Materiaaliteaduse ja inseneriteaduse valdkonnas kasutatakse sageli vaheldumisi korrosiooni, oksüdatsiooni ja rooste. Kuid neil protsessidel on seotud erinevad omadused ja mõjud. Nende erinevuste mõistmine on ülioluline tööstusharude jaoks, alates ehitusest kuni lennunduseni, kuna need nähtused võivad oluliselt mõjutada materjalide ja konstruktsioonide pikaealisust ja ohutust.
Mis on korrosioon?
Korrosioon on materjalide, tavaliselt metallide järkjärguline lagunemine, mis on põhjustatud keemilistest või elektrokeemilistest reaktsioonidest. See nõrgendab materjali ja mõjutab selle struktuurilist terviklikkust. Korrosioon võib kontrollimata jätmise korral põhjustada rikke.
Materiaalsete omaduste halvenemine
Kui korrosioon ilmneb, muudab see materjali füüsilisi omadusi. See hõlmab tugevust, välimust ja isegi juhtivust. Metalli ja selle keskkonna vahelised elektrokeemilised reaktsioonid põhjustavad seda lagunemist.
Korrosiooni tüübid
Korrosioon pole iga stsenaariumi korral sama. Erinevad keskkonnad ja materjalid viivad erinevate korrosiooni vormideni. Allpool on mõned levinumad tüübid:
Ühtne rünnak : see on korrosiooni kõige tavalisem vorm. See ilmneb siis, kui kogu materjali pind puutub kokku söövitava keskkonnaga, mille tulemuseks on ühtlane halvenemine.
Galvaaniline korrosioon : Seda tüüpi korrosioon juhtub siis, kui elektrolüüdi juuresolekul on üksteisega kokkupuutuvad kaks erinevat metalli. Vähem üllast metallist saab anood ja söövitab kiiremini.
ECELL = E⁰CATHODE - E⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[Red])
ECELL = rakupotentsiaal, E0 = standardsed elektroodipotentsiaalid, r = gaasi konstant, t = temperatuur, n = ülekantud elektronide arv ja F on faraday konstant.
Korrosiooni kiirus ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
Selles võrrandis on ΔG Gibbsi vaba energia muutus, r on gaasi konstant ja t on temperatuur.
Piting : see on korrosiooni lokaliseeritud vorm, mille tulemuseks on metalli pinnal väikesed augud või šahti. Seda võib olla keeruline tuvastada ja see võib põhjustada kiiret ebaõnnestumist.
Granulaarsed korrosioonid : Seda tüüpi korrosioon toimub metalli terade piirides, sageli lisandite sadestumise või erinevate faaside moodustumise tõttu.
Erosiooni korrosioon : see juhtub siis, kui söövitav vedelik liigub suure kiirusega üle metalli pinna, põhjustades nii mehaanilist kulumist kui ka keemilist lagunemist.
Stressi korrosiooni pragunemine : see ilmneb siis, kui metalli on nii tõmbepinge kui ka söövitav keskkond, mis viib pragude moodustumise ja levikuni.
Valikuline leostumine : Seda tüüpi korrosioon hõlmab ühe elemendi valikulist eemaldamist sulamist, jättes maha nõrgenenud, poorse struktuuri.
Korrosioonist mõjutatud materjalid
Korrosioon ei mõjuta ainult metalle. Ka muud materjalid võivad laguneda:
Metallid : rauda, alumiinium, vask ja nende sulamid mõjutavad kõige rohkem korrosioon.
Keraamika : kuigi vähem levinud, võib keraamika oma keskkonnaga keemiliste reaktsioonide kaudu laguneda.
Polümeerid : korrodeerumise asemel halvenevad polümeerid. See nõrgenemine võib põhjustada pragunemist, väändumist või värvimuutust.
Mis on oksüdatsioon?
Oksüdeerimine on keemiline protsess, kus materjal kaotab elektronid, reageerides tavaliselt hapnikuga. See on osa igapäevasest keemiast, põhjustades sageli nähtavaid muutusi nagu värv või tekstuur.
Keemiline protsess, mis hõlmab elektronide kadumist
Oksüdatsioonis loobub aine teisele elektronidest. Hapnik on tavaliselt aine, mis neid aktsepteerib. See reaktsioon võib ilmneda nii orgaanilistes kui ka anorgaanilistes materjalides, muutes nende omadusi. Üldist oksüdatsioonireaktsiooni võib esindada järgmiselt:
m → m⁺ + e⁻
Siin tähistab 'M ' materjali (sageli metalli) kaotavat elektrone, saades positiivselt laetud iooniks (M⁺).
Näited igapäevaelus oksüdeerumisest
Oksüdatsioon mõjutab materjale, mida me kasutame iga päev. Siin on mõned levinud näited:
Raua ja terase roostetamine : kui raud reageerib hapniku ja niiskusega, moodustab see rooste. Rooste moodustumise keemiline võrrand on:
4fe + 3o₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃
See punakaspruun kiht nõrgendab metalli.
Hõbedane tuhmumine : hõbe reageerib õhus väävliühenditega, moodustades hõbedasulfiidi. Keemiline võrrand on:
2AG + H₂s → Ag₂s + H₂
See must kiht tuhmib hõbedaste ehete või söögiriistade sära.
Orgaaniliste materjalide oksüdeerimine
Oksüdatsioon toimub ka elusorganismides. Kuid erinevalt metallidest võib mõju olla kasulik:
Ainevahetuse suurendamine : meie kehas aitab oksüdatsioon energiat põletada, kiirendades ainevahetust.
Madalam vähirisk : teatavad rakkude oksüdatsiooniprotsessid aitavad ära hoida kahjulike vabade radikaalide levikut, mis võib vähiriski vähendada.
Mis on rooste?
Ruste on konkreetne korrosiooni tüüp, mis mõjutab rauda ja selle sulameid, näiteks teras. Seda iseloomustab punakaspruun värv ja helbe tekstuur.
See korrosiooni vorm ilmneb siis, kui rauda puutub kokku niiskuse ja hapnikuga. Rooste moodustumise protsess hõlmab mitmeid etappe:
Oksüdatsioonireaktsioon : Raud kaotab elektronid ja reageerib hapnikuga vee juuresolekul, moodustades raua (II) ioonid.
Fe → fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Raua hüdroksiidi moodustumine : Fe⊃2; ⁺ ioonid reageerivad vee ja hapnikuga, moodustades raua (II) hüdroksiidi.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Raudhüdroksiidi oksüdeerimine : raud (II) hüdroksiid oksüdeerub veelgi, moodustades raua (iii) hüdroksiidi.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Rooste moodustumine : raud (iii) hüdroksiidi dehüdraadid, moodustades raua (iii) oksiidi-hüdroksiidi, mida tavaliselt nimetatakse roosteks. See rooste on rauaoksiidide ja hüdroksiidide keeruline segu.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Mitmed tingimused võivad soodustada rooste moodustumist:
Niiskuse olemasolu : vesi toimib elektrolüütina, võimaldades roostetamiseks vajalikke oksüdatsiooni-redutseerimise reaktsioone. Kõrge õhuniiskus või otsene kokkupuude vihmaga võib protsessi kiirendada.
Kokkupuude hapniku ja elektrolüütidega : Rooste moodustumiseks on hädavajalik hapnik. Hea õhutamise või kõrge hapniku kontsentratsiooniga piirkonnad on roostetamisele altid. Soolad ja happed võivad suurendada ka metalli elektrokeemilist aktiivsust, kiirendades roostemisprotsessi.
Keskkonnategurid : temperatuur mängib rolli rooste moodustamisel. Kõrgemad temperatuurid võivad suurendada keemiliste reaktsioonide kiirust, mis viib kiirema roostetamiseni. Pinna saasteained, näiteks mustus või õli, võivad niiskuse metalli pinnale püüda, luues lokaliseeritud alad, mis on rooste suhtes haavatavad.
Erinevused korrosiooni, oksüdatsiooni ja rooste
| aspekti vahel | korrosiooni | oksüdatsiooni | rooste vahel |
| Määratlus | Materjalide lagundamine keemilisest või elektrokeemilisest reaktsioonist keskkonnaga | Keemiline protsess, kus aine kaotab elektrone, hõlmates sageli hapnikku | Konkreetne korrosiooni vorm, mis mõjutab raua- ja rauasulameid |
| Ulatus | Laiakem termin, mis hõlmab materjali halvenemise erinevaid vorme | Konkreetne keemilise reaktsiooni tüüp | Raua oksüdatsiooni konkreetne produkt |
| Mõjutatud materjalid | Mitmesugused materjalid, sealhulgas metalle, keraamika ja polümeerid | Nii orgaanilised kui ka anorgaanilised ained | Täpsemalt raua ja selle sulamid |
| Keskkonnategurid | Nõuab elektrolüüti | Vajab hapnikku või mõnda muud oksüdeerivat ainet | Nõuab nii hapnikku kui niiskust |
| Tooted | Võib põhjustada mitmesuguseid ühendeid | Toodab oksiide | Moodustab raudoksiidid ja hüdroksiidid |
| Keemiline protsess | Hõlmab sageli elektronide ülekandmist materjali ja keskkonna vahel | Elektronide kaotus, sageli hapnikuni | Raud reageerib hapniku ja veega |
| Välimus | Erinevad vormid (nt pittimine, skaleerimine) | Võib olenevalt materjalist olla nähtav või nähtamatu | Eristav punakaspruun värv |
| Mõju | Tavaliselt kahjulik materiaalsed omadused | Võib olla kasulik (nt kaitsekihid) või kahjulikud | Alati kahjulik rauapõhistele materjalidele |
| Majanduslik mõju | Oluline erinevates tööstusharudes | Varieerub sõltuvalt kontekstist | Oluline rauda kasutavates tööstusharudes |
Korrosiooni, oksüdatsiooni ja rooste mõju
Korrosioonil, oksüdatsioonil ja roostel on kaugeleulatuvad tagajärjed, mis ulatuvad kaugemale materjalide lagunemisest. Need võivad põhjustada olulisi majanduslikke kaotusi, tekitada ohutusriske ja isegi kahjustada keskkonda.
Majanduslikud tagajärjed
Korrosiooni, oksüdatsiooni ja roostega seotud kulud on jahmatavad. NACE Internationali uuringu kohaselt on korrosiooni globaalne maksumus hinnanguliselt 2,5 triljonit dollarit aastas, mis võrdub 3,4% -ga maailma SKP -st.
Need kulud hõlmavad:
Söövitatud materjalide ja konstruktsioonide asendamise või parandamise otsesed kulud
Kaudsed kulud nagu tootmise kaotamine, keskkonnakahjud ja kohtuvaidlused
Korrosiooni ennetamise ja kontrolli meetmete hoolduskulud
Korrosioon kõige rohkem mõjutatud tööstusharude hulka kuulub:
Nafta ja gaas
Transport (autotööstus, lennundus, raudtee ja merejalaväelane)
Infrastruktuur (sillad, torustikud ja hooned)
Tootmis- ja töötlemisettevõtted
Ohutusprobleemid
Korrosioon, oksüdeerimine ja rooste võivad kahjustada hoonete, sõidukite ja infrastruktuuri struktuurilist terviklikkust. See halvenemine võib põhjustada katastroofilisi ebaõnnestumisi, seades elud ohtu.
Mõned näited korrosiooni põhjustatud ohutusohtudest hõlmavad järgmist:
Sillade või hoonete kokkuvarisemine nõrgenenud terase tugevdustest
Torujuhtmete rikke, põhjustades naftareostuse või gaasi lekkeid
Kriitiliste komponentide talitlushäired lennukites või sõidukites
Joogivee saastumine korrodeerunud torudest
Keskkonnamõjud
Korrosioonil, oksüdatsioonil ja roostel võivad olla ka olulised keskkonnamõjud. Kui korrodeerunud struktuurid ebaõnnestuvad, võivad nad keskkonda ohtlikke materjale vabastada.
Näiteks:
Korrodeerunud mahutid võivad kemikaale või naftatooteid lekitada, saastades mulda ja põhjavett
Roostes metallist jäätmed võivad raskmetallid ökosüsteemi leppida
Infrastruktuuri lagundamine võib põhjustada ebatõhusust, suurendades kasvuhoonegaaside heitkoguseid
Ennetamise ja leevendamise strateegiad
Korrosiooni, oksüdeerimise ja rooste ennetamine ja leevendamine nõuab mitmetahulist lähenemist. See hõlmab materjali hoolikat valikut, projekteerimise kaalutlusi, kaitsetöötlust, keskkonnakontrolli ja regulaarset jälgimist.
Materiaalne valik ja kujundus
Üks tõhusamaid viise korrosiooni vältimiseks on materjalide kasutamine, mis on selle suhtes olemuselt vastupidavad. Mõned näited korrosioonikindlatest sulamitest hõlmavad järgmist:
Need materjalid moodustavad nende pinnale kaitseva oksiidikihi, mis aitab vältida edasist korrosiooni.
Kujundusel on ka oluline roll korrosiooni minimeerimisel. Insenerid peaksid:
Vältige teravaid nurki ja lõhesid, kus söövitavad ained võivad koguneda
Seistmise vee vältimiseks tagage korralik drenaaž
Kasutage võimaluse korral keevitatud vuugid
Kaitsekatted ja töötlemine
Kaitsekatete ja töötlemise rakendamine materjali pinnale võib aidata vältida korrosiooni. Mõned levinumad meetodid hõlmavad järgmist:
Värvid ja õlid : need loovad barjääri metalli ja keskkonna vahel, hoides ära söövitavate ainetega kokkupuute.
Glvaniseerimine : see hõlmab raua või terase katmist tsingi kihiga, mis ohverdab aluseks oleva metalli kaitsmiseks.
Elektroplaatiline : see ladestab teise metalli pinnale õhukese korrosioonikindla metalli, näiteks kroomi või nikli.
Anodeerimine : see protsess loob metallide pinnale nagu alumiinium paksu kaitseoksiidikihi.
Passiivsus : see hõlmab metalli pinna töötlemist keemilise lahusega, et tugevdada kaitseoksiidikihi moodustumist.
Keskkonnakontroll
Keskkonna juhtimine võib aidata minimeerida söövitavate ainetega kokkupuudet. Mõned strateegiad hõlmavad:
Säilitada madala õhuniiskuse tase, et vähendada niiskust õhus
Temperatuuri reguleerimine, et vältida äärmuslikke kõikumisi, mis võivad korrosiooni kiirendada
Kujutajate, kliimaseadmete või küttekehade kasutamine keskkonna juhtimiseks
Materjalide ladustamine kuivades, hästi ventileeritavates kohtades on söövitavatest ainetest eemal
Korrosiooni jälgimine ja kontroll
Regulaarne jälgimine ja kontrollimine võib aidata korrosiooni varakult tuvastada, võimaldades õigeaegset sekkumist. See hõlmab:
Visuaalselt kontrollides pindade korrosiooni, näiteks värvimuutuse, pittimise või ketendamise jaoks
Mittepurustavate testimismeetodite, näiteks ultraheli paksuse mõõtmise või radiograafia kasutamine, et hinnata korrosiooni ulatust, ilma et materjali kahjustamata
Pidades üksikasjalikke andmeid kontrolli tulemuste kohta, et jälgida korrosiooni progresseerumist aja jooksul
Korrosiooni ennetamise ja tehnoloogia edusammud
Kui lahing korrosiooni vastu jätkub, töötavad teadlased ja insenerid välja uuenduslikke lahendusi selle mõju ennetamiseks ja leevendamiseks. Need edusammud ulatuvad suure jõudlusega kattekihtidest kuni reaalajas jälgimissüsteemide ja uudsete materjalideni.
Suure jõudlusega kattete väljatöötamine
Üks oluliste edusammude valdkond on täiustatud kaitsekatete arendamine. Need katted pakuvad suurepärase vastupidavuse korrosioonile, kulumisele ja keemilisele rünnakule. Mõned tähelepanuväärsed näited hõlmavad järgmist:
Epoksü- ja polüuretaankatted : need pakuvad suurepärast adhesiooni, vastupidavust ja vastupidavust niiskuse ja kemikaalide suhtes. Neid kasutatakse laialdaselt tööstus- ja mererakendustes.
Fluoropolümeerkatted : tuntud nende erakordsete keemiliste vastupidavuse ja madala hõõrdeomaduste poolest, fluoropolümeerkatted, näiteks PTFE (teflon), sobivad ideaalselt karmide keskkondade jaoks.
Bio-inspireeritud isetervendavad katted : need uuenduslikud katted jäljendavad elusorganismide enesetervendavaid omadusi. Need sisaldavad paranemisvahenditega täidetud mikroskoopilisi kapsleid, mis eralduvad katte kahjustamise ajal, võimaldades sellel ennast parandada.
Katoodkaitse ja korrosiooni inhibiitoritehnoloogiad
Katoodikaitse on väljakujunenud meetod metallkonstruktsioonide korrosiooni ennetamiseks. See hõlmab metallile väikese elektrivoolu kandmist, muutes selle katoodiks elektrokeemilises rakus. See takistab metalli korrodeerumist.
Korrosiooni inhibiitorid on ained, mis söövitavasse keskkonda lisades vähendavad korrosiooni kiirust. Nad töötavad, moodustades kaitsekile metalli pinnale või muutes keskkonna keemiat.
Viimased edusammud nendes tehnoloogiates hõlmavad järgmist:
Muljet avaldab praegused katoodkaitsesüsteemid, mis kasutavad päikeseenergiat või muid taastuvaid energiaallikaid
Taimeekstraktidest ja muudest keskkonnasõbralikest allikatest saadud orgaaniliste korrosiooni inhibiitorid
Nutikad katted, mis sisaldavad korrosiooni inhibiitoreid ja vabastavad need vajadusel
Reaalajas korrosiooniseire ja varajase hoiatamise süsteemid
Katastroofiliste ebaõnnestumiste ennetamiseks on ülioluline korrosiooni varajane tuvastamine. Reaalajas seiresüsteemid kasutavad andureid, et pidevalt mõõta erinevaid korrosiooniga seotud parameetreid, näiteks:
Elektrokeemiline potentsiaal
Korrosioonivool
Keskkonnategurid (temperatuur, niiskus, pH)
Need süsteemid saavad operaatoreid hoiatada, kui korrosioonimäär ületab vastuvõetava taseme, võimaldades õigeaegset sekkumist. Mõned täiustatud süsteemid kasutavad ajalooliste andmete põhjal isegi masinõppe algoritme.
Uued materjalid ja tehnikad korrosiooni ennetamiseks merekeskkonnas
Merekeskkond on eriti keeruline korrosiooni ennetamise osas. Soolavee, bioloogilise saastumise ja mehaanilise stressi kombinatsioon võib kiiresti lagundada ka kõige tugevamaid materjale.
Teadlased töötavad välja uusi materjale ja tehnikaid nende väljakutsete lahendamiseks, näiteks:
Korrosioonikindlad sulamid, mis sisaldavad kõrget kroomi, nikli ja molübdeeni taset
Komposiitmaterjalid, mis ühendavad metallide tugevuse polümeeride korrosioonikindlusega
Nanostruktureeritud katted, mis loovad ülihüdrofoobse pinna, hoides ära vett ja muid söövitavaid aineid metallile kleepumise
Elektrokeemilised korrosioonikontrolli meetodid, nagu muljet praegune katoodkaitse ja ohverdatud anoodid
Järeldus
Korrosioon, oksüdeerimine ja rooste on omavahel seotud, kuid erinevad protsessid, mis võivad materjale ja struktuure märkimisväärselt mõjutada. Kuigi oksüdatsioon on lai keemiline reaktsioon, halvendab korrosioon materjale spetsiifiliselt ja rooste mõjutab ainult rauda ja selle sulameid.
Nende erinevuste mõistmine on erinevate varade ohutuse ja pikaealisuse säilitamiseks ülioluline. Korrosiooniteaduse jätkuva uurimistöö eesmärk on välja töötada uusi ennetusstrateegiaid ja tehnoloogiaid nende püsivate väljakutsetega vastu võitlemiseks.
