U području znanosti o materijalima i inženjerstvu, izrazi korozija, oksidacija i hrđa često se koriste naizmjenično. Međutim, ti procesi, iako povezani, imaju različite karakteristike i utjecaje. Razumijevanje njihovih razlika ključno je za industrije u rasponu od izgradnje do zrakoplovstva, jer ti fenomeni mogu značajno utjecati na dugovječnost i sigurnost materijala i struktura.
Što je korozija?
Korozija je postupna degradacija materijala, obično metala, uzrokovanih kemijskim ili elektrokemijskim reakcijama. Slabi materijal i utječe na njegov strukturni integritet. Korozija može dovesti do neuspjeha ako ostane neprovjerena.
Degradacija svojstava materijala
Kad se dogodi korozija, ona mijenja fizička svojstva materijala. To uključuje snagu, izgled, pa čak i vodljivost. Elektrokemijske reakcije između metala i njegovog okoliša uzrokuju ovu degradaciju.
Vrste korozije
Korozija nije ista u svakom scenariju. Različita okruženja i materijali dovode do različitih oblika korozije. Ispod su neke uobičajene vrste:
Jedinstveni napad : Ovo je najčešći oblik korozije. Javlja se kada je cijela površina materijala izložena korozivnom okruženju, što rezultira još pogoršanjem.
Galvanska korozija : Ova vrsta korozije događa se kada su dva različita metala u kontaktu međusobno u prisutnosti elektrolita. Manje plemeniti metal postaje anoda i brže korodira.
ECELL = E⁰CATHODE - E⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[RED])
ECELL = Potencijal ćelije, E0 = Standardni potencijali elektroda, R = konstanta plina, T = temperatura, n = broj prenesenih elektrona, a F konstanta Faraday.
Brzina korozije ∝ [cl–] e (-∆G/RT)
U ovoj jednadžbi, ΔG je promjena slobodne energije Gibbs, R je konstanta plina, a T je temperatura.
Pitting : Ovo je lokalizirani oblik korozije koji rezultira malim rupama ili jama na površini metala. To može biti teško otkriti i može dovesti do brzog neuspjeha.
Međugranularna korozija : Ova vrsta korozije događa se duž granica zrna metala, često zbog oborina nečistoća ili stvaranja različitih faza.
Korozija erozije : Događa se kada se korozivna tekućina premješta preko metalne površine velikim brzinama, uzrokujući i mehaničko trošenje i kemijsku razgradnju.
Pukotina korozije naprezanja : To se događa kada je metal podvrgnut i zateznom stresu i korozivnom okruženju, što dovodi do stvaranja i širenja pukotina.
Selektivno ispiranje : Ova vrsta korozije uključuje selektivno uklanjanje jednog elementa iz legure, ostavljajući iza sebe oslabljenu, poroznu strukturu.
Materijali pogođeni korozijom
Korozija ne utječe samo na metale. I drugi materijali se mogu razgraditi:
Metali : željezo, aluminij, bakar i njihove legure najviše utječu korozija.
Keramika : Iako je rjeđa, keramika se može razgraditi kemijskim reakcijama sa svojim okolišem.
Polimeri : Umjesto korodiranja, polimeri se degradiraju. Ovo slabljenje može dovesti do pucanja, iskrivljenja ili promjene boje.
Što je oksidacija?
Oksidacija je kemijski postupak u kojem materijal gubi elektrone, obično reagira s kisikom. To je dio svakodnevne kemije, što često rezultira vidljivim promjenama poput boje ili teksture.
Kemijski postupak koji uključuje gubitak elektrona
U oksidaciji, tvar se odriče elektrona drugom. Kisik je obično tvar koja ih prihvaća. Ova se reakcija može dogoditi i u organskim i anorganskim materijalima, mijenjajući njihova svojstva. Opća reakcija oksidacije može se predstaviti kao:
m → m⁺ + e⁻
Ovdje 'm ' predstavlja materijal (često metal) koji gubi elektrone, postajući pozitivno nabijeni ion (M⁺).
Primjeri oksidacije u svakodnevnom životu
Oksidacija utječe na materijale koje koristimo svaki dan. Evo nekoliko uobičajenih primjera:
Hrtanje željeza i čelika : Kad željezo reagira s kisikom i vlagom, formira hrđu. Kemijska jednadžba za stvaranje hrđe je:
4FE + 3O₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃
Ovaj crvenkasto-smeđi sloj slabi metal.
Smanjivanje srebra : Silver reagira sa sumpornim spojevima u zraku, tvoreći srebrni sulfid. Kemijska jednadžba je:
2ag + h₂s → ag₂s + h₂
Ovaj crni sloj zatamnjuje sjaj srebrnog nakita ili pribora za jelo.
Oksidacija u organskim materijalima
Oksidacija se također događa u živim organizmima. Ali za razliku od metala, učinci mogu biti korisni:
Pojačanje metabolizma : U našim tijelima oksidacija pomaže izgaranju hrane za energiju, ubrzavajući metabolizam.
Niži rizik od raka : Određeni procesi oksidacije u stanicama pomažu u sprječavanju širenja štetnih slobodnih radikala, što može smanjiti rizik od raka.
Što je hrđa?
Rust je specifična vrsta korozije koja utječe na željezo i njegove legure, poput čelika. Karakterizira ga crvenkasto-smeđa boja i pahuljasta tekstura.
Ovaj oblik korozije nastaje kada je željezo izloženo vlazi i kisiku. Proces stvaranja hrđe uključuje nekoliko koraka:
Reakcija oksidacije : Željezo gubi elektrone i reagira s kisikom u prisutnosti vode kako bi nastao ione željeza (II).
Fe → fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Stvaranje željeznog hidroksida : Fe⊃2; ⁺ ioni reagiraju s vodom i kisikom kako bi nastali željezo (II) hidroksid.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Oksidacija željeznog hidroksida : željezo (II) hidroksid dalje oksidira kako bi se stvorio željezo (III) hidroksid.
4FE (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Formiranje hrđe : željezo (III) hidroksid dehidrati kako bi nastao željezo (III) oksid-hidroksid, obično poznat kao hrđa. Ova hrđa je složena mješavina željeznih oksida i hidroksida.
4Fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Nekoliko uvjeta može promicati stvaranje hrđe:
Prisutnost vlage : voda djeluje kao elektrolit, omogućujući reakcije smanjenja oksidacije potrebne za hrđanje. Visoka vlaga ili izravna izloženost kiši mogu ubrzati postupak.
Izloženost kisiku i elektrolitima : kisik je ključan za stvaranje hrđe. Područja s dobrom prozračivanjem ili visokom koncentracijom kisika sklonija su hrđima. Soli i kiseline također mogu povećati elektrokemijsku aktivnost metala, ubrzavajući postupak hrđe.
Okolišni čimbenici : Temperatura igra ulogu u stvaranju hrđe. Veće temperature mogu povećati stopu kemijskih reakcija, što dovodi do bržeg hrđe. Površinski zagađivači poput prljavštine ili ulja mogu zarobiti vlagu na površini metala, stvarajući lokalizirana područja ranjiva na hrđu.
Razlike između korozije, oksidacije i
| aspekta hrđe | korozije | oksidacija | hrđa |
| Definicija | Degradacija materijala zbog kemijskih ili elektrokemijskih reakcija s okolinom | Kemijski postupak u kojem tvar gubi elektrone, koji često uključuje kisik | Specifični oblik korozije koji utječe na legure željeza i željeza |
| Opseg | Najširi izraz, koji obuhvaća različite oblike degradacije materijala | Specifična vrsta kemijske reakcije | Specifični proizvod oksidacije željeza |
| Materijali pogođeni | Razni materijali, uključujući metale, keramiku i polimere | I organske i anorganske tvari | Posebno željezo i njegove legure |
| Okolišni čimbenici | Zahtijeva elektrolit | Treba kisik ili drugo oksidirajuće sredstvo | Zahtijeva i kisik i vlagu |
| Proizvodi | Može rezultirati raznim spojevima | Proizvodi okside | Tvori željezni oksidi i hidroksidi |
| Kemijski postupak | Često uključuje prijenos elektrona između materijala i okoliša | Gubitak elektrona, često do kisika | Željezo reagira s kisikom i vodom |
| Izgled | Različiti oblici (npr. Pitting, skaliranje) | Može biti vidljiv ili nevidljiv ovisno o materijalu | Karakteristična crvenkasto-smeđa boja |
| Utjecaj | Obično štetno za svojstva materijala | Može biti korisno (npr., Zaštitni slojevi) ili štetni | Uvijek štetno za materijale na bazi željeza |
| Ekonomski utjecaj | Značajno u različitim industrijama | Varira ovisno o kontekstu | Značajno u industrijama koje koriste željezo |
Utjecaj korozije, oksidacije i hrđe
Korozija, oksidacija i hrđa imaju dalekosežne posljedice koje se protežu izvan degradacije materijala. Oni mogu dovesti do značajnih ekonomskih gubitaka, predstavljanja sigurnosnih rizika, pa čak i naštetiti okolišu.
Ekonomske posljedice
Troškovi povezani s korozijom, oksidacijom i hrđom su zapanjujući. Prema studiji NACE Internationala, globalni trošak korozije procjenjuje se na 2,5 bilijuna dolara godišnje, što je ekvivalentno 3,4% svjetskog BDP -a.
Ti troškovi uključuju:
Izravni troškovi zamjene ili popravljanja korodiranih materijala i struktura
Neizravni troškovi poput gubitka proizvodnje, štete na okolišu i parničnog postupka
Troškovi održavanja mjera za prevenciju i kontrolu korozije
Industrije koje najviše utječu korozijom uključuju:
Nafta i plin
Transport (automobilska, zrakoplovna, željeznica i marina)
Infrastruktura (mostovi, cjevovodi i zgrade)
Postrojenje za proizvodnju i preradu
Zabrinutost za sigurnost
Korozija, oksidacija i hrđa mogu ugroziti strukturni integritet zgrada, vozila i infrastrukture. Ovo pogoršanje može dovesti do katastrofalnih neuspjeha, dovodeći u opasnost živote.
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
Kvar kritičnih komponenti u zrakoplovima ili vozilima
Zagađenje pitke vode iz korodiranih cijevi
Implikacije na okoliš
Korozija, oksidacija i hrđa također mogu imati značajne posljedice okoliša. Kad korodirane strukture ne uspiju, u okoliš mogu osloboditi opasne materijale.
Na primjer:
Korodirani spremnici mogu procuriti kemikalije ili naftne proizvode, kontaminirajući tlo i podzemne vode
Rustani metalni otpad može ispisati teške metale u ekosustav
Degradacija infrastrukture može dovesti do neučinkovitosti, povećavajući emisiju stakleničkih plinova
Strategije prevencije i ublažavanja
Sprječavanje i ublažavanje korozije, oksidacije i hrđe zahtijeva višestruki pristup. To uključuje pažljivo odabir materijala, razmatranja dizajna, zaštitne tretmane, kontrolu okoliša i redovito nadgledanje.
Odabir materijala i dizajn
Jedan od najučinkovitijih načina za sprečavanje korozije je upotreba materijala koji su inherentno otporni na nju. Neki primjeri legura otpornih na koroziju uključuju:
Ovi materijali tvore zaštitni oksidni sloj na njihovoj površini, što pomaže u sprječavanju daljnje korozije.
Dizajn također igra ključnu ulogu u minimiziranju korozije. Inženjeri bi trebali:
Izbjegavajte oštre kutove i pukotine gdje se korozivne tvari mogu akumulirati
Osigurati pravilnu odvodnju kako biste spriječili stajaću vodu
Upotrijebite zavarene spojeve umjesto pričvršćenih ili zakopčanih spojeva kad je to moguće
Zaštitni premazi i tretmani
Primjena zaštitnih premaza i tretmana na površinu materijala može pomoći u sprječavanju korozije. Neke uobičajene metode uključuju:
Boje i ulja : Oni stvaraju barijeru između metala i okoliša, sprječavajući izlaganje korozivnim sredstvima.
Galvaniziranje : To uključuje oblaganje željeza ili čelika s slojem cinka, koji žrtvovano korodira kako bi zaštitio temeljni metal.
Elektriranje : Odloži tanki sloj metala otpornije na koroziju, poput kroma ili nikla, na površinu drugog metala.
Anodiziranje : Ovaj postupak stvara debeli, zaštitni oksidni sloj na površini metala poput aluminija.
Pasivacija : uključuje tretiranje površine metala kemijskom otopinom kako bi se poboljšalo stvaranje zaštitnog oksidnog sloja.
Kontrola okoliša
Kontroliranje okoliša može pomoći u smanjenju izloženosti korozivnim sredstvima. Neke strategije uključuju:
Održavanje niske razine vlage za smanjenje vlage u zraku
Reguliranje temperature kako bi se izbjegle ekstremne fluktuacije koje mogu ubrzati koroziju
Korištenje odvlaživača, klima uređaja ili grijača za kontrolu okoliša
Skladištenje materijala u suhim, dobro prozračenim područjima daleko od korozivnih tvari
Nadgledanje i inspekcija korozije
Redovito nadgledanje i inspekcija mogu pomoći rano otkrivanje korozije, omogućujući pravovremenu intervenciju. To uključuje:
Vizualno pregledajte površine ima li znakova korozije, poput promjene boje, pitting ili ljuskanja
Koristeći metode nerazornog ispitivanja, poput mjerenja ultrazvučne debljine ili radiografije, za procjenu opsega korozije bez oštećenja materijala
Čuvanje detaljnih zapisa o rezultatima inspekcije kako bi se pratio napredak korozije tijekom vremena
Napredak u prevenciji korozije i tehnologiji
Kako se bitka protiv korozije nastavlja, istraživači i inženjeri razvijaju inovativna rješenja kako bi spriječili i ublažili njegove učinke. Ovi napredak kreće se od prevlaka visokih performansi do sustava praćenja u stvarnom vremenu i novih materijala.
Razvoj premaza visokih performansi
Jedno područje značajnog napretka je razvoj naprednih zaštitnih premaza. Ovi premazi pružaju vrhunsku otpornost na koroziju, habanje i kemijski napad. Neki zapaženi primjeri uključuju:
Epoksi i poliuretanski premazi : Oni nude izvrsnu adheziju, izdržljivost i otpornost na vlagu i kemikalije. Naširoko se koriste u industrijskim i morskim aplikacijama.
Fluoropolimerni premazi : Poznati po izuzetnoj kemijskoj otpornosti i svojstvima niskog trenja, prevlaci fluoropolimera, kao što je PTFE (teflon), idealni su za oštra okruženja.
Bio inspirirani premazi za samoizlječenje : Ovi inovativni premazi oponašaju svojstva samoizlječenja živih organizama. Sadrže mikroskopske kapsule napunjene liječenim sredstvima koji se oslobađaju kada je premaz oštećen, omogućujući mu da se popravi.
Tehnologije inhibitora katodne zaštite i korozije
Katodna zaštita je dobro utvrđena metoda za sprečavanje korozije u metalnim strukturama. To uključuje primjenu male električne struje na metal, što ga čini katodom u elektrokemijskoj ćeliji. To sprječava korodiranje metala.
Inhibitori korozije su tvari koje, kada se dodaju korozivnom okruženju, smanjuju brzinu korozije. Oni rade formiranjem zaštitnog filma na metalnoj površini ili modificiranjem kemije okoliša.
Nedavni napredak u ovim tehnologijama uključuje:
Impresionirani trenutni katodni sustavi zaštite koji koriste solarnu energiju ili druge obnovljive izvore energije
Inhibitori organske korozije dobiveni iz biljnih ekstrakata i drugih ekološki prihvatljivih izvora
Pametni premazi koji sadrže inhibitore korozije i oslobađaju ih kad je potrebno
Sustavi praćenja korozije u stvarnom vremenu i rano upozorenje
Otkrivanje korozije rano je presudno za sprječavanje katastrofalnih kvarova. Sustavi praćenja u stvarnom vremenu koriste senzore za kontinuirano mjerenje različitih parametara povezanih s korozijom, poput:
Elektrokemijski potencijal
Korozijska struja
Okolišni čimbenici (temperatura, vlaga, pH)
Ovi sustavi mogu upozoriti operatore kada stope korozije prelaze prihvatljive razine, omogućujući pravovremenu intervenciju. Neki napredni sustavi čak koriste algoritme strojnog učenja za predviđanje stope korozije na temelju povijesnih podataka.
Novi materijali i tehnike za prevenciju korozije u morskim okruženjima
Mornarička okruženja posebno su izazovna kada je u pitanju prevencija korozije. Kombinacija slane vode, biološkog iscrpljenja i mehaničkog stresa može se brzo razgraditi čak i najopsežniji materijali.
Istraživači razvijaju nove materijale i tehnike za rješavanje ovih izazova, poput:
Legure otporne na koroziju koje sadrže visoku razinu kroma, nikla i molibdena
Kompozitni materijali koji kombiniraju čvrstoću metala s korozijskom otpornošću polimera
Nanostrukturirani premazi koji stvaraju super-hidrofobičnu površinu, sprječavajući da se voda i druge korozivne tvari pridržavaju metala
Metode kontrole elektrokemijske korozije, poput impresionirane trenutne katodne zaštite i žrtvenih anoda
Zaključak
Korozija, oksidacija i hrđa su povezani, ali različiti procesi koji mogu značajno utjecati na materijale i strukture. Iako je oksidacija široka kemijska reakcija, korozija posebno razgrađuje materijale, a hrđa utječe samo na željezo i njegove legure.
Razumijevanje tih razlika ključno je za održavanje sigurnosti i dugovječnosti različitih imovina. Stalno istraživanje znanosti o koroziji ima za cilj razviti nove strategije prevencije i tehnologije za borbu protiv ovih trajnih izazova.
