Na področju materiala in inženiringa se izrazi korozija, oksidacija in rje pogosto uporabljajo zamenljivo. Vendar imajo ti procesi, čeprav so povezani, različne značilnosti in vplive. Razumevanje njihovih razlik je ključnega pomena za panoge, ki segajo od gradnje do vesoljskega vesolja, saj ti pojavi lahko bistveno vplivajo na dolgo življenjsko dobo in varnost materialov in konstrukcij.
Kaj je korozija?
Korozija je postopna razgradnja materialov, običajno kovin, ki jih povzročajo kemične ali elektrokemične reakcije. Oslabi material in vpliva na njegovo strukturno celovitost. Korozija lahko privede do okvare, če ostane brez nadzora.
Degradacija lastnosti materiala
Ko pride do korozije, spremeni fizične lastnosti materiala. To vključuje moč, videz in celo prevodnost. Elektrokemijske reakcije med kovino in njegovim okoljem povzročajo to razgradnjo.
Vrste korozije
Korozija v vsakem scenariju ni enaka. Različna okolja in materiali vodijo do različnih oblik korozije. Spodaj je nekaj skupnih vrst:
Enotni napad : To je najpogostejša oblika korozije. Pojavi se, ko je celotna površina materiala izpostavljena korozivnemu okolju, kar ima za posledico enakomerno poslabšanje.
Galvanska korozija : Ta vrsta korozije se zgodi, ko sta dve različni kovini v stiku med seboj v prisotnosti elektrolita. Manj plemenita kovina postane anoda in hitreje korodira.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[rdeča])
ECELL = celični potencial, E0 = standardni elektrodni potenciali, r = konstanta plina, t = temperatura, n = število prenesenih elektronov in F je faraday konstanta.
Hitrost korozije ∝ [Cl–] E (-∆G/RT)
V tej enačbi je ΔG sprememba Gibbsove proste energije, r je plinska konstanta, t pa temperatura.
Pitting : To je lokalizirana oblika korozije, ki ima za posledico majhne luknje ali jame na površini kovine. Težko je zaznati in lahko privede do hitrega neuspeha.
Intergranularna korozija : Ta vrsta korozije se pojavlja vzdolž zrn kovine, pogosto zaradi padavine nečistoč ali tvorbe različnih faz.
Korozija erozije : Zgodi se, ko se korozivna tekočina premika po kovinski površini pri visokih hitrostih, kar povzroči tako mehansko obrabo kot kemično razgradnjo.
Stres korozijsko razpokanje : To se zgodi, ko je kovina podvržena tako nateznemu stresu kot v jedko okolje, kar vodi do tvorbe in širjenja razpok.
Selektivno izpiranje : Ta vrsta korozije vključuje selektivno odstranjevanje enega elementa iz zlitine, pri čemer za seboj pusti oslabljeno, porozno strukturo.
Materiali, ki jih prizadene korozija
Korozija ne vpliva samo na kovine. Tudi drugi materiali se lahko poslabšajo:
Kovine : Korozija najbolj vpliva železo, aluminij, baker in njihove zlitine.
Keramika : Čeprav je manj pogosta, se lahko keramika s kemičnimi reakcijami s svojim okoljem razgradi.
Polimeri : Namesto korodiranja se polimeri razgradijo. To oslabitev lahko privede do razpok, upogibanje ali razbarvanje.
Kaj je oksidacija?
Oksidacija je kemični postopek, kjer material izgubi elektrone, običajno reagira s kisikom. To je del vsakodnevne kemije, ki pogosto povzroči vidne spremembe, kot sta barva ali tekstura.
Kemični proces, ki vključuje izgubo elektronov
Pri oksidaciji snov popušča elektrone drugemu. Kisik je običajno snov, ki jih sprejme. Ta reakcija se lahko pojavi tako v organskih kot anorganskih materialih in spreminja njihove lastnosti. Splošna reakcija oksidacije je lahko predstavljena kot:
M → M⁺ + E⁻
Tu 'm ' predstavlja material (pogosto kovina), ki izgublja elektrone in postane pozitivno napolnjen ion (M⁺).
Primeri oksidacije v vsakdanjem življenju
Oksidacija vpliva na materiale, ki jih uporabljamo vsak dan. Tu je nekaj pogostih primerov:
Rust iz železa in jekla : Ko železo reagira s kisikom in vlago, tvori rje. Kemična enačba za nastanek rje je:
4FE + 3O₂ + 6H₂o → 4FE (OH) ₃
Ta rdečkasto rjava plast oslabi kovino.
Oksidacija v organskih materialih
Oksidacija se zgodi tudi v živih organizmih. Toda za razliko od kovin so lahko učinki koristni:
Povečanje metabolizma : v naših telesih oksidacija pomaga kuriti hrano za energijo, kar pospeši metabolizem.
Nižje tveganje za raka : Nekateri procesi oksidacije v celicah pomagajo preprečiti širjenje škodljivih prostih radikalov, kar lahko zmanjša tveganje za raka.
Kaj je rje?
Rust je specifična vrsta korozije, ki vpliva na železo in njegove zlitine, kot je jeklo. Zanj je značilna rdečkasto rjava barva in luskasta tekstura.
Ta oblika korozije se pojavi, ko je železo izpostavljeno vlagi in kisiku. Proces nastanka rje vključuje več korakov:
Oksidacijska reakcija : Železo izgubi elektrone in reagira s kisikom v prisotnosti vode, da tvori železove (II) ione.
Fe → fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Nastajanje železnega hidroksida : Fe⊃2; ⁺ ioni reagirajo z vodo in kisikom, da tvorijo železov (II) hidroksid.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂o + o₂ → fe (OH) ₂
Oksidacija železovega hidroksida : železov (II) hidroksid nadalje oksidira, da tvori železov (III) hidroksid.
4fe (OH) ₂ + o₂ + 2H₂o → 4fe (OH) ₃
Nastajanje rje : železo (III) hidroksid dehidrate, da tvorijo železov (III) oksid-hidroksid, splošno znan kot rje. Ta rje je zapletena mešanica železovih oksidov in hidroksidov.
4fe (OH) ₂ → fe₂o₃ · 3H₂o
Več pogojev lahko spodbudi oblikovanje rje:
Prisotnost vlage : voda deluje kot elektrolit, kar omogoča reakcije oksidacije, ki so potrebne za rjavenje. Visoka vlaga ali neposredna izpostavljenost dežju lahko pospešita postopek.
Izpostavljenost kisiku in elektrolitom : kisik je bistvenega pomena za tvorbo rje. Območja z dobro prezračevanjem ali visoko koncentracijo kisika so bolj nagnjena k rjavi. Soli in kisline lahko tudi povečajo elektrokemično aktivnost kovine in pospešijo postopek rjavenja.
Okoljski dejavniki : Temperatura igra vlogo pri nastajanju rje. Višje temperature lahko povečajo hitrost kemičnih reakcij, kar vodi do hitrejšega rjavenja. Površinski onesnaževalci, kot sta umazanija ali olje, lahko ujamejo vlago proti kovinski površini, kar ustvarja lokalizirana območja, ki so ranljiva za rje.
Razlike med korozijo, oksidacijo in
| rjo | korozijsko | oksidacijo | rjo |
| Opredelitev | Degradacija materialov zaradi kemičnih ali elektrokemičnih reakcij z okoljem | Kemični proces, kjer snov izgubi elektrone, ki pogosto vključujejo kisik | Specifična oblika korozije, ki vpliva na železove in železne zlitine |
| Obseg | Najširši izraz, ki obsega različne oblike razgradnje materiala | Specifična vrsta kemične reakcije | Specifičen produkt železove oksidacije |
| Prizadeti materiali | Različni materiali, vključno s kovinami, keramiko in polimeri | Tako organske kot anorganske snovi | Konkretno železo in njegove zlitine |
| Okoljski dejavniki | Zahteva elektrolit | Potrebuje kisik ali drugo oksidacijsko sredstvo | Zahteva tako kisik kot vlago |
| Izdelki | Lahko povzroči različne spojine | Proizvaja okside | Tvori železove okside in hidrokside |
| Kemični proces | Pogosto vključuje prenos elektronov med materialom in okoljem | Izguba elektronov, pogosto kisika | Železo reagira s kisikom in vodo |
| Videz | Različne oblike (npr. Pitting, skaliranje) | Je lahko vidna ali nevidna, odvisno od materiala | Izrazita rdečkasto rjava barva |
| Vpliv | Ponavadi škodljive za lastnosti materiala | Lahko koristijo (npr. Zaščitne plasti) ali škodljive | Vedno škodljivo za železove materiale |
| Ekonomski vpliv | Pomembno v različnih panogah | Se razlikuje glede na kontekst | Veliko v industrijah, ki uporabljajo železo |
Vpliv korozije, oksidacije in rje
Korozija, oksidacija in rje imajo daljnosežne posledice, ki presegajo razgradnjo materialov. Lahko privedejo do pomembnih gospodarskih izgub, predstavljajo varnostna tveganja in celo škodijo okolju.
Ekonomske posledice
Stroški, povezani s korozijo, oksidacijo in rje, so osupljivi. Glede na študijo NACE International naj bi bili svetovni stroški korozije letno 2,5 bilijona dolarjev, kar je enakovredno 3,4% svetovnega BDP.
Ti stroški vključujejo:
Neposredni stroški zamenjave ali popravila korodiranih materialov in konstrukcij
Posredni stroški, kot so izguba proizvodnje, okoljska škoda in sodni spori
Stroški vzdrževanja za preprečevanje korozije in nadzor ukrepov
Industrije, ki jih najbolj prizadene korozija, vključujejo:
Nafta in plin
Prevoz (avtomobilska, vesoljska, železniška in morska)
Infrastruktura (mostovi, cevovodi in stavbe)
Proizvodne in predelave
Varnostni pomisleki
Korozija, oksidacija in rje lahko ogrozijo strukturno celovitost stavb, vozil in infrastrukture. To poslabšanje lahko privede do katastrofalnih neuspehov in ogroža življenje.
Nekaj primerov nevarnosti za varnost, ki jih povzroča korozija, vključujejo:
Propad mostov ali zgradb zaradi oslabljenih jeklenih ojačitve
Neuspeh cevovodov, kar vodi do razlitja nafte ali puščanja plina
Napačno delovanje kritičnih komponent v letalih ali vozilih
Kontaminacija pitne vode iz korodiranih cevi
Okoljske posledice
Korozija, oksidacija in rje imajo lahko tudi pomembne okoljske posledice. Ko korodirane strukture ne uspejo, lahko v okolje sprostijo nevarne snovi.
Na primer:
Korodirani rezervoarji za shranjevanje lahko puščajo kemikalije ali naftne izdelke, onesnažujejo tla in podzemno vodo
Rjavi kovinski odpadki lahko v ekosistem izlivajo težke kovine
Degradacija infrastrukture lahko privede do neučinkovitosti, povečanje emisij toplogrednih plinov
Strategije za preprečevanje in ublažitev
Preprečevanje in ublažitev korozije, oksidacije in rje zahteva večplastni pristop. To vključuje skrbno izbiro materiala, oblikovanje, zaščitni obdelavi, nadzor okolja in redno spremljanje.
Izbira in oblikovanje materiala
Eden najučinkovitejših načinov za preprečevanje korozije je z uporabo materialov, ki so sami po sebi odporni. Nekaj primerov zlitin, odpornih na korozijo, vključuje:
Ti materiali tvorijo zaščitno oksidno plast na svoji površini, kar pomaga preprečiti nadaljnjo korozijo.
Zasnova ima tudi ključno vlogo pri zmanjševanju korozije. Inženirji bi morali:
Izogibajte se ostrim vogalom in razpokam, kjer se lahko naberejo jedke snovi
Zagotovite pravilno odtok, da preprečite stoječo vodo
Uporabite varjene spoje namesto vijačnih ali zakovičenih povezav, kadar je to mogoče
Zaščitni premazi in obdelavi
Uporaba zaščitnih premazov in obdelav na površino materiala lahko prepreči korozijo. Nekatere skupne metode vključujejo:
Barve in olja : ta ustvarjajo oviro med kovino in okoljem, kar preprečuje izpostavljenost jedkom.
Galvaniziranje : To vključuje prevleko železa ali jekla s plastjo cinka, ki požrtvovalno korodira za zaščito spodnje kovine.
Galvaning : na površino druge kovine odloži tanko plast bolj korozijsko odporne kovine, kot sta krom ali nikelj.
Anodiziranje : Ta postopek ustvarja debelo, zaščitno oksidno plast na površini kovin, kot je aluminij.
Pasivacija : Vključuje obdelavo površine kovine s kemično raztopino za izboljšanje tvorbe zaščitne oksidne plasti.
Okoljski nadzor
Nadzor okolja lahko pomaga zmanjšati izpostavljenost korozivnim povzročiteljem. Nekatere strategije vključujejo:
Vzdrževanje nizke ravni vlažnosti za zmanjšanje vlage v zraku
Uravnavanje temperature, da se izognete ekstremnim nihanjem, ki lahko pospešijo korozijo
Uporaba dehumidifikatorjev, klimatskih naprav ali grelnikov za nadzor okolja
Shranjevanje materialov v suhih, dobro prezračenih območjih stran od jedkovih snovi
Korozijsko spremljanje in pregled
Redno spremljanje in pregled lahko pomagata zgodaj odkrivati korozijo, kar omogoča pravočasno posredovanje. To vključuje:
Vizualno pregledovanje površin glede znakov korozije, kot so razbarvanje, pitting ali lusk
Uporaba nedestruktivnih metod testiranja, kot sta merjenje ali radiografija ultrazvočne debeline, za oceno obsega korozije, ne da bi poškodovali gradivo
Ohranjanje podrobnih zapisov o rezultatih pregledov za sledenje napredovanju korozije skozi čas
Napredek pri preprečevanju korozije in tehnologije
Ko se bo boj proti koroziji nadaljuje, raziskovalci in inženirji razvijajo inovativne rešitve za preprečevanje in ublažitev njegovih učinkov. Ti napredki segajo od visokozmogljivih premazov do sistemov za spremljanje v realnem času in novih materialov.
Razvoj visokozmogljivih premazov
Eno področje pomembnega napredka je razvoj naprednih zaščitnih premazov. Ti prevleki zagotavljajo vrhunsko odpornost proti koroziji, obrabi in kemičnem napadu. Nekateri pomembni primeri vključujejo:
Epoksi in poliuretanski premazi : ti ponujajo odlično oprijemljivost, trajnost in odpornost na vlago in kemikalije. Široko se uporabljajo v industrijskih in morskih aplikacijah.
Fluoropolimerne prevleke : znane po izjemni kemični odpornosti in nizkih lastnostih trenja, fluoropolimerne prevleke, kot je PTFE (teflon), so idealne za ostra okolja.
Bio-navdihnjene samozdravljene prevleke : ti inovativni premazi posnemajo lastnosti živih organizmov samozdravljenja. Vsebujejo mikroskopske kapsule, napolnjene z zdravilnimi sredstvi, ki se sprostijo, ko je prevleka poškodovana, kar omogoča, da se popravi.
Tehnologije zaviralcev katodne zaščite in korozije
Katodna zaščita je dobro uveljavljena metoda za preprečevanje korozije v kovinskih strukturah. Vključuje nanašanje majhnega električnega toka na kovino, zaradi česar je katoda v elektrokemični celici. To preprečuje, da bi kovina korodirala.
Zaviralci korozije so snovi, ki ob dodajanju korozivnega okolja zmanjšajo hitrost korozije. Delujejo tako, da tvorijo zaščitni film na kovinski površini ali s spreminjanjem kemije okolja.
Nedavni napredek teh tehnologij vključuje:
Navdušeni trenutni katodni zaščitni sistemi, ki uporabljajo sončno energijo ali druge vire obnovljivih virov energije
Zaviralci organske korozije, pridobljeni iz rastlinskih izvlečkov in drugih okolju prijaznih virov
Pametni premazi, ki vključujejo zaviralce korozije in jih po potrebi sprostijo
V realnem času spremljanje korozije in zgodnje opozarjanje
Zgodnje odkrivanje korozije je ključnega pomena za preprečevanje katastrofalnih okvar. Sistemi za spremljanje v realnem času uporabljajo senzorje za nenehno merjenje različnih parametrov, povezanih s korozijo, kot je:
Elektrokemijski potencial
Korozijski tok
Okoljski dejavniki (temperatura, vlaga, pH)
Ti sistemi lahko opozorijo operaterje, kadar stopnje korozije presegajo sprejemljive ravni, kar omogoča pravočasno posredovanje. Nekateri napredni sistemi celo uporabljajo algoritme strojnega učenja za napovedovanje stopnje korozije na podlagi zgodovinskih podatkov.
Novi materiali in tehnike za preprečevanje korozije v morskih okoljih
Morska okolja so še posebej zahtevna, ko gre za preprečevanje korozije. Kombinacija slane vode, biološkega preganjanja in mehanskega stresa lahko hitro razpade tudi najbolj močne materiale.
Raziskovalci razvijajo nove materiale in tehnike za reševanje teh izzivov, kot so:
Zlitine, odporne proti koroziji, ki vsebujejo visoko raven kroma, niklja in molibdena
Sestavljeni materiali, ki združujejo moč kovin s korozijsko odpornostjo polimerov
Nanostrukturirani premazi, ki ustvarjajo super hidrofobno površino, ki preprečujejo, da bi se voda in druge jedke snovi prilepili na kovino
Elektrokemične metode nadzora korozije, kot so navdušena trenutna katodna zaščita in žrtvene anode
Zaključek
Korozija, oksidacija in rje so povezani, vendar različni procesi, ki lahko znatno vplivajo na materiale in strukture. Medtem ko je oksidacija široka kemična reakcija, korozija posebej razgradi materiale, rje pa vpliva samo na železo in njegove zlitine.
Razumevanje teh razlik je ključnega pomena za ohranjanje varnosti in dolgoživosti različnih sredstev. Tekoče raziskave na področju korozijske znanosti želijo razviti nove strategije in tehnologije za preprečevanje za boj proti tem vztrajnim izzivom.
