V oblasti materiálu vědy a inženýrství se termíny koroze, oxidace a rzi často používají zaměnitelně. Tyto procesy, i když související, však mají odlišné vlastnosti a dopady. Pochopení jejich rozdílů je zásadní pro průmyslová odvětví od konstrukce po letectví, protože tyto jevy mohou výrazně ovlivnit dlouhověkost a bezpečnost materiálů a struktur.
Co je to koroze?
Koroze je postupná degradace materiálů, obvykle kovů způsobených chemickými nebo elektrochemickými reakcemi. Oslabuje materiál a ovlivňuje jeho strukturální integritu. Koroze může vést k selhání, pokud zůstane zaškrtnuto.
Degradace vlastností materiálu
Když dojde k korozi, mění fyzické vlastnosti materiálu. To zahrnuje sílu, vzhled a dokonce i vodivost. Elektrochemické reakce mezi kovem a jeho prostředím způsobují tuto degradaci.
Typy koroze
Koroze není v každém scénáři stejná. Různá prostředí a materiály vedou k různým formám koroze. Níže jsou uvedeny některé běžné typy:
Jednotný útok : Toto je nejčastější forma koroze. Vyskytuje se, když je celý povrch materiálu vystaven korozivnímu prostředí, což má za následek dokonce zhoršení.
Galvanická koroze : K tomuto typu koroze nastane, když jsou dva odlišné kovy v kontaktu v přítomnosti elektrolytu. Méně ušlechtilý kov se stává anodou a koroduje rychleji.
ECELL = E⁰cathode - E⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[RED])
ECELL = buněčný potenciál, E0 = standardní potenciály elektrod, r = plynná konstanta, t = teplota, n = počet přenesených elektronů a F je Faraday konstanta.
Míra koroze ∝ [cl–] e (-∆G/RT)
V této rovnici je ΔG změna ve volné energii Gibbs, R je plynová konstanta a T je teplota.
Pitting : Jedná se o lokalizovanou formu koroze, která má za následek malé otvory nebo jámy na povrchu kovu. Může být obtížné detekovat a může vést k rychlému selhání.
Intergranulární koroze : K tomuto typu koroze se vyskytuje podél hranic zrn kovu, často kvůli srážení nečistot nebo tvorbou různých fází.
Eroze koroze : Stává se to, když se korozivní tekutina pohybuje po kovovém povrchu při vysokých rychlostech, což způsobí jak mechanické opotřebení, tak chemickou degradaci.
Praskání koroze napětí : K tomu dochází, když je kov vystaven jak v tahovému napětí, tak korozivnímu prostředí, což vede k tvorbě a šíření trhlin.
Selektivní vyluhování : Tento typ koroze zahrnuje selektivní odstranění jednoho prvku ze slitiny a zanechává za sebou oslabenou porézní strukturu.
Materiály ovlivněné korozí
Koroze neovlivňuje jen kovy. Ostatní materiály mohou také degradovat:
Kovy : Železo, hliník, měď a jejich slitiny jsou korozí nejvíce postiženy.
Keramika : Ačkoli méně běžná, keramika může degradovat chemickými reakcemi s jejich prostředím.
Polymery : Místo korodování polymery degradují. Toto oslabení může vést k praskání, deformaci nebo zabarvení.
Co je to oxidace?
Oxidace je chemický proces, kde materiál ztrácí elektrony, obvykle reagující s kyslíkem. Je to součást každodenní chemie, což často vede k viditelným změnám, jako je barva nebo textura.
Chemický proces zahrnující ztrátu elektronů
Při oxidaci látka se vzdává elektronů jinému. Kyslík je obvykle látka, která je přijímá. K této reakci může dojít v organických i anorganických materiálech a měnit jejich vlastnosti. Obecná oxidační reakce může být reprezentována jako:
M → M⁺ + E⁻
Zde, 'm ' představuje materiál (často kovový) ztráta elektronů a stává se pozitivně nabitý ion (M⁺).
Příklady oxidace v každodenním životě
Oxidace ovlivňuje materiály, které používáme každý den. Zde je několik běžných příkladů:
Rezací železa a oceli : Když železo reaguje s kyslíkem a vlhkostí, tvoří rez. Chemická rovnice pro tvorbu rzi je:
4fe + 3o₂ + 6H₂o → 4fe (OH) ₃
Tato červenohnědá vrstva oslabuje kov.
Oxidace v organických materiálech
Oxidace se také děje v živých organismech. Ale na rozdíl od kovů mohou být účinky prospěšné:
Zvýšení metabolismu : V našich tělech pomáhá oxidace spalovat potraviny pro energii a urychlit metabolismus.
Nižší riziko rakoviny : Některé oxidační procesy v buňkách pomáhají zabránit šíření škodlivých volných radikálů, které mohou snížit riziko rakoviny.
Co je Rust?
Rust je specifický typ koroze, který ovlivňuje železo a její slitiny, jako je ocel. Vyznačuje se červenohnědou barvou a šupinatou texturou.
K této formě koroze nastává, když je železo vystaveno vlhkosti a kyslíku. Proces tvorby rzi zahrnuje několik kroků:
Oxidační reakce : Železo ztrácí elektrony a reaguje s kyslíkem v přítomnosti vody za vzniku iontů železa (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Tvorba hydroxidu železa : Fe⊃2; ⁺ ionty reagují s vodou a kyslíkem za vzniku hydroxidu železa (II).
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Oxidace hydroxidu železa : hydroxid železa (II) se dále oxiduje za vzniku hydroxidu železa (III).
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Tvorba rzi : dehydratáty hydroxidu železa (III) za vzniku hydroxidu oxidu železa (III), běžně známého jako rez. Tato rez je komplexní směs oxidů železa a hydroxidů.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Několik podmínek může podporovat tvorbu rez:
Přítomnost vlhkosti : Voda působí jako elektrolyt, což umožňuje reakce redukce oxidace nezbytné pro rezaní. Proces může urychlit vysoká vlhkost nebo přímá expozice dešti.
Expozice kyslíku a elektrolytů : Kyslík je nezbytný pro tvorbu rzi. Oblasti s dobrou provzdušňováním nebo vysokou koncentrací kyslíku jsou náchylnější k rezavě. Soli a kyseliny mohou také zvýšit elektrochemickou aktivitu kovu, což zrychluje proces rezavě.
Environmentální faktory : Teplota hraje roli při tvorbě rzi. Vyšší teploty mohou zvýšit rychlost chemických reakcí, což vede k rychlejšímu rezavě. Povrchové kontaminanty, jako je nečistota nebo olej, mohou zachytit vlhkost na povrch kovového povrchu a vytvářet lokalizované oblasti zranitelné vůči rzi.
Rozdíly mezi korozí, oxidací a
| aspektem rzi | koroze rzi | oxidace | oxidace |
| Definice | Degradace materiálů způsobených chemickými nebo elektrochemickými reakcemi s prostředím | Chemický proces, kde látka ztrácí elektrony, často zahrnující kyslík | Specifická forma koroze ovlivňující slitiny železa a železa |
| Rozsah | Nejširší termín, zahrnující různé formy degradace materiálu | Specifický typ chemické reakce | Specifický produkt oxidace železa |
| Ovlivněné materiály | Různé materiály včetně kovů, keramiky a polymerů | Organické i anorganické látky | Konkrétně železo a jeho slitiny |
| Environmentální faktory | Vyžaduje elektrolyt | Potřebuje kyslík nebo jiný oxidační činidlo | Vyžaduje jak kyslík, tak vlhkost |
| Produkty | Může vést k různým sloučeninám | Produkuje oxidy | Vytváří oxidy železa a hydroxidy |
| Chemický proces | Často zahrnuje přenos elektronů mezi materiálem a prostředím | Ztráta elektronů, často na kyslík | Železo reaguje s kyslíkem a vodou |
| Vzhled | Různé formy (např. Pitting, škálování) | Může být viditelné nebo neviditelné v závislosti na materiálu | Výrazná červenohnědá barva |
| Dopad | Obvykle škodlivé pro vlastnosti materiálu | Může být prospěšné (např. Ochranné vrstvy) nebo škodlivé | Vždy škodlivé pro materiály na bázi železa |
| Ekonomický dopad | Významné napříč různými průmyslovými odvětvími | Liší se v závislosti na kontextu | Značné v průmyslových odvětvích využívajících železo |
Dopad koroze, oxidace a rzi
Koroze, oxidace a rzi mají dalekosáhlé důsledky, které přesahují degradaci materiálů. Mohou vést k významným ekonomickým ztrátám, představovat bezpečnostní rizika a dokonce poškodit životní prostředí.
Ekonomické důsledky
Náklady spojené s korozí, oxidací a rez jsou ohromující. Podle studie společnosti NACE International se globální náklady na korozi odhadují na 2,5 bilionu dolarů ročně, což odpovídá 3,4% světového HDP.
Tyto náklady zahrnují:
Přímé náklady na výměnu nebo opravu zkorodovaných materiálů a struktur
Nepřímé náklady, jako je ztráta výroby, poškození životního prostředí a soudní spory
Náklady na údržbu pro prevenci a kontrolní opatření
Mezi průmyslová odvětví nejvíce postižená korozí patří:
Ropa a plyn
Doprava (automobilový průmysl, letecký průmysl, železnice a Marine)
Infrastruktura (mosty, potrubí a budovy)
Výrobní a zpracovatelské závody
Bezpečnostní obavy
Koroze, oxidace a rzi mohou ohrozit strukturální integritu budov, vozidel a infrastruktury. Toto zhoršení může vést k katastrofickým selháním a ohrožení životů.
Některé příklady bezpečnostních rizik způsobených korozí zahrnují:
Kolaps mostů nebo budov kvůli oslabeným ocelovým výztužům
Selhání potrubí, což vede k únikům oleje nebo úniku plynu
Porucha kritických komponent v letadlech nebo vozidlech
Kontaminace pitné vody z korodovaných trubek
Důsledky životního prostředí
Koroze, oxidace a rez mohou mít také významné environmentální důsledky. Když zkorodované struktury selhávají, mohou uvolnit nebezpečné materiály do životního prostředí.
Například:
Korodované skladovací nádrže mohou unikat chemikálie nebo ropné výrobky, kontaminovat půdu a podzemní voda
Zrezivělý kovový odpad může do ekosystému vyluhovat těžké kovy
Degradace infrastruktury může vést k neefektivnosti a zvýšení emisí skleníkových plynů
Strategie prevence a zmírňování
Prevence a zmírňování koroze, oxidace a rzi vyžaduje mnohostranný přístup. To zahrnuje pečlivý výběr materiálu, úvahy o návrhu, ochranné ošetření, kontrolu životního prostředí a pravidelné monitorování.
Výběr materiálu a design
Jedním z nejúčinnějších způsobů, jak zabránit korozi, je použití materiálů, které jsou vůči němu ze své podstaty odolné. Některé příklady slitin rezistentních na korozi zahrnují:
Tyto materiály tvoří na svém povrchu vrstvu ochranného oxidu, což pomáhá zabránit další korozi.
Design také hraje klíčovou roli při minimalizaci koroze. Inženýři by měli:
Vyvarujte se ostrých rohů a štěrbin, kde se mohou hromadit korozivní látky
Zajistěte správné drenáž, abyste zabránili stojaté vodě
Pokud je to možné
Ochranné povlaky a ošetření
Použití ochranných povlaků a ošetření na povrch materiálu může pomoci zabránit korozi. Některé běžné metody zahrnují:
Barvy a oleje : Ty vytvářejí bariéru mezi kovem a životním prostředím, což brání vystavení korozivním látkám.
Galvanizing : To zahrnuje povlakovou železo nebo ocel s vrstvou zinku, která obětní koroduje, aby chránila základní kov.
Elektroplatování : Ukládá tenkou vrstvu koroze odolného kovu, jako je chrom nebo nikl, na povrch jiného kovu.
Eloxování : Tento proces vytváří silnou, ochrannou oxidovou vrstvu na povrchu kovů, jako je hliník.
Pasivace : Zahrnuje ošetření povrchu kovu chemickým roztokem pro zvýšení tvorby vrstvy ochranného oxidu.
Kontrola životního prostředí
Řízení prostředí může pomoci minimalizovat vystavení korozivním látkám. Některé strategie zahrnují:
Udržování nízké hladiny vlhkosti za účelem snížení vlhkosti ve vzduchu
Regulace teploty, aby se zabránilo extrémním výkyvům, které mohou urychlit korozi
Použití odvlhčovačů, klimatizačních jednotek nebo ohřívačů pro kontrolu prostředí
Ukládání materiálů v suchých, dobře větraných oblastech od korozivních látek
Monitorování a kontrola koroze
Pravidelné monitorování a inspekce mohou pomoci detekovat korozi brzy, což umožňuje včasný zásah. To zahrnuje:
Vizuálně inspekční povrchy pro známky koroze, jako je zabarvení, pitting nebo odlupování
Použití metod nedestruktivního testování, jako je měření ultrazvukové tloušťky nebo radiografie, k posouzení rozsahu koroze bez poškození materiálu
Vedení podrobných záznamů o výsledcích inspekce ke sledování progrese koroze v průběhu času
Pokroky v prevenci a technologii koroze a technologií
Jak bitva proti korozi pokračuje, vědci a inženýři vyvíjejí inovativní řešení, která zabrání a zmírňují její účinky. Tato pokrok sahá od vysoce výkonných povlaků po monitorovací systémy v reálném čase a nové materiály.
Vývoj vysoce výkonných povlaků
Jednou z oblastí významného pokroku je vývoj pokročilých ochranných povlaků. Tyto povlaky poskytují vynikající odolnost vůči korozi, opotřebení a chemickému útoku. Některé pozoruhodné příklady zahrnují:
Epoxidové a polyuretanové povlaky : Tyto nabízejí vynikající adhezi, trvanlivost a odolnost vůči vlhkosti a chemikáliím. Oni se široce používají v průmyslových a mořských aplikacích.
Fluoropolymerské povlaky : Fluoropolymerní povlaky, jako je PTFE (teflon), jsou známé pro jejich výjimečnou chemickou odolnost a nízké tření.
Bio-inspirované samoléčivé povlaky : Tyto inovativní povlaky napodobují samoléčivé vlastnosti živých organismů. Obsahují mikroskopické tobolky naplněné léčivými látkami, které se uvolňují při poškození povlaku, což mu umožňuje opravit.
Technologie katodické ochrany a inhibitoru koroze a korozi
Katodická ochrana je dobře zavedená metoda pro prevenci koroze v kovových strukturách. Zahrnuje aplikaci malého elektrického proudu na kov, což z něj činí katodu v elektrochemické buňce. To zabraňuje korodování kovu.
Inhibitory koroze jsou látky, které při přidání do korozivního prostředí snižují rychlost koroze. Pracují tak, že vytvářejí ochranný film na kovovém povrchu nebo úpravou chemie životního prostředí.
Nedávné pokroky v těchto technologiích zahrnují:
Zapůsobit na současné systémy katodické ochrany, které používají sluneční energii nebo jiné zdroje obnovitelných zdrojů energie
Inhibitory organické koroze odvozené z rostlinných extraktů a jiných zdrojů šetrných ekologických
Inteligentní povlaky, které začleňují inhibitory koroze a v případě potřeby je uvolňují
Systémy monitorování koroze a systémy včasného varování v reálném čase
Detekce koroze brzy je zásadní pro prevenci katastrofických selhání. Systémy monitorování v reálném čase používají senzory k nepřetržitému měření různých parametrů souvisejících s korozí, například:
Elektrochemický potenciál
Korozní proud
Environmentální faktory (teplota, vlhkost, pH)
Tyto systémy mohou upozornit operátory, když míra koroze překračuje přijatelné úrovně, což umožňuje včasný zásah. Některé pokročilé systémy dokonce používají algoritmy strojového učení k predikci míry koroze na základě historických dat.
Nové materiály a techniky pro prevenci koroze v mořském prostředí
Mořské prostředí je obzvláště náročné, pokud jde o prevenci korozí. Kombinace slané vody, biologického znečištění a mechanického stresu může rychle degradovat i ty nejrobustnější materiály.
Vědci vyvíjejí nové materiály a techniky pro řešení těchto výzev, například:
Slitiny rezistentní na korozi obsahující vysoké hladiny chromu, niklu a molybdenu
Kompozitní materiály, které kombinují sílu kovů s odolností proti korozi polymerů
Nanostrukturované povlaky, které vytvářejí superhydrofobní povrch, zabraňují vodě a jiným korozivním látkám ulpívajícím do kovu
Metody kontroly elektrochemické koroze, jako je například dojemná katodická ochrana a obětní anody
Závěr
Koroze, oxidace a rez jsou příbuzné, ale odlišné procesy, které mohou významně ovlivnit materiály a struktury. Zatímco oxidace je široká chemická reakce, koroze konkrétně degraduje materiály a rez ovlivňuje pouze železo a jeho slitiny.
Pochopení těchto rozdílů je zásadní pro udržení bezpečnosti a dlouhověkosti různých aktiv. Cílem probíhajícího výzkumu ve vědě o korozi je vyvinout nové strategie a technologie prevence v boji proti těmto přetrvávajícím výzvám.
