در حوزه علم و مهندسی مواد ، اصطلاحات خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی اغلب به صورت متناوب مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال ، این فرایندها ، در حالی که مرتبط هستند ، دارای ویژگی ها و تأثیرات متمایز هستند. درک تفاوتهای آنها برای صنایع اعم از ساخت و ساز تا هوافضا بسیار مهم است ، زیرا این پدیده ها می توانند به طور قابل توجهی بر ماندگاری و ایمنی مواد و سازه ها تأثیر بگذارند.
خوردگی چیست؟
خوردگی تخریب تدریجی مواد ، معمولاً فلزات ، ناشی از واکنشهای شیمیایی یا الکتروشیمیایی است. این ماده را تضعیف می کند و بر یکپارچگی ساختاری آن تأثیر می گذارد. در صورت عدم بررسی ، خوردگی می تواند منجر به خرابی شود.
تخریب خواص مواد
هنگامی که خوردگی رخ می دهد ، خصوصیات بدنی مواد را تغییر می دهد. این شامل قدرت ، ظاهر و حتی هدایت است. واکنشهای الکتروشیمیایی بین فلز و محیط آن باعث این تخریب می شود.
انواع خوردگی
خوردگی در هر سناریو یکسان نیست. محیط ها و مواد مختلف منجر به اشکال مختلف خوردگی می شوند. در زیر انواع متداول وجود دارد:
حمله یکنواخت : این رایج ترین شکل خوردگی است. هنگامی اتفاق می افتد که کل سطح یک ماده در معرض یک محیط خورنده قرار می گیرد و در نتیجه حتی خراب شدن نیز ایجاد می شود.
خوردگی گالوانیک : این نوع خوردگی زمانی اتفاق می افتد که دو فلز متفاوت در حضور یک الکترولیت با یکدیگر در تماس باشند. فلز کمتر نجیب به آند تبدیل می شود و سریعتر می شود.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[red])
ECELL = پتانسیل سلول ، E0 = پتانسیل الکترود استاندارد ، R = ثابت گاز ، T = دما ، n = تعداد الکترون های منتقل شده و F ثابت فارادی است.
میزان خوردگی ∝ [Cl-] E (-wg/rt)
در این معادله ، ΔG تغییر در انرژی بدون گیبس ، R ثابت گاز است و T درجه حرارت است.
گودال : این یک شکل موضعی از خوردگی است که منجر به سوراخ های کوچک یا چاله های روی سطح یک فلز می شود. تشخیص آن دشوار است و می تواند منجر به شکست سریع شود.
خوردگی بین دانه ای : این نوع خوردگی در امتداد مرزهای دانه یک فلز رخ می دهد ، که اغلب به دلیل بارش ناخالصی ها یا تشکیل مراحل مختلف است.
خوردگی فرسایش : هنگامی اتفاق می افتد که یک مایع خورنده بر روی یک سطح فلز با سرعت بالا حرکت کند و هم سایش مکانیکی و هم تخریب شیمیایی را ایجاد می کند.
ترک خوردگی استرس : این اتفاق می افتد که یک فلز در معرض استرس کششی و یک محیط خورنده قرار می گیرد و منجر به شکل گیری و انتشار ترک ها می شود.
شستشوی انتخابی : این نوع خوردگی شامل حذف انتخابی یک عنصر از یک آلیاژ است و یک ساختار ضعیف و متخلخل را پشت سر می گذارد.
مواد تحت تأثیر خوردگی
خوردگی فقط بر روی فلزات تأثیر نمی گذارد. مواد دیگر نیز می توانند تخریب شوند:
فلزات : آهن ، آلومینیوم ، مس و آلیاژهای آنها بیشتر تحت تأثیر خوردگی قرار می گیرند.
سرامیک : اگرچه کمتر رایج است ، سرامیک ها می توانند از طریق واکنش های شیمیایی با محیط خود تخریب شوند.
پلیمرها : به جای خوردگی ، پلیمرها تخریب می شوند. این تضعیف می تواند منجر به ترک خوردگی ، پیچ و تاب یا تغییر رنگ شود.
اکسیداسیون چیست؟
اکسیداسیون یک فرآیند شیمیایی است که در آن یک ماده الکترون ها را از دست می دهد ، به طور معمول با اکسیژن واکنش نشان می دهد. این بخشی از شیمی روزمره است که اغلب منجر به تغییرات قابل مشاهده مانند رنگ یا بافت می شود.
فرآیند شیمیایی شامل از بین رفتن الکترون ها
در اکسیداسیون ، یک ماده الکترونهایی را به دیگری واگذار می کند. اکسیژن معمولاً ماده ای است که آنها را می پذیرد. این واکنش می تواند در هر دو ماده آلی و معدنی رخ دهد و خصوصیات آنها را تغییر دهد. یک واکنش اکسیداسیون کلی می تواند به صورت زیر نشان داده شود:
M → M⁺ + E⁻
در اینجا ، 'M ' نمایانگر مواد (اغلب فلز) است که الکترونهایی را از دست می دهد و به یک یون با بار مثبت (M⁺) تبدیل می شود.
نمونه هایی از اکسیداسیون در زندگی روزمره
اکسیداسیون بر موادی که هر روز استفاده می کنیم تأثیر می گذارد. در اینجا چند نمونه متداول وجود دارد:
این لایه مایل به قهوه ای مایل به قهوه ای فلزی را تضعیف می کند.
اکسیداسیون در مواد آلی
اکسیداسیون همچنین در موجودات زنده اتفاق می افتد. اما برخلاف فلزات ، اثرات می توانند مفید باشند:
تقویت متابولیسم : در بدن ما ، اکسیداسیون به سوزاندن مواد غذایی برای انرژی کمک می کند و باعث افزایش متابولیسم می شود.
خطر ابتلا به سرطان : برخی از فرآیندهای اکسیداسیون در سلول ها به جلوگیری از گسترش رادیکال های مضر آزاد کمک می کنند ، که می تواند خطر سرطان را کاهش دهد.
زنگ زدگی چیست؟
زنگ زدگی نوع خاصی از خوردگی است که بر آهن و آلیاژهای آن مانند فولاد تأثیر می گذارد. این با یک رنگ قهوه ای مایل به قرمز و یک بافت پوسته پوسته مشخص می شود.
این شکل از خوردگی زمانی رخ می دهد که آهن در معرض رطوبت و اکسیژن قرار می گیرد. روند تشکیل زنگ زدگی شامل چندین مرحله است:
واکنش اکسیداسیون : آهن الکترونها را از دست می دهد و در حضور آب با اکسیژن واکنش نشان می دهد تا یون های آهن (II) تشکیل شود.
Fe → Fe⊃2 ؛ ⁺ + 2e⁻
تشکیل هیدروکسید آهن : fe⊃2 ؛ ⁺ یون ها با آب و اکسیژن واکنش نشان می دهند تا آهن (II) هیدروکسید تشکیل شود.
fe⊃2 ؛ ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
اکسیداسیون هیدروکسید آهن : آهن (II) هیدروکسید برای تشکیل هیدروکسید آهن (III) اکسید می شود.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
تشکیل زنگ زدگی : آهن (III) هیدروکسید دهیدرات ها برای تشکیل آهن (III) اکسید هیدروکسید ، که معمولاً به عنوان زنگ زدگی شناخته می شود. این زنگ زدگی ترکیبی پیچیده از اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها است.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3h₂o
چندین شرایط می تواند شکل گیری زنگ زدگی را تقویت کند:
وجود رطوبت : آب به عنوان یک الکترولیت عمل می کند و باعث می شود واکنشهای کاهش اکسیداسیون لازم برای زنگ زدگی باشد. رطوبت بالا یا قرار گرفتن در معرض مستقیم باران می تواند روند را تسریع کند.
قرار گرفتن در معرض اکسیژن و الکترولیت ها : اکسیژن برای تشکیل زنگ زدگی ضروری است. مناطقی با هوادهی خوب یا غلظت اکسیژن زیاد بیشتر مستعد زنگ زدگی هستند. نمک و اسیدها همچنین می توانند فعالیت الکتروشیمیایی فلز را افزایش داده و روند زنگ زدگی را سرعت بخشند.
عوامل محیطی : دما در تشکیل زنگ زدگی نقش دارد. درجه حرارت بالاتر می تواند میزان واکنشهای شیمیایی را افزایش داده و منجر به زنگ زدگی سریعتر شود. آلاینده های سطحی مانند خاک یا روغن می توانند رطوبت را در برابر سطح فلز به دام بیندازند و مناطق بومی شده ای را که در برابر زنگ زدگی آسیب پذیر است ، ایجاد می کند.
تفاوت بین خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی
| اکسیداسیون | زنگ | اکسیداسیون | زدگی |
| تعریف | تخریب مواد به دلیل واکنشهای شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط زیست | فرآیند شیمیایی که در آن یک ماده الکترون ها را از دست می دهد ، که اغلب شامل اکسیژن است | شکل خاص خوردگی که بر آلیاژهای آهن و آهن تأثیر می گذارد |
| دامنه | اصطلاح گسترده ، شامل اشکال مختلف تخریب مواد | نوع خاص واکنش شیمیایی | محصول خاص اکسیداسیون آهن |
| مواد تحت تأثیر | مواد مختلف از جمله فلزات ، سرامیک و پلیمرها | هر دو ماده ارگانیک و معدنی | به طور خاص آهن و آلیاژهای آن |
| عوامل محیطی | به الکترولیت نیاز دارد | به اکسیژن یا ماده اکسید کننده دیگر نیاز دارد | به اکسیژن و رطوبت نیاز دارد |
| محصولات | می تواند منجر به ترکیبات مختلف شود | اکسیدها تولید می کند | اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها را تشکیل می دهد |
| فرایند شیمیایی | اغلب شامل انتقال الکترون بین مواد و محیط است | از بین رفتن الکترون ها ، اغلب به اکسیژن | آهن با اکسیژن و آب واکنش نشان می دهد |
| ظاهر | اشکال مختلف (به عنوان مثال ، گودال ، مقیاس گذاری) | بسته به ماده قابل مشاهده یا نامرئی است | رنگ مایل به قهوه ای مایل به قرمز |
| تأثیر | معمولاً برای خصوصیات مواد مضر است | می تواند مفید باشد (به عنوان مثال ، لایه های محافظ) یا مضر | همیشه برای مواد مبتنی بر آهن مضر است |
| تأثیر اقتصادی | در صنایع مختلف قابل توجه است | بسته به متن متفاوت است | در صنایع مصرف آهن قابل توجه است |
تأثیر خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی
خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی عواقب گسترده ای دارند که فراتر از تخریب مواد است. آنها می توانند منجر به خسارات اقتصادی قابل توجه ، خطرات ایمنی و حتی آسیب رساندن به محیط زیست شوند.
عواقب اقتصادی
هزینه های مرتبط با خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی حیرت انگیز است. طبق مطالعه NACE International ، هزینه جهانی خوردگی سالانه 2.5 تریلیون دلار تخمین زده می شود که معادل 3.4 ٪ از تولید ناخالص داخلی جهان است.
این هزینه ها شامل:
هزینه های مستقیم جایگزینی یا تعمیر مواد و سازه های خورنده
هزینه های غیرمستقیم مانند از دست دادن تولید ، آسیب های زیست محیطی و دادخواست
هزینه های نگهداری برای اقدامات پیشگیری و کنترل خوردگی
صنایع تحت تأثیر خوردگی عبارتند از:
نفت و گاز
حمل و نقل (خودرو ، هوافضا ، راه آهن و دریایی)
زیرساخت (پل ها ، خطوط لوله و ساختمانها)
کارخانه های تولید و پردازش
نگرانی های ایمنی
خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی می تواند یکپارچگی ساختاری ساختمانها ، وسایل نقلیه و زیرساخت ها را به خطر بیاندازد. این وخامت می تواند منجر به خرابی فاجعه بار شود و زندگی را در معرض خطر قرار دهد.
برخی از نمونه های خطرات ایمنی ناشی از خوردگی عبارتند از:
فروپاشی پل ها یا ساختمانها به دلیل تقویت تقویت شده از فولاد
خرابی خطوط لوله ، منجر به نشت روغن یا نشت گاز
نقص اجزای مهم در هواپیما یا وسایل نقلیه
آلودگی آب آشامیدنی از لوله های خورنده
پیامدهای زیست محیطی
خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی نیز می تواند عواقب زیست محیطی قابل توجهی داشته باشد. هنگامی که ساختارهای فاسد شده شکست می خورند ، می توانند مواد خطرناک را در محیط آزاد کنند.
به عنوان مثال:
مخازن ذخیره شده فاسد شده می توانند مواد شیمیایی یا فرآورده های نفتی را نشت کنند و خاک و آبهای زیرزمینی را آلوده کنند
زباله های فلزی زنگ زده می توانند فلزات سنگین را به داخل اکوسیستم بکشند
تخریب زیرساخت ها می تواند منجر به ناکارآمدی و افزایش انتشار گازهای گلخانه ای شود
استراتژی های پیشگیری و کاهش
جلوگیری و کاهش خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی نیاز به یک رویکرد چند وجهی دارد. این شامل انتخاب دقیق مواد ، ملاحظات طراحی ، درمان های محافظ ، کنترل محیط زیست و نظارت منظم است.
انتخاب و طراحی مواد
یکی از مؤثرترین راهها برای جلوگیری از خوردگی ، استفاده از موادی است که ذاتاً در برابر آن مقاوم هستند. برخی از نمونه های آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی عبارتند از:
این مواد یک لایه اکسید محافظ را روی سطح خود تشکیل می دهند که به جلوگیری از خوردگی بیشتر کمک می کند.
طراحی همچنین نقش مهمی در به حداقل رساندن خوردگی دارد. مهندسان باید:
از گوشه های تیز و شکاف هایی که در آن مواد خورنده می توانند جمع شوند ، خودداری کنید
از زهکشی مناسب برای جلوگیری از آب ایستاده اطمینان حاصل کنید
در صورت امکان از اتصالات جوش داده شده به جای اتصالات پیچیده یا پرچین استفاده کنید
پوشش های محافظ و درمان
استفاده از روکش های محافظ و درمانها در سطح یک ماده می تواند به جلوگیری از خوردگی کمک کند. برخی از روشهای متداول عبارتند از:
رنگ ها و روغن ها : اینها سدی بین فلز و محیط ایجاد می کند و از قرار گرفتن در معرض عوامل خورنده جلوگیری می کند.
گالوانیزه : این شامل پوشش آهن یا فولاد با لایه ای از روی است که برای محافظت از فلز زیرین ، قربانی می شود.
آبکاری : یک لایه نازک از یک فلز مقاوم در برابر خوردگی بیشتر ، مانند کروم یا نیکل ، بر روی سطح فلز دیگر قرار می دهد.
آنودایزاسیون : این فرآیند یک لایه اکسید ضخیم و محافظ بر روی سطح فلزات مانند آلومینیوم ایجاد می کند.
Passivation : این شامل درمان سطح یک فلز با یک محلول شیمیایی برای تقویت تشکیل یک لایه اکسید محافظ است.
کنترل محیطی
کنترل محیط می تواند به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض عوامل خورنده کمک کند. برخی از استراتژی ها عبارتند از:
حفظ سطح رطوبت کم برای کاهش رطوبت در هوا
تنظیم دما برای جلوگیری از نوسانات شدید که می تواند خوردگی را تسریع کند
برای کنترل محیط زیست با استفاده از dehumidifiers ، تهویه هوا یا بخاری
ذخیره مواد در مناطق خشک و با تهویه به دور از مواد خورنده
نظارت و بازرسی خوردگی
نظارت منظم و بازرسی می تواند به تشخیص زود هنگام خوردگی کمک کند و امکان مداخله به موقع را فراهم می آورد. این شامل:
از نظر بصری سطوح برای علائم خوردگی ، مانند تغییر رنگ ، گودال یا پوسته پوسته شدن
با استفاده از روشهای آزمایش غیر مخرب ، مانند اندازه گیری ضخامت اولتراسونیک یا رادیوگرافی ، برای ارزیابی میزان خوردگی بدون آسیب رساندن به مواد
نگه داشتن سوابق دقیق نتایج بازرسی برای پیگیری پیشرفت خوردگی در طول زمان
پیشرفت در پیشگیری از خوردگی و فناوری
با ادامه نبرد با خوردگی ، محققان و مهندسان در حال تهیه راه حل های نوآورانه برای جلوگیری و کاهش اثرات آن هستند. این پیشرفت ها از پوشش های با کارایی بالا گرفته تا سیستم های نظارت بر زمان واقعی و مواد جدید متغیر است.
توسعه پوشش های با کارایی بالا
یکی از زمینه های پیشرفت قابل توجه ، توسعه پوشش های محافظ پیشرفته است. این روکش ها مقاومت برتر در برابر خوردگی ، سایش و حمله شیمیایی را فراهم می کنند. برخی از نمونه های قابل توجه عبارتند از:
پوشش های اپوکسی و پلی اورتان : اینها چسبندگی ، دوام و مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی عالی را ارائه می دهند. آنها به طور گسترده در کاربردهای صنعتی و دریایی استفاده می شوند.
پوشش های فلوروپلیمر : به دلیل مقاومت در برابر شیمیایی استثنایی و خاصیت اصطکاک کم آنها ، پوشش های فلوروپلیمر ، مانند PTFE (تفلون) ، برای محیط های سخت ایده آل هستند.
پوشش های خود درمانی با الهام از زیستی : این پوشش های نوآورانه از خواص خود درمانی موجودات زنده تقلید می کنند. آنها حاوی کپسول های میکروسکوپی پر از مواد شفابخش هستند که هنگام آسیب دیدن پوشش آزاد می شوند و به آن اجازه می دهند خود را تعمیر کند.
فن آوری های مهار کننده محافظت از کاتدیک و خوردگی
محافظت از کاتدیک روشی به خوبی تثبیت شده برای جلوگیری از خوردگی در ساختارهای فلزی است. این شامل استفاده از یک جریان الکتریکی کوچک به فلز است و آن را به کاتد در یک سلول الکتروشیمیایی تبدیل می کند. این مانع از خوردگی فلز می شود.
مهارکننده های خوردگی موادی هستند که وقتی به یک محیط خورنده اضافه می شوند ، میزان خوردگی را کاهش می دهند. آنها با تشکیل یک فیلم محافظ بر روی سطح فلز یا با اصلاح شیمی محیط کار می کنند.
پیشرفت های اخیر در این فناوری ها عبارتند از:
تحت تأثیر سیستم های محافظت از کاتدیک فعلی که از انرژی خورشیدی یا سایر منابع انرژی تجدید پذیر استفاده می کنند
مهار کننده های خوردگی ارگانیک حاصل از عصاره های گیاهی و سایر منابع سازگار با محیط زیست
پوشش های هوشمند که شامل مهار کننده های خوردگی هستند و در صورت لزوم آنها را آزاد می کنند
سیستم های نظارت بر خوردگی در زمان واقعی و سیستم هشدار زودهنگام
تشخیص زود هنگام خوردگی برای جلوگیری از خرابی فاجعه بار بسیار مهم است. سیستم های نظارت در زمان واقعی از سنسورها برای اندازه گیری مداوم پارامترهای مختلف مربوط به خوردگی استفاده می کنند ، مانند:
این سیستم ها می توانند به اپراتورها هشدار دهند که نرخ خوردگی از سطح قابل قبول تجاوز کند ، و این امکان را برای مداخله به موقع فراهم می کند. برخی از سیستم های پیشرفته حتی از الگوریتم های یادگیری ماشین برای پیش بینی نرخ خوردگی بر اساس داده های تاریخی استفاده می کنند.
مواد و تکنیک های جدید برای پیشگیری از خوردگی در محیط های دریایی
محیط های دریایی هنگام پیشگیری از خوردگی به ویژه چالش برانگیز هستند. ترکیبی از آب شور ، رسوب بیولوژیکی و استرس مکانیکی می تواند به سرعت حتی قوی ترین مواد را نیز تخریب کند.
محققان در حال تهیه مواد و تکنیک های جدید برای رفع این چالش ها هستند ، مانند:
آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی حاوی مقادیر زیادی کروم ، نیکل و مولیبدن
مواد کامپوزیتی که قدرت فلزات را با مقاومت در برابر خوردگی پلیمرها ترکیب می کنند
روکش های نانوساختار که یک سطح فوق العاده هیدروفوبیک ایجاد می کنند ، از آب و سایر مواد خورنده جلوگیری می کنند به فلز جلوگیری می کنند
روشهای کنترل خوردگی الکتروشیمیایی ، مانند محافظت از کاتدیک فعلی تحت تأثیر و آندهای قربانی
پایان
خوردگی ، اکسیداسیون و زنگ زدگی مربوط به فرآیندهای متمایز است که می توانند به طور قابل توجهی بر مواد و ساختارها تأثیر بگذارند. در حالی که اکسیداسیون یک واکنش شیمیایی گسترده است ، خوردگی به طور خاص مواد را تخریب می کند و زنگ زدگی فقط بر آهن و آلیاژهای آن تأثیر می گذارد.
درک این تفاوت ها برای حفظ ایمنی و ماندگاری دارایی های مختلف بسیار مهم است. تحقیقات مداوم در علوم خوردگی با هدف توسعه استراتژی ها و فناوری های پیشگیری جدید برای مقابله با این چالش های مداوم انجام می شود.
