Inom riket av materialvetenskap och teknik används ofta termerna korrosion, oxidation och rost omväxlande. Men dessa processer, även om de är relaterade, har distinkta egenskaper och effekter. Att förstå deras skillnader är avgörande för industrier som sträcker sig från konstruktion till flyg- och rymd, eftersom dessa fenomen kan påverka livslängden och säkerheten för material och strukturer.
Vad är korrosion?
Korrosion är den gradvisa nedbrytningen av material, vanligtvis metaller, orsakade av kemiska eller elektrokemiska reaktioner. Det försvagar materialet och påverkar dess strukturella integritet. Korrosion kan leda till misslyckande om det inte är avmarkerat.
Nedbrytning av materialegenskaper
När korrosion inträffar förändrar det materialets fysiska egenskaper. Detta inkluderar styrka, utseende och till och med konduktivitet. Elektrokemiska reaktioner mellan metallen och dess miljö orsakar denna nedbrytning.
Typer av korrosion
Korrosion är inte densamma i varje scenario. Olika miljöer och material leder till olika former av korrosion. Nedan följer några vanliga typer:
Uniform Attack : Detta är den vanligaste formen av korrosion. Det inträffar när hela ytan på ett material utsätts för en frätande miljö, vilket resulterar i till och med försämring.
Galvanisk korrosion : Denna typ av korrosion inträffar när två olika metaller är i kontakt med varandra i närvaro av en elektrolyt. Den mindre ädla metallen blir anoden och korroderar snabbare.
Ecell = E⁰Cathode - E⁰anode - (RT/NF) Ln ([Ox]/[Röd])
Ecell = cellpotential, E0 = standardelektrodpotentialer, R = gaskonstant, T = temperatur, n = antal överförda elektroner, och F är Faraday -konstanten.
Korrosionshastighet ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
I denna ekvation är ΔG förändringen i Gibbs fri energi, R är gaskonstanten och T är temperaturen.
PITTING : Detta är en lokal form av korrosion som resulterar i små hål eller gropar på ytan av en metall. Det kan vara svårt att upptäcka och kan leda till snabb misslyckande.
Intergranulär korrosion : Denna typ av korrosion sker längs korngränserna för en metall, ofta på grund av utfällning av föroreningar eller bildning av olika faser.
Erosionskorrosion : Det händer när en frätande vätska rör sig över en metallyta med höga hastigheter, vilket orsakar både mekanisk slitage och kemisk nedbrytning.
Stresskorrosionsprickor : Detta inträffar när en metall utsätts för både dragspänning och en frätande miljö, vilket leder till bildning och förökning av sprickor.
Selektiv lakning : Denna typ av korrosion involverar selektivt avlägsnande av ett element från en legering och lämnar en försvagad, porös struktur.
Material som påverkas av korrosion
Korrosion påverkar inte bara metaller. Andra material kan också försämras:
Metaller : Järn, aluminium, koppar och deras legeringar påverkas mest av korrosion.
Keramik : Även om det är mindre vanligt kan keramik försämras genom kemiska reaktioner med sin miljö.
Polymerer : I stället för att korrodera försämras polymerer. Denna försvagning kan leda till sprickbildning, vridning eller missfärgning.
Vad är oxidation?
Oxidation är en kemisk process där ett material förlorar elektroner, vanligtvis reagerar med syre. Det är en del av vardagskemi, vilket ofta resulterar i synliga förändringar som färg eller konsistens.
Kemisk process som involverar förlust av elektroner
Vid oxidation ger ett ämne upp elektroner till en annan. Syre är vanligtvis ämnet som accepterar dem. Denna reaktion kan uppstå i både organiska och oorganiska material och ändra deras egenskaper. En allmän oxidationsreaktion kan representeras som:
m → m⁺ + e⁻
Här representerar 'm ' materialet (ofta en metall) som förlorar elektroner och blir en positivt laddad jon (M⁺).
Exempel på oxidation i vardagen
Oxidation påverkar material vi använder varje dag. Här är några vanliga exempel:
Rost av järn och stål : När järn reagerar med syre och fukt, bildar det rost. Den kemiska ekvationen för rostbildning är:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Detta rödbruna lager försvagar metallen.
Oxidation i organiska material
Oxidation sker också i levande organismer. Men till skillnad från metaller kan effekterna vara fördelaktiga:
Boost i metabolism : I våra kroppar hjälper oxidation att bränna mat för energi och påskynda metabolismen.
Lägre cancerrisk : Vissa oxidationsprocesser i celler hjälper till att förhindra spridning av skadliga fria radikaler, vilket kan sänka cancerrisken.
Vad är rost?
Rust är en specifik typ av korrosion som påverkar järn och dess legeringar, såsom stål. Det kännetecknas av en rödbrun färg och en flagnig struktur.
Denna form av korrosion uppstår när järn utsätts för fukt och syre. Processen för rostbildning involverar flera steg:
Oxidationsreaktion : Järn tappar elektroner och reagerar med syre i närvaro av vatten för att bilda järn (II) joner.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Bildning av järnhydroxid : Fe⊃2; ⁺ -jonerna reagerar med vatten och syre för att bilda järn (ii) hydroxid.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
Oxidation av järnhydroxid : järn (ii) hydroxid oxiderar ytterligare för att bilda järn (iii) hydroxid.
4Fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Bildning av rost : järn (iii) hydroxiddehydrater för att bilda järn (iii) oxid-hydroxid, ofta känd som rost. Denna rost är en komplex blandning av järnoxider och hydroxider.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Flera villkor kan främja rostbildning:
Närvaro av fukt : Vatten fungerar som en elektrolyt, vilket möjliggör oxidationsreduktionsreaktioner som är nödvändiga för rost. Hög luftfuktighet eller direkt exponering för regn kan påskynda processen.
Exponering för syre och elektrolyter : Syre är avgörande för rostbildning. Områden med god luftning eller hög syrekoncentration är mer benägna att rostas. Salter och syror kan också öka metallens elektrokemiska aktivitet och påskynda rostningsprocessen.
Miljöfaktorer : Temperaturen spelar en roll i rostbildning. Högre temperaturer kan öka hastigheterna för kemiska reaktioner, vilket leder till snabbare rost. Ytföroreningar som smuts eller olja kan fånga fukt mot metallytan, vilket skapar lokala områden som är utsatta för rost.
Skillnader mellan oxidation och
| rostaspektkorrosionsoxidation | rost | korrosion | , |
| Definition | Nedbrytning av material på grund av kemiska eller elektrokemiska reaktioner med miljön | Kemisk process där ett ämne förlorar elektroner, ofta involverar syre | Specifik form av korrosion som påverkar järn- och järnlegeringar |
| Omfattning | Bredaste termin, som omfattar olika former av materialförstöring | Specifik typ av kemisk reaktion | Specifik produkt av järnoxidation |
| Material drabbade | Olika material inklusive metaller, keramik och polymerer | Både organiska och oorganiska ämnen | Specifikt järn och dess legeringar |
| Miljöfaktorer | Kräver en elektrolyt | Behöver syre eller ett annat oxidationsmedel | Kräver både syre och fukt |
| Produkt | Kan resultera i olika föreningar | Producerar oxider | Bildar järnoxider och hydroxider |
| Kemisk process | Involverar ofta elektronöverföring mellan material och miljö | Förlust av elektroner, ofta till syre | Järn reagerar med syre och vatten |
| Utseende | Olika former (t.ex. pitting, skalning) | Kan vara synlig eller osynlig beroende på material | Distinkt rödbrun färg |
| Inverkan | Vanligtvis skadligt för materialegenskaper | Kan vara fördelaktigt (t.ex. skyddande lager) eller skadligt | Alltid skadligt för järnbaserade material |
| Ekonomisk inverkan | Betydande i olika branscher | Varierar beroende på sammanhang | Betydande inom järnanvändande industrier |
Påverkan av korrosion, oxidation och rost
Korrosion, oxidation och rost har långtgående konsekvenser som sträcker sig utöver nedbrytningen av material. De kan leda till betydande ekonomiska förluster, utgöra säkerhetsrisker och till och med skada miljön.
Ekonomiska konsekvenser
Kostnaderna förknippade med korrosion, oxidation och rost är häpnadsväckande. Enligt en studie från NACE International beräknas den globala korrosionskostnaden till 2,5 biljoner dollar årligen, vilket motsvarar 3,4% av världens BNP.
Dessa kostnader inkluderar:
Direkta kostnader för att byta ut eller reparera korroderade material och strukturer
Indirekta kostnader som förlust av produktion, miljöskador och rättstvister
Underhållskostnader för förebyggande och kontrollåtgärder för korrosion
Branscher mest drabbade av korrosion inkluderar:
Olje och gas
Transport (bil, flyg-, järnväg och marin)
Infrastruktur (broar, rörledningar och byggnader)
Tillverknings- och bearbetningsanläggningar
Säkerhetsproblem
Korrosion, oxidation och rost kan äventyra byggnadens, fordon och infrastrukturs strukturella integritet. Denna försämring kan leda till katastrofala misslyckanden och riskera.
Några exempel på säkerhetsrisker orsakade av korrosion inkluderar:
Kollaps av broar eller byggnader på grund av försvagade stålförstärkningar
Misslyckande med rörledningar, vilket leder till oljeutsläpp eller gasläckor
Fungerade i kritiska komponenter i flygplan eller fordon
Förorening av dricksvatten från korroderade rör
Miljö konsekvenser
Korrosion, oxidation och rost kan också få betydande miljökonsekvenser. När korroderade strukturer misslyckas kan de frigöra farliga material i miljön.
Till exempel:
Korroderade lagringstankar kan läcka kemikalier eller petroleumprodukter, förorenande mark och grundvatten
Rostat metallavfall kan läcka tungmetaller i ekosystemet
Nedbrytning av infrastruktur kan leda till ineffektivitet, vilket ökar utsläppen av växthusgaser
Förebyggande och mildringsstrategier
Att förhindra och mildra korrosion, oxidation och rost kräver ett mångfacetterat tillvägagångssätt. Detta involverar noggrant materialval, designöverväganden, skyddsbehandlingar, miljökontroll och regelbunden övervakning.
Materialval och design
Ett av de mest effektiva sätten att förhindra korrosion är att använda material som i sig är resistenta mot det. Några exempel på korrosionsbeständiga legeringar inkluderar:
Dessa material bildar ett skyddande oxidskikt på ytan, vilket hjälper till att förhindra ytterligare korrosion.
Design spelar också en avgörande roll för att minimera korrosion. Ingenjörer borde:
Undvik skarpa hörn och sprickor där frätande ämnen kan samlas
Se till att korrekt dränering för att förhindra stående vatten
Använd svetsade fogar istället för bultade eller nitade anslutningar när det är möjligt
Skyddande beläggningar och behandlingar
Att tillämpa skyddsbeläggningar och behandlingar på ytan på ett material kan hjälpa till att förhindra korrosion. Några vanliga metoder inkluderar:
Färger och oljor : Dessa skapar en barriär mellan metallen och miljön, vilket förhindrar exponering för frätande medel.
Galvanizing : Detta innebär beläggning av järn eller stål med ett skikt av zink, som offer korroderar för att skydda den underliggande metallen.
Elektroplätering : Det avsätter ett tunt skikt av en mer korrosionsbeständig metall, såsom krom eller nickel, på ytan på en annan metall.
Anodisering : Denna process skapar ett tjockt, skyddande oxidskikt på ytan av metaller som aluminium.
Passivering : Det handlar om att behandla ytan på en metall med en kemisk lösning för att förbättra bildningen av ett skyddande oxidskikt.
Miljökontroll
Att kontrollera miljön kan hjälpa till att minimera exponeringen för frätande medel. Vissa strategier inkluderar:
Upprätthålla låg luftfuktighet för att minska fukten i luften
Reglera temperaturen för att undvika extrema fluktuationer som kan påskynda korrosion
Med avfuktare, luftkonditioneringsapparater eller värmare för att kontrollera miljön
Lagring av material i torra, väl ventilerade områden bort från frätande ämnen
Korrosionsövervakning och inspektion
Regelbunden övervakning och inspektion kan hjälpa till att upptäcka korrosion tidigt, vilket möjliggör snabb intervention. Detta innebär:
Visuellt inspektera ytor för tecken på korrosion, såsom missfärgning, grop eller flinging
Använda icke-förstörande testmetoder, såsom mätning av ultraljudstjocklekar eller radiografi, för att bedöma korrosionens omfattning utan att skada materialet
Att hålla detaljerade register över inspektionsresultat för att spåra utvecklingen av korrosion över tid
Framsteg inom förebyggande och teknik för korrosion
När kampen mot korrosion fortsätter utvecklar forskare och ingenjörer innovativa lösningar för att förhindra och mildra dess effekter. Dessa framsteg sträcker sig från högpresterande beläggningar till realtidsövervakningssystem och nya material.
Utveckling av högpresterande beläggningar
Ett område med betydande framsteg är utvecklingen av avancerade skyddsbeläggningar. Dessa beläggningar ger överlägsen motstånd mot korrosion, slitage och kemisk attack. Några anmärkningsvärda exempel inkluderar:
Epoxi- och polyuretanbeläggningar : Dessa erbjuder utmärkt vidhäftning, hållbarhet och resistens mot fukt och kemikalier. De används allmänt i industriella och marina applikationer.
Fluoropolymerbeläggningar : Känd för deras exceptionella kemiska resistens och lågfriktionsegenskaper, fluoropolymerbeläggningar, såsom PTFE (TEFLON), är idealiska för hårda miljöer.
Bioinspirerade självhelande beläggningar : Dessa innovativa beläggningar efterliknar de självhelande egenskaperna hos levande organismer. De innehåller mikroskopiska kapslar fyllda med läkande medel som frigörs när beläggningen är skadad, vilket gör att den kan reparera sig själv.
Katodiskt skydds- och korrosionsinhibitaltekniker
Katodiskt skydd är en väletablerad metod för att förhindra korrosion i metallstrukturer. Det handlar om att applicera en liten elektrisk ström på metallen, vilket gör den till katoden i en elektrokemisk cell. Detta förhindrar att metallen korroderar.
Korrosionshämmare är ämnen som, när de läggs till en frätande miljö, minskar korrosionshastigheten. De arbetar genom att bilda en skyddande film på metallytan eller genom att modifiera miljöens kemi.
De senaste framstegen inom dessa tekniker inkluderar:
Imponerade nuvarande katodiska skyddssystem som använder solkraft eller andra förnybara energikällor
Organiska korrosionshämmare härrörande från växtextrakt och andra miljövänliga källor
Smarta beläggningar som innehåller korrosionshämmare och släpper dem vid behov
Korrosionssystem i realtid och tidig varningssystem
Att upptäcka korrosion tidigt är avgörande för att förhindra katastrofala misslyckanden. Realtidsövervakningssystem använder sensorer för att kontinuerligt mäta olika parametrar relaterade till korrosion, till exempel:
Dessa system kan varna operatörer när korrosionshastigheter överstiger acceptabla nivåer, vilket möjliggör snabb intervention. Vissa avancerade system använder till och med maskininlärningsalgoritmer för att förutsäga korrosionshastigheter baserade på historiska data.
Nya material och tekniker för förebyggande av korrosion i marina miljöer
Marina miljöer är särskilt utmanande när det gäller förebyggande av korrosion. Kombinationen av saltvatten, biologisk fouling och mekanisk stress kan snabbt försämras även de mest robusta materialen.
Forskare utvecklar nya material och tekniker för att hantera dessa utmaningar, till exempel:
Korrosionsresistenta legeringar som innehåller höga nivåer av krom, nickel och molybden
Kompositmaterial som kombinerar styrkan hos metaller med korrosionsbeständigheten hos polymerer
Nanostrukturerade beläggningar som skapar en superhydrofob yta som förhindrar vatten och andra frätande ämnen från att hålla sig till metallen
Elektrokemiska korrosionskontrollmetoder, såsom imponerad nuvarande katodisk skydd och offeranoder
Slutsats
Korrosion, oxidation och rost är relaterade men distinkta processer som kan påverka material och strukturer avsevärt. Medan oxidation är en bred kemisk reaktion, försämrar korrosion specifikt material, och rost påverkar endast järn och dess legeringar.
Att förstå dessa skillnader är avgörande för att upprätthålla säkerheten och livslängden för olika tillgångar. Pågående forskning inom korrosionsvetenskap syftar till att utveckla nya förebyggande strategier och teknik för att bekämpa dessa ihållande utmaningar.
