Medžiagos mokslo ir inžinerijos srityje terminai korozija, oksidacija ir rūdys dažnai vartojami pakaitomis. Tačiau šie procesai, nors ir susiję, pasižymi skirtingomis savybėmis ir poveikiu. Suprasti jų skirtumus labai svarbu pramonės šakoms, pradedant nuo statybos iki kosmoso, nes šie reiškiniai gali turėti didelę įtaką medžiagų ir konstrukcijų ilgaamžiškumui ir saugumui.
Kas yra korozija?
Korozija yra laipsniškas medžiagų, dažniausiai metalų, skilimas, kurį sukelia cheminės ar elektrocheminės reakcijos. Tai susilpnina medžiagą ir daro įtaką jos struktūriniam vientisumui. Korozija gali sukelti nesėkmę, jei ji nebus patikrinta.
Medžiagos savybių skaidymas
Kai atsiranda korozija, tai keičia medžiagos fizines savybes. Tai apima jėgą, išvaizdą ir net laidumą. Elektrocheminės reakcijos tarp metalo ir jo aplinkos sukelia šį skilimą.
Korozijos rūšys
Korozija nėra tas pats kiekviename scenarijuje. Skirtingos aplinkos ir medžiagos sukelia skirtingas korozijos formas. Žemiau yra keletas įprastų tipų:
Vienoda ataka : tai yra labiausiai paplitusi korozijos forma. Tai įvyksta, kai visas medžiagos paviršius susiduria su korozine aplinka, todėl dar blogėja.
Galvaninė korozija : Šio tipo korozija įvyksta, kai du skirtingi metalai liečiasi vienas su kitu, esant elektrolitui. Mažiau kilnus metalas tampa anodu ir greičiau korozija.
Ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([jautis]/[raudona])
ECELL = ląstelių potencialas, E0 = standartinis elektrodo potencialas, r = dujų konstanta, t = temperatūra, n = perkeltų elektronų skaičius, o F yra „Faraday“ konstanta.
Korozijos greitis ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
Šioje lygtyje ΔG yra GIBBS laisvos energijos pokytis, R yra dujų konstanta, o t yra temperatūra.
Įdėjimas : Tai lokali korozijos forma, dėl kurios metalo paviršiuje yra mažos skylės ar duobės. Tai gali būti sunku aptikti ir gali sukelti greitą nesėkmę.
Tarpgranulė korozija : Šis korozijos tipas atsiranda išilgai metalo grūdų ribų, dažnai dėl priemaišų nusodinimo ar skirtingų fazių susidarymo.
Erozijos korozija : tai atsitinka, kai korozinis skystis juda per metalinį paviršių dideliu greičiu, sukeldamas tiek mechaninį susidėvėjimą, tiek cheminį skilimą.
Streso korozijos įtrūkimas : tai įvyksta, kai metalas patiria tiek tempimo įtempį, tiek į korozinę aplinką, dėl kurios susidaro ir skleidžia įtrūkimai.
Selektyvus išplovimas : Šio tipo korozija apima selektyvų vieno elemento pašalinimą iš lydinio, paliekant susilpnėjusią, porėtą struktūrą.
Medžiagos, paveiktos korozijos
Korozija ne tik veikia metalus. Kitos medžiagos taip pat gali pablogėti:
Metalai : geležis, aliuminis, varis ir jų lydiniai labiausiai paveikia koroziją.
Keramika : Nors keramika yra retesnė, ji gali blogėti dėl cheminių reakcijų su aplinka.
Polimerai : vietoj korozijos polimerai skaidosi. Šis susilpnėjimas gali sukelti įtrūkimą, deformaciją ar spalvos pasikeitimą.
Kas yra oksidacija?
Oksidacija yra cheminis procesas, kai medžiaga praranda elektronus, paprastai reaguojančią su deguonimi. Tai yra kasdienės chemijos dalis, dažnai sukelianti matomus pokyčius, tokius kaip spalva ar tekstūra.
Cheminis procesas, apimantis elektronų praradimą
Esant oksidacijai, medžiaga atsisako elektronų kitam. Deguonis paprastai yra ta medžiaga, kuri juos priima. Ši reakcija gali įvykti tiek organinėse, tiek neorganinėse medžiagose, keičiant jų savybes. Bendroji oksidacijos reakcija gali būti pavaizduota taip:
M → M⁺ + E⁻
Čia „M “ žymi medžiagą (dažnai metalą), prarandančius elektronus, tapdami teigiamai įkrautu jonu (M⁺).
Oksidacijos pavyzdžiai kasdieniame gyvenime
Oksidacija daro įtaką medžiagoms, kurias naudojame kiekvieną dieną. Štai keletas bendrų pavyzdžių:
Geležies ir plieno rūdijimas : Kai geležis reaguoja su deguonimi ir drėgme, jis susidaro rūdis. Cheminė rūdžių susidarymo lygtis yra:
4FE + 3O₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃
Šis rausvai rudas sluoksnis susilpnina metalą.
Sidabrinio sidabrinės : sidabras reaguoja su sieros junginiais ore, sudarydamas sidabro sulfidą. Cheminė lygtis yra:
2AG + H₂S → Ag₂S + H₂
Šis juodas sluoksnis palengvina sidabrinių papuošalų ar stalo įrankių blizgesį.
Organinių medžiagų oksidacija
Oksidacija taip pat vyksta gyvuose organizmuose. Tačiau skirtingai nei metalai, poveikis gali būti naudingas:
Metabolizmo padidėjimas : mūsų kūne oksidacija padeda deginti maistą energijai, padidinant medžiagų apykaitą.
Mažesnė vėžio rizika : tam tikri oksidacijos procesai ląstelėse padeda išvengti kenksmingų laisvųjų radikalų plitimo, o tai gali sumažinti vėžio riziką.
Kas yra rūdis?
Rūdis yra specifinis korozijos tipas, turintis įtakos geležimi ir jos lydiniams, pavyzdžiui, plienui. Tai būdinga rausvai rudos spalvos spalva ir pleiskanojanti tekstūra.
Ši korozijos forma atsiranda, kai geležis susiduria su drėgme ir deguonimi. Rūdžių formavimo procesas apima keletą žingsnių:
Oksidacijos reakcija : geležis praranda elektronus ir reaguoja su deguonimi, esant vandeniui, kad susidarytų geležies (II) jonai.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Geležies hidroksido susidarymas : Fe⊃2; ⁺ jonai reaguoja su vandeniu ir deguonimi, kad susidarytų geležies (II) hidroksidas.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Geležies hidroksido oksidacija : geležis (II) hidroksidas toliau oksiduoja, kad susidarytų geležies (III) hidroksidas.
4fe (OH) ₂ + o₂ + 2H₂o → 4fe (OH) ₃
Rūdžių susidarymas : geležies (III) hidroksido dehidratai, kad susidarytų geležies (III) oksido-hidroksidas, paprastai žinomas kaip rūdis. Šis rūdis yra sudėtingas geležies oksidų ir hidroksidų mišinys.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Kelios sąlygos gali skatinti rūdžių formavimąsi:
Drėgmės buvimas : vanduo veikia kaip elektrolitas, leidžiantis rūdijimui reikalingas oksidacijos-redukcijos reakcijas. Didelė drėgmė ar tiesioginis lietaus poveikis gali pagreitinti procesą.
Deguonies ir elektrolitų poveikis : deguonis yra būtinas rūdžių formavimui. Sritys, kuriose yra gera aeracija ar didelė deguonies koncentracija, yra labiau linkusios į rūdis. Druskos ir rūgštys taip pat gali padidinti metalo elektrocheminį aktyvumą, padidindami rūdžių procesą.
Aplinkos veiksniai : Temperatūra vaidina rūdžių formavimąsi. Aukštesnė temperatūra gali padidinti cheminių reakcijų greitį, dėl kurio greičiau rūdija. Paviršiniai teršalai, tokie kaip nešvarumai ar aliejus, gali sugauti drėgmę nuo metalo paviršiaus, sukurdami lokalias vietas, pažeidžiamas rūdžių.
Skirtumai tarp korozijos, oksidacijos ir rūdžių
| aspekto | korozijos | oksidacijos | rūdžių |
| Apibrėžimas | Medžiagų skaidymas dėl cheminių ar elektrocheminių reakcijų su aplinka | Cheminis procesas, kai medžiaga praranda elektronus, dažnai susijusius su deguonimi | Specifinė korozijos forma, veikianti geležies ir geležies lydinius |
| Taikymo sritis | Plačiausias terminas, apimantis įvairias medžiagų degradacijos formas | Specifinis cheminės reakcijos tipas | Specifinis geležies oksidacijos produktas |
| Paveiktos medžiagos | Įvairios medžiagos, įskaitant metalus, keramiką ir polimerus | Tiek organiškos, tiek neorganinės medžiagos | Konkrečiai geležies ir jos lydinių |
| Aplinkos veiksniai | Reikia elektrolito | Reikia deguonies ar kito oksiduojančio agento | Reikalauja tiek deguonies, tiek drėgmės |
| Produktai | Gali sukelti įvairius junginius | Gamina oksidus | Formuoja geležies oksidus ir hidroksidus |
| Cheminis procesas | Dažnai apima elektronų perdavimą tarp medžiagos ir aplinkos | Elektronų praradimas, dažnai deguonies | Geležis reaguoja su deguonimi ir vandeniu |
| Išvaizda | Įvairios formos (pvz. | Gali būti matomas arba nematomas, atsižvelgiant į medžiagą | Išskirtinė rausvai ruda spalva |
| Poveikis | Paprastai kenkia medžiagų savybėms | Gali būti naudingas (pvz., Apsauginiai sluoksniai) arba kenksmingi | Visada kenksminga geležies pagrindu pagamintoms medžiagoms |
| Ekonominis poveikis | Reikšminga įvairiose pramonės šakose | Skiriasi priklausomai nuo konteksto | Esminė geležies naudojimo pramonėje |
Korozijos, oksidacijos ir rūdžių poveikis
Korozija, oksidacija ir rūdys turi tolimų pasekmių, viršijančių medžiagų skilimą. Jie gali sukelti didelių ekonominių nuostolių, kelia saugos riziką ir netgi pakenkti aplinkai.
Ekonominės pasekmės
Išlaidos, susijusios su korozija, oksidacija ir rūdimis, yra stulbinančios. Remiantis „NACE International“ tyrimu, apskaičiuota, kad pasaulinės korozijos išlaidos yra 2,5 trilijono USD per metus, tai yra 3,4% pasaulio BVP.
Šios išlaidos apima:
Tiesioginės korozijos medžiagų ir konstrukcijų pakeitimo ar taisymo išlaidos
Netiesioginės išlaidos, tokios kaip gamybos praradimas, žala aplinkai ir bylinėjimosi
Korozijos prevencijos ir kontrolės priemonių priežiūros išlaidos
Pramonės šakos, kurias labiausiai paveikė korozija, apima:
Nafta ir dujos
Transportas (automobilių, kosmoso, geležinkelio ir jūrų pėstininkų)
Infrastruktūra (tiltai, vamzdynai ir pastatai)
Gamybos ir perdirbimo įmonės
Saugos problemos
Korozija, oksidacija ir rūdys gali pakenkti pastatų, transporto priemonių ir infrastruktūros konstrukciniam vientisumui. Šis pablogėjimas gali sukelti katastrofiškų nesėkmių, keliančių pavojų gyvybei.
Kai kurie korozijos sukeltų saugos pavojų pavyzdžiai yra šie:
Tiltų ar pastatų žlugimas dėl susilpnėjusio plieno armatūros
Vamzdynų gedimas, dėl kurio išsiliejo naftos ar dujų nutekėjimas
Nereikalauti kritinių komponentų orlaiviuose ar transporto priemonėse
Geriamojo vandens užteršimas iš korozijos vamzdžių
Poveikis aplinkai
Korozija, oksidacija ir rūdys taip pat gali turėti didelių padarinių aplinkai. Kai sugenda korozijos struktūros, jos gali išlaisvinti pavojingas medžiagas į aplinką.
Pavyzdžiui:
Korozinės laikymo rezervuarai gali nutekėti chemikalams arba naftos produktams, užteršiančiam dirvožemį ir požeminį vandenį
Rūdytos metalinės atliekos gali išplauti sunkius metalus į ekosistemą
Infrastruktūros pablogėjimas gali sukelti neefektyvumą, padidindamas šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą
Prevencijos ir švelninimo strategijos
Norint išvengti ir sušvelninti koroziją, oksidaciją ir rūdis, reikia daugialypio metodo. Tai apima kruopštų medžiagų pasirinkimą, projektavimo aspektus, apsauginius gydymo būdus, aplinkos kontrolę ir reguliarų stebėjimą.
Medžiagos pasirinkimas ir dizainas
Vienas iš efektyviausių būdų užkirsti kelią korozijai yra naudojant medžiagas, kurios iš esmės yra atsparos. Keletas korozijai atsparių lydinių pavyzdžių yra:
Šios medžiagos sudaro apsauginį oksido sluoksnį jų paviršiuje, o tai padeda išvengti tolesnio korozijos.
Dizainas taip pat vaidina lemiamą vaidmenį mažinant koroziją. Inžinieriai turėtų:
Venkite aštrių kampų ir plyšių, kur gali kauptis ėsdinančios medžiagos
Užtikrinkite tinkamą drenažą, kad išvengtumėte stovinčio vandens
Jei įmanoma
Apsauginės dangos ir procedūros
Apsauginės dangos ir apdorojimo tepimas ant medžiagos paviršiaus gali padėti išvengti korozijos. Kai kurie įprasti metodai apima:
Dažai ir aliejai : Jie sukuria barjerą tarp metalo ir aplinkos, užkertant kelią korozinių medžiagų poveikiui.
Galvanizavimas : Tai apima geležies ar plieno dangą su cinko sluoksniu, kuris paaukotai korozuoja, kad apsaugotų pagrindinį metalą.
Elektroplinimas : jis ant kito metalo paviršiaus nusodina ploną labiau korozijai atsparaus metalo, pavyzdžiui, chromo ar nikelio, sluoksnį.
Anodavimas : Šis procesas sukuria storą, apsauginį oksido sluoksnį ant metalų, tokių kaip aliuminio, paviršiaus.
Pasyvavimas : tai apima metalo paviršiaus apdorojimą cheminiu tirpalu, siekiant sustiprinti apsauginio oksido sluoksnio susidarymą.
Aplinkos kontrolė
Aplinkos kontrolė gali padėti sumažinti korozinių medžiagų poveikį. Kai kurios strategijos apima:
Išlaikyti žemą drėgmės lygį, kad būtų sumažinta drėgmė ore
Reguliuojant temperatūrą, kad būtų išvengta ekstremalių svyravimų, kurie gali pagreitinti koroziją
Naudojant sausintuvus, oro kondicionierius ar šildytuvus, kad būtų galima valdyti aplinką
Medžiagų saugojimas sausose, gerai vėdinamose vietose, atokiau nuo korozinių medžiagų
Korozijos stebėjimas ir patikrinimas
Reguliarus stebėjimas ir tikrinimas gali padėti anksti nustatyti koroziją, leidžiančią laiku įsikišti. Tai apima:
Vizualiai tikrinant paviršius, ar nėra korozijos požymių, tokių
Naudojant neardomojo bandymo metodus, tokius kaip ultragarso storio matavimas ar rentgenografija, siekiant įvertinti korozijos mastą nepažeidžiant medžiagos, nepažeidžiant medžiagos
Išsamių patikrinimo rezultatų įrašų, siekiant stebėti korozijos progresą laikui bėgant
Korozijos prevencijos ir technologijos pažanga
Tęsiant kovą su korozija, tyrėjai ir inžinieriai kuria novatoriškus sprendimus, kad užkirstų kelią ir sušvelnintų jo poveikį. Šie pasiekimai svyruoja nuo aukšto našumo dangų iki realaus laiko stebėjimo sistemų ir naujų medžiagų.
Aukštos kokybės dangų kūrimas
Viena iš reikšmingos pažangos sričių yra pažangių apsauginių dangų plėtra. Šios dangos suteikia puikų atsparumą korozijai, nusidėvėjimui ir cheminiam priepuoliui. Keletas pastebimų pavyzdžių yra:
Epoksidinės ir poliuretano dangos : jos siūlo puikų sukibimą, ilgaamžiškumą ir atsparumą drėgmei ir cheminėms medžiagoms. Jie plačiai naudojami pramoniniame ir jūrų programose.
Fluoropolimerų dangos : žinomos dėl savo išskirtinio cheminio atsparumo ir mažos trinties savybių, fluoropolimerų dangos, tokios kaip PTFE (TEFLON), yra idealios atšiaurioms aplinkoms.
Biologiškai įkvėptos savigydos dangos : Šios novatoriškos dangos imituoja gyvų organizmų savigydos savybes. Juose yra mikroskopinės kapsulės, užpildytos gydomaisiais agentais, kurie išsiskiria, kai danga yra pažeista, leidžianti ją pataisyti.
Katodinės apsaugos ir korozijos inhibitorių technologijos
Katodinė apsauga yra nusistovėjęs metalo metalo struktūrų išvengimo metodas. Tai apima mažos elektrinės srovės tepimą metalui, todėl jis yra katodas elektrocheminėje ląstelėje. Tai neleidžia metalui korozuoti.
Korozijos inhibitoriai yra medžiagos, kurios, pridedant prie korozinės aplinkos, sumažina korozijos greitį. Jie dirba formuodami apsauginę plėvelę ant metalo paviršiaus arba modifikuodami aplinkos chemiją.
Naujausi šių technologijų pasiekimai apima:
Sužavėtos dabartinės katodinės apsaugos sistemos, kurios naudoja saulės energiją ar kitus atsinaujinančios energijos šaltinius
Organiniai korozijos inhibitoriai, gauti iš augalų ekstraktų ir kitų ekologiškų šaltinių
Išmaniosios dangos, apimančios korozijos inhibitorius, ir jas išleidžia prireikus
Realiojo laiko korozijos stebėsenos ir ankstyvojo perspėjimo sistemos
Korozijos nustatymas anksti yra labai svarbus norint išvengti katastrofiškų gedimų. Realiojo laiko stebėjimo sistemos naudoja jutiklius nuolat matuoti įvairius su korozija susijusius parametrus, tokius kaip:
Elektrocheminis potencialas
Korozijos srovė
Aplinkos veiksniai (temperatūra, drėgmė, pH)
Šios sistemos gali įspėti operatorius, kai korozijos rodikliai viršija priimtinus lygius, leisdamos laiku įsikišti. Kai kurios pažangios sistemos netgi naudoja mašinų mokymosi algoritmus, kad būtų galima numatyti korozijos rodiklius, pagrįstus istoriniais duomenimis.
Naujos korozijos prevencijos medžiagos ir metodai jūrų aplinkoje
Jūrų aplinka yra ypač sudėtinga, kai kalbama apie korozijos prevenciją. Sūrumo vandens, biologinio užsiteršimo ir mechaninio streso derinys gali greitai skaidyti net ir patikimiausias medžiagas.
Tyrėjai kuria naują medžiagą ir metodus šiems iššūkiams spręsti, pavyzdžiui::
Atsparus korozijai lydiniams, turintiems aukštą chromo, nikelio ir molibdeno kiekį
Kompozicinės medžiagos, sujungiančios metalų stiprumą su polimerų atsparumu korozijai
Nanostruktūrizuotos dangos, sukuriančios superhidrofobinį paviršių, neleidžiančios vandens ir kitoms korozinėms medžiagoms prilipti prie metalo
Elektrocheminiai korozijos kontrolės metodai, tokie kaip sužavėta dabartinė katodinė apsauga ir aukojimo anodai
Išvada
Korozija, oksidacija ir rūdys yra susiję, tačiau skirtingi procesai, kurie gali smarkiai paveikti medžiagas ir struktūras. Nors oksidacija yra plati cheminė reakcija, korozija konkrečiai skaido medžiagas, o rūdis daro įtaką tik geležimi ir jos lydiniams.
Šių skirtumų supratimas yra labai svarbus norint išlaikyti įvairių turto saugumą ir ilgaamžiškumą. Vykdomi korozijos mokslo tyrimai siekia sukurti naujas prevencijos strategijas ir technologijas, siekiant kovoti su šiais nuolatiniais iššūkiais.
