În domeniul științei și ingineriei materialelor, termenii coroziunea, oxidarea și rugina sunt adesea folosiți în mod interschimbabil. Cu toate acestea, aceste procese, deși sunt legate, au caracteristici și impacturi distincte. Înțelegerea diferențelor lor este crucială pentru industriile, de la construcții la aerospațial, deoarece aceste fenomene pot afecta semnificativ longevitatea și siguranța materialelor și structurilor.
Ce este coroziunea?
Coroziunea este degradarea treptată a materialelor, de obicei metale, cauzate de reacții chimice sau electrochimice. Acesta slăbește materialul și îi afectează integritatea structurală. Coroziunea poate duce la eșec dacă este lăsată necontrolată.
Degradarea proprietăților materialului
Când apare coroziunea, modifică proprietățile fizice ale materialului. Aceasta include puterea, aspectul și chiar conductivitatea. Reacțiile electrochimice între metal și mediul său provoacă această degradare.
Tipuri de coroziune
Coroziunea nu este aceeași în fiecare scenariu. Diferite medii și materiale duc la diferite forme de coroziune. Mai jos sunt câteva tipuri comune:
Atac uniform : Aceasta este cea mai frecventă formă de coroziune. Apare atunci când întreaga suprafață a unui material este expusă unui mediu coroziv, ceea ce duce la o deteriorare uniformă.
Coroziune galvanică : Acest tip de coroziune se întâmplă atunci când două metale diferite sunt în contact între ele în prezența unui electrolit. Metalul mai puțin nobil devine anodul și corodează mai repede.
ecell = e⁰Cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[roșu])
Ecell = potențial celular, E0 = potențiale standard ale electrodului, R = constantă de gaz, t = temperatură, n = numărul de electroni transferați, iar F este constanta Faraday.
Coroziunea crevice : apare în spații limitate în care mediul coroziv este mai sever decât zona înconjurătoare. Aceste spații, sau fisuri, pot fi formate prin proiectare sau prin acumularea de resturi.
Rata de coroziune ∝ [CL-] E (-∆G/RT)
În această ecuație, ΔG este modificarea energiei libere Gibbs, R este constanta de gaz, iar t este temperatura.
Pitting : Aceasta este o formă localizată de coroziune care duce la găuri mici sau gropi pe suprafața unui metal. Poate fi dificil de detectat și poate duce la o defecțiune rapidă.
Coroziune intergranulară : Acest tip de coroziune apare de -a lungul limitelor de cereale ale unui metal, adesea datorită precipitațiilor impurităților sau formării diferitelor faze.
Coroziunea eroziunii : se întâmplă atunci când un lichid coroziv se deplasează pe o suprafață metalică la viteze mari, provocând atât uzura mecanică, cât și degradarea chimică.
Crăpătirea coroziunii stresului : Acest lucru se întâmplă atunci când un metal este supus atât la stres la tracțiune, cât și la un mediu coroziv, ceea ce duce la formarea și propagarea fisurilor.
Lăsarea selectivă : acest tip de coroziune implică îndepărtarea selectivă a unui element dintr -un aliaj, lăsând în urmă o structură slăbită și poroasă.
Materiale afectate de coroziune
Coroziunea nu afectează doar metalele. Alte materiale se pot degrada și ele:
Metalele : fier, aluminiu, cupru și aliajele lor sunt cele mai afectate de coroziune.
Ceramică : Deși mai puțin frecventă, ceramica se poate degrada prin reacții chimice cu mediul lor.
Polimeri : în loc să corodeze, polimerii se degradează. Această slăbire poate duce la fisurare, deformare sau decolorare.
Ce este oxidarea?
Oxidarea este un proces chimic în care un material pierde electroni, reacționând de obicei cu oxigenul. Face parte din chimia de zi cu zi, rezultând adesea schimbări vizibile precum culoarea sau textura.
Proces chimic care implică pierderea electronilor
În oxidare, o substanță renunță la electroni la altul. Oxigenul este de obicei substanța care le acceptă. Această reacție poate apărea atât în materiale organice, cât și anorganice, schimbându -și proprietățile. O reacție generală de oxidare poate fi reprezentată ca:
m → m⁺ + e⁻
Aici, 'm ' reprezintă materialul (adesea un metal) care pierde electroni, devenind un ion încărcat pozitiv (m⁺).
Exemple de oxidare în viața de zi cu zi
Oxidarea afectează materialele pe care le folosim în fiecare zi. Iată câteva exemple comune:
Ruginirea fierului și a oțelului : când fierul reacționează cu oxigen și umiditate, formează rugină. Ecuația chimică pentru formarea ruginii este:
4FE + 3O₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃
Acest strat roșiatic maro slăbește metalul.
Tarnisharea argintului : argintul reacționează cu compușii de sulf în aer, formând sulfură de argint. Ecuația chimică este:
2AG + H₂S → AG₂S + H₂
Acest strat negru poartă strălucirea bijuteriilor argintii sau a tacâmurilor.
Oxidarea materialelor organice
Oxidarea se întâmplă și în organismele vii. Dar spre deosebire de metale, efectele pot fi benefice:
Îmbunătățirea metabolismului : în corpul nostru, oxidarea ajută la arderea alimentelor pentru energie, accelerând metabolismul.
Risc mai mic de cancer : Anumite procese de oxidare în celule ajută la prevenirea răspândirii radicalilor liberi nocivi, ceea ce poate scădea riscul de cancer.
Ce este rugina?
Rust este un tip specific de coroziune care afectează fierul și aliajele sale, cum ar fi oțelul. Se caracterizează printr-o culoare maro-roșiatică și o textură flăcată.
Această formă de coroziune apare atunci când fierul este expus la umiditate și oxigen. Procesul de formare a ruginii implică mai mulți pași:
Reacția de oxidare : fierul pierde electroni și reacționează cu oxigenul în prezența apei pentru a forma ioni de fier (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Formarea hidroxidului de fier : ionii Fe⊃2; ⁺ reacționează cu apă și oxigen pentru a forma hidroxid de fier (II).
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → fe (oh) ₂
Oxidarea hidroxidului de fier : hidroxidul de fier (II) se oxidează în continuare pentru a forma hidroxid de fier (III).
4Fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Formarea ruginii : fier (III) hidroxid se deshidratează pentru a forma fier (III) oxid-hidroxid, cunoscut în mod obișnuit sub numele de rugină. Această rugină este un amestec complex de oxizi de fier și hidroxizi.
4fe (OH) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Mai multe condiții pot promova formarea ruginei:
Prezența umidității : apa acționează ca un electrolit, permițând reacțiile de reducere a oxidării necesare ruginii. Umiditatea ridicată sau expunerea directă la ploaie poate accelera procesul.
Expunerea la oxigen și electroliți : oxigenul este esențial pentru formarea ruginii. Zonele cu o bună aerare sau o concentrație ridicată de oxigen sunt mai predispuse la rugină. Sărurile și acizii pot crește, de asemenea, activitatea electrochimică a metalului, accelerând procesul de rugină.
Factori de mediu : Temperatura joacă un rol în formarea ruginii. Temperaturile mai ridicate pot crește ratele de reacții chimice, ceea ce duce la o rugină mai rapidă. Contaminanții de suprafață, cum ar fi murdăria sau uleiul, pot captura umiditatea pe suprafața metalică, creând zone localizate vulnerabile la rugină.
Diferențele dintre coroziune, oxidare și rugină
| Aspectul | coroziunii | de oxidare a | Rust |
| Definiţie | Degradarea materialelor datorate reacțiilor chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător | Proces chimic în care o substanță pierde electroni, implicând adesea oxigen | Formă specifică de coroziune care afectează aliajele de fier și fier |
| Sfera de aplicare | Cel mai larg termen, care cuprinde diverse forme de degradare a materialului | Tip specific de reacție chimică | Produs specific al oxidării fierului |
| Materiale afectate | Diverse materiale, inclusiv metale, ceramică și polimeri | Atât substanțe organice, cât și anorganice | Mai exact fierul și aliajele sale |
| Factorii de mediu | Necesită un electrolit | Are nevoie de oxigen sau de un alt agent oxidant | Necesită atât oxigen, cât și umiditate |
| Produse | Poate duce la diverși compuși | Produce oxizi | Formează oxizi de fier și hidroxizi |
| Proces chimic | Deseori implică transferul de electroni între material și mediu | Pierderea electronilor, adesea la oxigen | Fierul reacționează cu oxigen și apă |
| Aspect | Diverse forme (de exemplu, pitting, scalare) | Poate fi vizibil sau invizibil în funcție de material | Culoare distinctivă-roșiatică |
| Impact | De obicei dăunător proprietăților materialului | Poate fi benefic (de exemplu, straturi de protecție) sau dăunătoare | Întotdeauna dăunător materialelor pe bază de fier |
| Impact economic | Semnificativ în diverse industrii | Variază în funcție de context | Substanțial în industriile care utilizează fier |
Impactul coroziunii, oxidării și ruginii
Coroziunea, oxidarea și rugina au consecințe de anvergură care se extind dincolo de degradarea materialelor. Acestea pot duce la pierderi economice semnificative, pot prezenta riscuri de siguranță și chiar pot dăuna mediului.
Consecințe economice
Costurile asociate cu coroziunea, oxidarea și rugina sunt uluitoare. Potrivit unui studiu realizat de NACE International, costul global al coroziunii este estimat la 2,5 trilioane de dolari anual, ceea ce este echivalent cu 3,4% din PIB -ul mondial.
Aceste costuri includ:
Costuri directe de înlocuire sau reparare a materialelor și structurilor corodate
Costuri indirecte, cum ar fi pierderea producției, daunele asupra mediului și litigiile
Costuri de întreținere pentru prevenirea coroziunii și măsurile de control
Industriile cele mai afectate de coroziune includ:
Petrol și gaz
Transport (automobile, aerospațiale, calea ferată și marină)
Infrastructură (poduri, conducte și clădiri)
Instalații de fabricație și procesare
Probleme de siguranță
Coroziunea, oxidarea și rugina pot compromite integritatea structurală a clădirilor, vehiculelor și infrastructurii. Această deteriorare poate duce la eșecuri catastrofale, punând vieți în pericol.
Unele exemple de pericole de siguranță cauzate de coroziune includ:
Prăbușirea podurilor sau a clădirilor din cauza armăturilor slăbite din oțel
Eșecul conductelor, ceea ce duce la scurgeri de petrol sau scurgeri de gaz
Care funcționează defectuos al componentelor critice în aeronave sau vehicule
Contaminarea apei potabile din conductele corodate
Implicații de mediu
Coroziunea, oxidarea și rugina pot avea, de asemenea, consecințe semnificative asupra mediului. Când structurile corodate nu reușesc, acestea pot elibera materiale periculoase în mediu.
De exemplu:
Rezervoarele de depozitare corodate pot scurge substanțe chimice sau produse petroliere, solul contaminant și apele subterane
Deșeurile metalice ruginite pot scurge metale grele în ecosistem
Degradarea infrastructurii poate duce la ineficiențe, crescând emisiile de gaze cu efect de seră
Strategii de prevenire și atenuare
Prevenirea și atenuarea coroziunii, oxidării și ruginii necesită o abordare cu mai multe fațete. Aceasta implică o selecție atentă a materialelor, considerente de proiectare, tratamente de protecție, controlul mediului și monitorizarea periodică.
Selectarea și proiectarea materialelor
Unul dintre cele mai eficiente moduri de a preveni coroziunea este prin utilizarea materialelor care sunt în mod inerent rezistente la acesta. Câteva exemple de aliaje rezistente la coroziune includ:
Aceste materiale formează un strat de oxid de protecție pe suprafața lor, ceea ce ajută la prevenirea coroziunii ulterioare.
Proiectarea joacă, de asemenea, un rol crucial în minimizarea coroziunii. Inginerii ar trebui:
Evitați colțurile ascuțite și crevele în care se pot acumula substanțe corozive
Asigurați un drenaj corespunzător pentru a preveni apa în picioare
Folosiți articulații sudate în loc de conexiuni cu șuruburi sau nituite atunci când este posibil
Acoperiri de protecție și tratamente
Aplicarea acoperirilor de protecție și a tratamentelor pe suprafața unui material poate ajuta la prevenirea coroziunii. Unele metode comune includ:
Vopsele și uleiuri : Acestea creează o barieră între metal și mediu, împiedicând expunerea la agenții corozivi.
Galvanizare : Aceasta implică acoperirea fierului sau oțelului cu un strat de zinc, care se corodează sacrificial pentru a proteja metalul de bază.
Electroplarea : depune un strat subțire al unui metal mai rezistent la coroziune, cum ar fi cromul sau nichelul, pe suprafața unui alt metal.
Anodizarea : acest proces creează un strat gros de oxid de protecție pe suprafața metalelor precum aluminiul.
Pasivare : implică tratarea suprafeței unui metal cu o soluție chimică pentru a îmbunătăți formarea unui strat de oxid de protecție.
Controlul mediului
Controlul mediului poate ajuta la minimizarea expunerii la agenții corozivi. Unele strategii includ:
Menținerea nivelului scăzut de umiditate pentru a reduce umiditatea în aer
Reglarea temperaturii pentru a evita fluctuațiile extreme care pot accelera coroziunea
Folosind dezumidificatoare, aer condiționat sau încălzitoare pentru a controla mediul
Depozitarea materialelor în zone uscate, bine ventilate, departe de substanțele corozive
Monitorizarea și inspecția coroziunii
Monitorizarea și inspecția regulată pot ajuta la detectarea coroziunii timpurie, permițând o intervenție la timp. Aceasta implică:
Inspecția vizuală a suprafețelor pentru semne de coroziune, cum ar fi decolorarea, pitting -ul sau fulgerea
Utilizarea metodelor de testare nedistructive, cum ar fi măsurarea sau radiografia grosimii cu ultrasunete, pentru a evalua gradul de coroziune fără a deteriora materialul
Menținerea înregistrărilor detaliate ale rezultatelor inspecției pentru a urmări progresia coroziunii în timp
Avansuri în prevenirea coroziunii și tehnologia
Pe măsură ce lupta împotriva coroziunii continuă, cercetătorii și inginerii dezvoltă soluții inovatoare pentru a preveni și atenua efectele acesteia. Aceste progrese variază de la acoperiri de înaltă performanță la sisteme de monitorizare în timp real și materiale noi.
Dezvoltarea acoperirilor de înaltă performanță
Un domeniu de progres semnificativ este dezvoltarea acoperirilor de protecție avansate. Aceste acoperiri oferă o rezistență superioară la coroziune, uzură și atac chimic. Unele exemple notabile includ:
Acoperiri epoxidice și poliuretanice : acestea oferă aderență excelentă, durabilitate și rezistență la umiditate și substanțe chimice. Sunt utilizate pe scară largă în aplicații industriale și marine.
Acoperirile cu fluoropolimer : cunoscute pentru rezistența lor chimică excepțională și proprietățile scăzute de frecare, acoperirile cu fluoropolimer, cum ar fi PTFE (TEFLON), sunt ideale pentru medii dure.
Acoperiri auto-vindecătoare inspirate de bio : aceste acoperiri inovatoare imită proprietățile de auto-vindecare ale organismelor vii. Conțin capsule microscopice umplute cu agenți de vindecare care sunt eliberați atunci când acoperirea este deteriorată, permițându -i să se repare.
Tehnologii de protecție catodică și coroziune
Protecția catodică este o metodă bine stabilită pentru prevenirea coroziunii în structurile metalice. Aceasta implică aplicarea unui curent electric mic pe metal, ceea ce îl face catodul într -o celulă electrochimică. Acest lucru împiedică corodarea metalului.
Inhibitorii de coroziune sunt substanțe care, atunci când sunt adăugate la un mediu coroziv, scad rata de coroziune. Ele funcționează formând un film de protecție pe suprafața metalului sau modificând chimia mediului.
Progresele recente în aceste tehnologii includ:
Sisteme de protecție catodică curente impresionate care utilizează energie solară sau alte surse de energie regenerabilă
Inhibitori de coroziune organică derivați din extracte de plante și alte surse ecologice
Acoperiri inteligente care încorporează inhibitori de coroziune și le eliberează atunci când este nevoie
Sisteme de monitorizare a coroziunii în timp real și de avertizare timpurie
Detectarea coroziunii timpurii este crucială pentru prevenirea defecțiunilor catastrofale. Sistemele de monitorizare în timp real utilizează senzori pentru a măsura continuu diverși parametri legați de coroziune, cum ar fi:
Aceste sisteme pot avertiza operatorii atunci când ratele de coroziune depășesc nivelurile acceptabile, permițând o intervenție la timp. Unele sisteme avansate folosesc chiar și algoritmi de învățare automată pentru a prezice ratele de coroziune pe baza datelor istorice.
Materiale și tehnici noi pentru prevenirea coroziunii în mediile marine
Mediile marine sunt deosebit de provocatoare atunci când vine vorba de prevenirea coroziunii. Combinația de apă sărată, murdărie biologică și stres mecanic poate degrada rapid chiar și cele mai robuste materiale.
Cercetătorii dezvoltă noi materiale și tehnici pentru a rezolva aceste provocări, cum ar fi:
Aliaje rezistente la coroziune care conțin niveluri ridicate de crom, nichel și molibden
Materiale compozite care combină rezistența metalelor cu rezistența la coroziune a polimerilor
Acoperiri nanostructurate care creează o suprafață super-hidrofobă, împiedicând apa și alte substanțe corozive să adere la metal
Metode electrochimice de control al coroziunii, cum ar fi protecția catodică actuală și anodii de sacrificiu
Concluzie
Coroziunea, oxidarea și rugina sunt înrudite, dar procese distincte care pot afecta semnificativ materialele și structurile. În timp ce oxidarea este o reacție chimică largă, coroziunea degradează în mod specific materialele, iar rugina afectează doar fierul și aliajele sale.
Înțelegerea acestor diferențe este crucială pentru menținerea siguranței și longevității diferitelor active. Cercetările în curs de desfășurare în știința coroziunii își propune să dezvolte noi strategii și tehnologii de prevenire pentru a combate aceste provocări persistente.
