcija, korozija posebno degradira materijale, a hrđa utječe na samo željezo i njegove legure.
Razumijevanje tih razlika ključno je za održavanje sigurnosti i dugovječnosti razne imovine. Stalno istraživanje u korozijskoj nauci ima za cilj razvijanje novih strategija prevencije i tehnologija za borbu protiv ovih postojanih izazova.
