Materiālās zinātnes un inženierijas jomā termini korozija, oksidācija un rūsa bieži tiek izmantoti savstarpēji aizstājami. Tomēr šiem procesiem, kaut arī tie ir saistīti, ir atšķirīgas īpašības un ietekme. Izpratne par to atšķirībām ir būtiska nozarēm, sākot no būvniecības līdz kosmosam, jo šīs parādības var ievērojami ietekmēt materiālu un struktūru ilgmūžību un drošību.
Kas ir korozija?
Korozija ir pakāpeniska materiālu sadalīšanās, parasti metāli, ko izraisa ķīmiskas vai elektroķīmiskas reakcijas. Tas vājina materiālu un ietekmē tā strukturālo integritāti. Korozija var izraisīt kļūmi, ja to atstāj nekontrolēta.
Materiālu īpašību degradācija
Kad notiek korozija, tā maina materiāla fiziskās īpašības. Tas ietver spēku, izskatu un pat vadītspēju. Elektroķīmiskās reakcijas starp metālu un tā vidi izraisa šo noārdīšanos.
Korozijas veidi
Korozija nav vienāda katrā scenārijā. Dažādas vide un materiāli rada dažādas korozijas formas. Zemāk ir daži izplatīti veidi:
Vienots uzbrukums : tas ir visizplatītākais korozijas veids. Tas rodas, ja visa materiāla virsma tiek pakļauta kodīgai videi, kā rezultātā rodas pat pasliktināšanās.
Galvaniskā korozija : šāda veida korozija notiek, ja divi atšķirīgi metāli ir saskarē viens ar otru elektrolīta klātbūtnē. Jo mazāk cēls metāls kļūst par anodu un ātrāk korodē.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[sarkana])
ECELL = šūnu potenciāls, E0 = standarta elektrodu potenciāls, r = gāzes konstante, t = temperatūra, n = nodoto elektronu skaits un F ir Faraday konstante.
Korozijas ātrums ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
Šajā vienādojumā ΔG ir Gibsa brīvās enerģijas izmaiņas, r ir gāzes konstante, un t ir temperatūra.
Pits : Šī ir lokalizēta korozijas forma, kuras rezultātā metāla virsmas rodas mazi caurumi vai bedres. To var būt grūti noteikt un var izraisīt ātru kļūmi.
Starpgranulārā korozija : šāda veida korozija notiek gar metāla graudu robežām, bieži piemaisījumu nogulsnēšanas dēļ vai dažādu fāžu veidošanās.
Erozijas korozija : tas notiek, kad korozīvs šķidrums pārvietojas virs metāla virsmas lielos ātrumos, izraisot gan mehānisku nodilumu, gan ķīmisku noārdīšanos.
Stresa korozijas plaisāšana : tas notiek, ja metāls tiek pakļauts gan stiepes stresam, gan kodējai videi, izraisot plaisu veidošanos un izplatīšanos.
Selektīva izskalošanās : šāda veida korozija ietver viena elementa selektīvu noņemšanu no sakausējuma, atstājot novājinātu, porainu struktūru.
Materiāli, kurus ietekmē korozija
Korozija ne tikai ietekmē metālus. Arī citi materiāli var pasliktināties:
Metāli : Dzelzs, alumīnijs, varš un to sakausējumi visvairāk ietekmē korozija.
Keramika : lai arī retāk sastopama, keramika var pasliktināties, izmantojot ķīmiskās reakcijas ar viņu vidi.
Polimēri : korozijas vietā polimēri pasliktinās. Šī vājināšanās var izraisīt plaisāšanu, deformāciju vai krāsas maiņu.
Kas ir oksidācija?
Oksidēšana ir ķīmisks process, kurā materiāls zaudē elektronus, parasti reaģējot ar skābekli. Tā ir daļa no ikdienas ķīmijas, kas bieži izraisa redzamas izmaiņas, piemēram, krāsu vai tekstūru.
Ķīmiskais process, kas saistīts ar elektronu zaudēšanu
Oksidācijas gadījumā viela atsakās no elektroniem citam. Skābeklis parasti ir viela, kas tos pieņem. Šī reakcija var notikt gan organiskos, gan neorganiskos materiālos, mainot to īpašības. Vispārīgu oksidācijas reakciju var attēlot šādi:
M → M⁺ + E⁻
Šeit 'M ' apzīmē materiālu (bieži metālu), zaudējot elektronus, kļūstot par pozitīvi uzlādētu jonu (m⁺).
Oksidācijas piemēri ikdienas dzīvē
Oksidācija ietekmē materiālus, kurus mēs izmantojam katru dienu. Šeit ir daži izplatīti piemēri:
Dzelzs un tērauda rūsēšana : Kad dzelzs reaģē ar skābekli un mitrumu, tas veido rūsu. Ķīmiskais vienādojums rūsas veidošanai ir:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Šis sarkanbrūns slānis vājina metālu.
Sudraba apkopošana : sudrabs reaģē ar sēra savienojumiem gaisā, veidojot sudraba sulfīdu. Ķīmiskais vienādojums ir:
2AG + H₂S → Ag₂s + H₂
Šis melnais slānis blāvs sudraba rotaslietu vai galda piederumu spīdumu.
Oksidācija organiskos materiālos
Oksidācija notiek arī dzīvos organismos. Bet atšķirībā no metāliem, efekti var būt izdevīgi:
Metabolisma palielināšanās : mūsu ķermenī oksidācija palīdz sadedzināt pārtiku enerģijai, paātrinot metabolismu.
Zemāks vēža risks : daži oksidācijas procesi šūnās palīdz novērst kaitīgu brīvo radikāļu izplatīšanos, kas var samazināt vēža risku.
Kas ir rūsa?
Rūsa ir īpašs korozijas veids, kas ietekmē dzelzi un tā sakausējumus, piemēram, tēraudu. To raksturo sarkanbrūna krāsa un pārslveida tekstūra.
Šī korozijas forma rodas, ja dzelzs ir pakļauts mitrumam un skābeklim. Rūsas veidošanās process ietver vairākas darbības:
Oksidācijas reakcija : dzelzs zaudē elektronus un reaģē ar skābekli ūdens klātbūtnē, veidojot dzelzs (II) jonus.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Dzelzs hidroksīda veidošanās : Fe⊃2; ⁺ joni reaģē ar ūdeni un skābekli, veidojot dzelzi (II) hidroksīdu.
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → Fe (OH) ₂
Dzelzs hidroksīda oksidēšana : dzelzs (II) hidroksīds tālāk oksidējas, veidojot dzelzi (III) hidroksīdu.
4fe (OH) ₂ + o₂ + 2h₂o → 4fe (OH) ₃
Rūsas veidošanās : dzelzs (III) hidroksīds dehidrāti, veidojot dzelzi (III) oksīda-hidroksīdu, parasti pazīstams kā rūsa. Šī rūsa ir sarežģīts dzelzs oksīdu un hidroksīdu maisījums.
4fe (oh) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Vairāki apstākļi var veicināt rūsas veidošanos:
Mitruma klātbūtne : ūdens darbojas kā elektrolīts, kas ļauj rūsēt nepieciešamās oksidācijas samazināšanas reakcijas. Augsts mitrums vai tieša lietus iedarbība var paātrināt procesu.
Skābekļa un elektrolītu iedarbība : skābeklis ir būtisks rūsas veidošanai. Vietas ar labu aerāciju vai augstu skābekļa koncentrāciju ir vairāk pakļautas rūsēšanai. Sāļi un skābes var arī palielināt metāla elektroķīmisko aktivitāti, paātrinot rūsēšanas procesu.
Vides faktori : temperatūrai ir nozīme rūsas veidošanā. Augstāka temperatūra var palielināt ķīmisko reakciju ātrumu, izraisot ātrāku rūsēšanu. Virsmas piesārņotāji, piemēram, netīrumi vai eļļa, var notvert mitrumu pret metāla virsmu, izveidojot lokalizētus laukumus, kas ir jutīgi pret rūsu.
Atšķirības starp koroziju, oksidāciju un rūsas
| aspektu | Korozijas | oksidācijas | rūsa |
| Definīcija | Materiālu sadalīšanās ķīmisko vai elektroķīmisko reakciju dēļ ar vidi | Ķīmiskais process, kurā viela zaudē elektronus, bieži iesaistot skābekli | Specifiska korozijas forma, kas ietekmē dzelzs un dzelzs sakausējumus |
| Apjoms | Plašākais termins, kas ietver dažādas materiālu sadalīšanās formas | Specifisks ķīmiskās reakcijas veids | Īpašs dzelzs oksidācijas produkts |
| Skartie materiāli | Dažādi materiāli, ieskaitot metālus, keramiku un polimērus | Gan organiskās, gan neorganiskās vielas | Īpaši dzelzs un tā sakausējumi |
| Vides faktori | Nepieciešams elektrolīts | Nepieciešams skābeklis vai cits oksidējošs līdzeklis | Nepieciešams gan skābeklis, gan mitrums |
| Produkti | Var izraisīt dažādus savienojumus | Ražo oksīdus | Veido dzelzs oksīdus un hidroksīdus |
| Ķīmiskais process | Bieži ietver elektronu pārnešanu starp materiālu un vidi | Elektronu zudums, bieži skābeklim | Dzelzs reaģē ar skābekli un ūdeni |
| Izskats | Dažādas formas (piemēram, pitting, mērogošana) | Var būt redzams vai neredzams atkarībā no materiāla | Atšķirīga sarkanbrūna krāsa |
| Trieciens | Parasti kaitē materiāla īpašībām | Var būt izdevīgs (piemēram, aizsargājoši slāņi) vai kaitīgi | Vienmēr kaitīgs materiāliem uz dzelzs bāzes |
| Ekonomiskā ietekme | Nozīmīgs dažādās nozarēs | Mainās atkarībā no konteksta | Būtisks dzelzs lietošanas nozarēs |
Korozijas, oksidācijas un rūsas ietekme
Korozijai, oksidēšanai un rūsai ir tālejošas sekas, kas pārsniedz materiālu sadalīšanos. Tie var izraisīt ievērojamus ekonomiskus zaudējumus, radīt drošības riskus un pat kaitēt videi.
Ekonomiskās sekas
Izmaksas, kas saistītas ar koroziju, oksidāciju un rūsu, ir satriecošas. Saskaņā ar NACE International pētījumu, tiek lēsts, ka korozijas globālās izmaksas ir 2,5 triljoni USD gadā, kas ir līdzvērtīga 3,4% no pasaules IKP.
Šīs izmaksas ietver:
Tiešās izmaksas par korozēto materiālu un konstrukciju nomaiņu vai labošanu
Netiešās izmaksas, piemēram, ražošanas zaudēšana, kaitējums videi un tiesvedība
Uzturēšanas izmaksas korozijas profilaksei un kontroles pasākumiem
Nozares, kuras visvairāk ietekmē korozija, ir:
Nafta un gāze
Transports (automobiļu, kosmiskā, dzelzceļa un jūras)
Infrastruktūra (tilti, cauruļvadi un ēkas)
Ražošanas un pārstrādes rūpnīcas
Bažas par drošību
Korozija, oksidācija un rūsa var apdraudēt ēku, transportlīdzekļu un infrastruktūras strukturālo integritāti. Šī pasliktināšanās var izraisīt katastrofiskas neveiksmes, pakļaujot dzīvības.
Daži no korozijas radītajiem drošības apdraudējumiem ir:
Tiltu vai ēku sabrukums novājinātu tērauda pastiprinājumu dēļ
Cauruļvadu neveiksme, izraisot naftas noplūdes vai gāzes noplūdes
Kritisko komponentu darbības traucējumi lidmašīnās vai transportlīdzekļos
Dzeramā ūdens piesārņojums no korodētām caurulēm
Ietekme uz vidi
Korozijai, oksidēšanai un rūsai var būt arī ievērojamas sekas videi. Kad korozijas neizdodas, tās var atbrīvot bīstamus materiālus vidē.
Piemēram:
Korodētas uzglabāšanas tvertnes var noplūst ķīmiskas vielas vai naftas produkti, piesārņojot augsni un gruntsūdeņus
Rūsa metāla atkritumi var izskalot smagos metālus ekosistēmā
Infrastruktūras degradācija var izraisīt neefektivitāti, palielinot siltumnīcefekta gāzu emisijas
Profilakses un mazināšanas stratēģijas
Korozijas, oksidācijas un rūsas mazināšanai un rūsai ir nepieciešama daudzšķautņaina pieeja. Tas ietver rūpīgu materiālu izvēli, projektēšanas apsvērumus, aizsardzības ārstēšanu, vides kontroli un regulāru uzraudzību.
Materiālu izvēle un dizains
Viens no visefektīvākajiem veidiem, kā novērst koroziju, ir izmantot materiālus, kas pēc būtības ir izturīgi pret to. Daži pret koroziju izturīgu sakausējumu piemēri ir:
Šie materiāli uz virsmas veido aizsargājošu oksīda slāni, kas palīdz novērst turpmāku koroziju.
Dizainam ir arī izšķiroša loma korozijas samazināšanā. Inženieriem vajadzētu:
Izvairieties no asiem stūriem un plaisām, kur var uzkrāties kodīgas vielas
Nodrošiniet pareizu kanalizāciju, lai novērstu stāvošo ūdeni
Ja iespējams, pieskrūvētus vai kniedētus savienojumus izmantojiet metinātus savienojumus
Aizsardzības pārklājumi un procedūras
Aizsardzības pārklājumu un apstrādes uzklāšana uz materiāla virsmas var palīdzēt novērst koroziju. Dažas izplatītas metodes ietver:
Krāsas un eļļas : Tās rada barjeru starp metālu un vidi, novēršot kodīgu līdzekļu iedarbību.
Cinkošana : Tas ietver dzelzs vai tērauda pārklājumu ar cinka slāni, kas upuri korodē, lai aizsargātu pamatā esošo metālu.
Galvanījums : tas uz cita metāla virsmas novieto plānāku koroziju izturīgāku metālu, piemēram, hromu vai niķeli.
Anodēšana : Šis process rada biezu, aizsargājošu oksīda slāni uz metālu virsmas, piemēram, alumīnija.
Pasīvošana : tā ietver metāla virsmas apstrādi ar ķīmisku šķīdumu, lai uzlabotu aizsargājoša oksīda slāņa veidošanos.
Vides kontrole
Vides kontrole var palīdzēt samazināt kodīgu līdzekļu iedarbību. Dažas stratēģijas ietver:
Zema mitruma līmeņa uzturēšana, lai samazinātu mitrumu gaisā
Temperatūras regulēšana, lai izvairītos no ārkārtējām svārstībām, kas var paātrināt koroziju
Izmantojot sausinātājus, gaisa kondicionierus vai sildītājus, lai kontrolētu vidi
Materiālu uzglabāšana sausās, labi vēdinātās vietās, kas atrodas prom no kodīgām vielām
Korozijas uzraudzība un pārbaude
Regulāra uzraudzība un pārbaude var palīdzēt savlaicīgi atklāt koroziju, ļaujot savlaicīgi iejaukties. Tas nozīmē:
Vizuāli pārbaudot virsmu, vai nav korozijas pazīmju, piemēram, krāsas maiņa, bedre vai flakcija
Neiznīcinošu testēšanas metožu, piemēram, ultraskaņas biezuma mērīšanas vai radiogrāfijas, izmantošana, lai novērtētu korozijas apmēru, nesabojājot materiālu
Veicot detalizētu pārbaudes rezultātu ierakstus, lai izsekotu korozijas progresēšanai laika gaitā
PAVAUDE Korozijas profilaksē un tehnoloģijās
Turpinot cīņu pret koroziju, pētnieki un inženieri izstrādā novatoriskus risinājumus, lai novērstu un mazinātu tā iedarbību. Šie sasniegumi svārstās no augstas veiktspējas pārklājumiem līdz reāllaika uzraudzības sistēmām un jauniem materiāliem.
Augstas veiktspējas pārklājumu attīstība
Viena no nozīmīga progresa jomām ir progresīvu aizsardzības pārklājumu attīstība. Šie pārklājumi nodrošina izcilu izturību pret koroziju, nodilumu un ķīmisko uzbrukumu. Daži no ievērojamiem piemēriem ir:
Epoksīda un poliuretāna pārklājumi : tie piedāvā lielisku saķeri, izturību un izturību pret mitrumu un ķīmiskām vielām. Tos plaši izmanto rūpniecības un jūras lietojumos.
Fluoropolimēra pārklājumi : pazīstams ar izcilo ķīmisko izturību un zemo berzes īpašībām, fluoropolimēru pārklājumus, piemēram, PTFE (Teflon), ir ideāli piemēroti skarbai videi.
Bio iedvesmoti pašdziedinošie pārklājumi : šie novatoriskie pārklājumi imitē dzīvu organismu pašdziedinošās īpašības. Tie satur mikroskopiskas kapsulas, kas piepildītas ar dziedinošiem līdzekļiem, kas izdalās, bojājot pārklājumu, ļaujot tai sevi labot.
Katodiskā aizsardzība un korozijas inhibitoru tehnoloģijas
Katodiskā aizsardzība ir vispāratzīta metode metāla konstrukciju korozijas novēršanai. Tas ietver nelielas elektriskās strāvas pielietošanu metālam, padarot to par katodu elektroķīmiskajā šūnā. Tas novērš metālu koroziju.
Korozijas inhibitori ir vielas, kuras, pievienojot korozīvai videi, samazina korozijas ātrumu. Viņi strādā, veidojot aizsargājošu plēvi uz metāla virsmas vai modificējot vides ķīmiju.
Jaunākie sasniegumi šajās tehnoloģijās ietver:
Iespaidoja pašreizējās katodiskās aizsardzības sistēmas, kurās tiek izmantota saules enerģija vai citi atjaunojamās enerģijas avoti
Organiskās korozijas inhibitori, kas iegūti no augu ekstraktiem un citiem videi draudzīgiem avotiem
Viedie pārklājumi, kas satur korozijas inhibitorus un atbrīvo tos, kad tas ir nepieciešams
Reālā laika korozijas uzraudzības un agrīnās brīdināšanas sistēmas
Korozijas noteikšana agri ir būtiska, lai novērstu katastrofālas kļūmes. Reālā laika uzraudzības sistēmas izmanto sensorus, lai nepārtraukti izmērītu dažādus parametrus, kas saistīti ar koroziju, piemēram:
Elektroķīmiskais potenciāls
Korozijas strāva
Vides faktori (temperatūra, mitrums, pH)
Šīs sistēmas var brīdināt operatorus, ja korozijas ātrums pārsniedz pieņemamos līmeņus, ļaujot savlaicīgi iejaukties. Dažās uzlabotās sistēmās pat izmanto mašīnmācīšanās algoritmus, lai prognozētu korozijas ātrumu, pamatojoties uz vēsturiskajiem datiem.
Jauni materiāli un paņēmieni korozijas profilaksei jūras vidē
Jūras vide ir īpaši izaicinoša, ja runa ir par korozijas profilaksi. Sālsūdens, bioloģiskā piesārņojuma un mehāniskā stresa kombinācija var ātri pasliktināt pat visizturīgākos materiālus.
Pētnieki izstrādā jaunus materiālus un paņēmienus, lai risinātu šos izaicinājumus, piemēram:
Izturīgi pret koroziju sakausējumi, kas satur augstu hroma, niķeļa un molibdēna līmeni
Kompozītmateriāli, kas apvieno metālu izturību ar polimēru izturību pret koroziju
Nanostrukturēti pārklājumi, kas rada super-hidrofobisku virsmu, neļaujot ūdenim un citām kodīgām vielām pielipt metālam
Elektroķīmiskās korozijas kontroles metodes, piemēram, iespaidoja strāvas katodisko aizsardzību un upurēšanas anodus
Secinājums
Korozija, oksidācija un rūsa ir saistīti, bet atšķirīgi procesi, kas var ievērojami ietekmēt materiālus un struktūras. Kaut arī oksidācija ir plaša ķīmiska reakcija, korozija īpaši noārdās materiālus, un rūsa ietekmē tikai dzelzi un tā sakausējumus.
Izpratne par šīm atšķirībām ir būtiska, lai saglabātu dažādu aktīvu drošību un ilgmūžību. Pašreizējā korozijas zinātnes pētījumu mērķis ir izstrādāt jaunas profilakses stratēģijas un tehnoloģijas, lai apkarotu šos pastāvīgos izaicinājumus.
