У царині матеріалознавства та інженерії терміни корозія, окислення та іржа часто використовуються взаємозамінно. Однак ці процеси, хоча й пов'язані, мають чіткі характеристики та наслідки. Розуміння їх відмінностей має вирішальне значення для галузей, починаючи від будівництва до аерокосмічного простору, оскільки ці явища можуть суттєво вплинути на довголіття та безпеку матеріалів та споруд.
Що таке коросія?
Корозія - це поступова деградація матеріалів, як правило, металів, викликана хімічними або електрохімічними реакціями. Він послаблює матеріал і впливає на його структурну цілісність. Корозія може призвести до невдачі, якщо залишити його без перевірки.
Деградація властивостей матеріалу
Коли виникає коросія, вона змінює фізичні властивості матеріалу. Сюди входить сила, зовнішній вигляд і навіть провідність. Електрохімічні реакції між металом та його навколишнім середовищем викликають цю деградацію.
Типи корозії
Корозія не однакова у кожному сценарії. Різні середовища та матеріали призводять до різних форм корозії. Нижче наведено деякі поширені типи:
Єдина атака : це найпоширеніша форма корозії. Це відбувається, коли вся поверхня матеріалу піддається корозійному середовищу, що призводить до навіть погіршення.
Гальванічна корозія : Цей тип корозії відбувається, коли два різноманітні метали контактують між собою в присутності електроліту. Менше благородного металу стає анодом і кородами швидше.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[червоний])
ECELL = Клітинний потенціал, E0 = Стандартні електродні потенціали, R = константа газу, T = температура, n = кількість перенесених електронів, а F - константа Фарадея.
Корозія щілини : вона зустрічається в обмежених просторах, де корозійне середовище є більш серйозним, ніж навколишня територія. Ці простори, або щілини, можуть утворюватися за допомогою дизайну або накопичення сміття.
Швидкість корозії ∝ [Cl–] e (-∆g/rt)
У цьому рівнянні ΔG - це зміна вільної енергії Гіббса, R - константа газу, а T - температура.
Піттінг : Це локалізована форма корозії, яка призводить до невеликих отворів або ям на поверхні металу. Це може бути важко виявити і може призвести до швидкого невдачі.
Міжгранулярна корозія : Цей тип корозії відбувається вздовж меж зерна металу, часто через осадження домішок або утворення різних фаз.
Корозія ерозії : Це відбувається, коли корозійна рідина рухається по металевій поверхні з великими швидкостями, викликаючи як механічний знос, так і хімічну деградацію.
Стрес -корозія розтріскування : це відбувається, коли метал піддається як напрузі на розрив, так і корозійному середовищу, що призводить до утворення та поширення тріщин.
Селективне вилуговування : Цей тип корозії передбачає селективне видалення одного елемента з сплаву, залишаючи після себе ослаблену, пористу структуру.
Матеріали, які впливають на корозію
Корозія не лише впливає на метали. Інші матеріали також можуть погіршити:
Метали : залізо, алюміній, мідь та їх сплави найбільше впливають на корозію.
Кераміка : Хоча рідше, кераміка може погіршитися через хімічні реакції зі своїм навколишнім середовищем.
Полімери : Замість кородування полімери погіршуються. Це ослаблення може призвести до розтріскування, викривлення або знебарвлення.
Що таке окислення?
Окислення - це хімічний процес, коли матеріал втрачає електрони, як правило, реагуючи з киснем. Це частина повсякденної хімії, часто призводить до видимих змін, таких як колір або текстура.
Хімічний процес, що включає втрату електронів
При окисленні речовина відмовляється від електронів іншим. Кисень, як правило, є речовиною, яка їх приймає. Ця реакція може відбуватися як в органічних, так і в неорганічних матеріалах, змінюючи їх властивості. Загальна реакція окислення може бути представлена як:
M → M⁺ + E⁻
Тут 'm ' являє собою матеріал (часто метал), що втрачає електрони, стає позитивно зарядженим іоном (M⁺).
Приклади окислення у повсякденному житті
Окислення впливає на матеріали, які ми використовуємо щодня. Ось кілька поширених прикладів:
Іржа заліза і сталі : Коли залізо реагує з киснем і вологою, воно утворює іржу. Хімічне рівняння для утворення іржі становить:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Цей червонувато-коричневий шар послаблює метал.
Запалування срібла : срібло реагує з сірчаною сполуками у повітрі, утворюючи сульфід срібла. Хімічне рівняння:
2ag + h₂s → ag₂s + h₂
Цей чорний шар притупляє блиск срібних прикрас або столових приборів.
Окислення в органічних матеріалах
Окислення також відбувається в живих організмах. Але на відміну від металів, ефекти можуть бути корисними:
Підвищення метаболізму : У нашому тілі окислення допомагає спалити їжу для енергії, прискорюючи метаболізм.
Зниження ризику раку : певні процеси окислення в клітинах допомагають запобігти поширенню шкідливих вільних радикалів, що може знизити ризик раку.
Що таке іржа?
Іржа - це специфічний тип корозії, який впливає на залізо та його сплави, такі як сталь. Він характеризується червонувато-коричневим кольором та лушковою текстурою.
Ця форма корозії виникає, коли залізо піддається впливу вологи та кисню. Процес утворення іржі включає кілька кроків:
Реакція окислення : Залізо втрачає електрони і реагує з киснем у присутності води з утворенням іонів заліза (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Формування гідроксиду заліза : іони Fe⊃2; ⁺ реагують з водою та киснем, утворюючи гідроксид заліза (II).
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → fe (OH) ₂
Окислення гідроксиду заліза : залізо (II) гідроксид далі окислюється, утворюючи гідроксид заліза (III).
4fe (OH) ₂ + o₂ + 2h₂o → 4fe (OH) ₃
Формування іржі : залізо (III) гідроксид дегідрати з утворенням оксиду-гідроксиду заліза (III), широко відомого як іржа. Ця іржа - це складна суміш оксидів заліза та гідроксидів.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3h₂o
Кілька умов можуть сприяти утворенню іржі:
Наявність вологи : вода діє як електроліт, що дозволяє реакціям відновлення окислення, необхідними для іржі. Висока вологість або прямий вплив дощу може прискорити процес.
Вплив кисню та електролітів : кисень має важливе значення для утворення іржі. Області з хорошою аерацією або високою концентрацією кисню більш схильні до іржавих. Солі та кислоти також можуть підвищити електрохімічну активність металу, прискорюючи процес іржі.
Фактори навколишнього середовища : температура відіграє роль у формуванні іржі. Більш високі температури можуть збільшити швидкість хімічних реакцій, що призводить до швидшого іржі. Поверхневі забруднення, такі як бруд або олія, можуть захоплювати вологу до металевої поверхні, створюючи локалізовані ділянки, вразливі до іржі.
та
| іржею | окисленням | Відмінності між корозією | , |
| Визначення | Деградація матеріалів внаслідок хімічних або електрохімічних реакцій з навколишнім середовищем | Хімічний процес, коли речовина втрачає електрони, часто включає кисень | Конкретна форма корозії, що впливає на сплави заліза та заліза |
| Обсяг | Найширший термін, що охоплює різні форми деградації матеріалів | Специфічний тип хімічної реакції | Конкретний продукт окислення заліза |
| Матеріали, які постраждали | Різні матеріали, включаючи метали, кераміку та полімери | Як органічні, так і неорганічні речовини | Конкретно залізо та його сплави |
| Фактори навколишнього середовища | Вимагає електроліту | Потрібен кисень або інший окислювальний засіб | Вимагає як кисню, так і вологи |
| Продукція | Може призвести до різних сполук | Виробляє оксиди | Утворює оксиди заліза та гідроксиди |
| Хімічний процес | Часто передбачає перенесення електронів між матеріалом та навколишнім середовищем | Втрата електронів, часто до кисню | Залізо реагує з киснем і водою |
| Зовнішність | Різні форми (наприклад, піттінг, масштабування) | Може бути видимим або невидимим залежно від матеріалу | Відмінний червонувато-коричневий колір |
| Вплив | Зазвичай шкодить властивостям матеріалу | Може бути корисним (наприклад, захисними шарами) або шкідливим | Завжди шкідливий для залізних матеріалів |
| Економічний вплив | Значний для різних галузей | Змінюється залежно від контексту | Значні в галузі, що використовують залізобанню, |
Вплив корозії, окислення та іржі
Корозія, окислення та іржа мають далекосяжні наслідки, що виходять за рамки деградації матеріалів. Вони можуть призвести до значних економічних втрат, становлять ризики безпеки та навіть завдають шкоди навколишньому середовищу.
Економічні наслідки
Витрати, пов'язані з корозією, окисленням та іржею, є приголомшливі. Згідно з дослідженням Nace International, глобальна вартість корозії оцінюється як 2,5 трлн доларів щорічно, що еквівалентно 3,4% світового ВВП.
Ці витрати включають:
Прямі витрати на заміну або ремонт корозійних матеріалів та конструкцій
Непрямі витрати, такі як втрата виробництва, пошкодження навколишнього середовища та судові процеси
Витрати на технічне обслуговування для заходів щодо запобігання корозії та контролю
Промисловості, які найбільше постраждали від корозії, включають:
Нафта і газ
Транспорт (автомобільний, аерокосмічний, залізниця та морська піхота)
Інфраструктура (мости, трубопроводи та будівлі)
Виробничі та переробні установки
Проблеми безпеки
Корозія, окислення та іржа можуть поставити під загрозу структурну цілісність будівель, транспортних засобів та інфраструктури. Це погіршення може призвести до катастрофічних невдач, що ставить під загрозу життя.
Деякі приклади небезпек безпеки, спричинених корозією, включають:
Колапс мостів або будівель за рахунок ослаблених сталевих арматури
Невдача трубопроводів, що призводить до розливів нафти або витоку газу
Несправність критичних компонентів у літальних апаратах або транспортних засобах
Забруднення питної води з корозійних труб
Екологічні наслідки
Корозія, окислення та іржа також можуть мати значні наслідки навколишнього середовища. Коли кородовані структури виходять з ладу, вони можуть випускати небезпечні матеріали в навколишнє середовище.
Наприклад:
Кородовані резервуари для зберігання можуть просочити хімічні речовини або нафтові продукти, забруднюючі ґрунт та ґрунтові води
Іржаві металеві відходи можуть вилучити важкі метали в екосистему
Деградація інфраструктури може призвести до неефективності, збільшення викидів парникових газів
Стратегії профілактики та пом'якшення
Запобігання та пом'якшення корозії, окислення та іржі вимагає багатогранного підходу. Це передбачає ретельний вибір матеріалів, міркування проектування, захисні методи лікування, контроль навколишнього середовища та регулярний моніторинг.
Вибір та дизайн матеріалів
Одним із найефективніших способів запобігання корозії є використання матеріалів, які за своєю суттю стійкі до неї. Деякі приклади стійких до корозії сплавів включають:
Ці матеріали утворюють захисний оксидний шар на їх поверхні, що допомагає запобігти подальшій корозії.
Дизайн також відіграє вирішальну роль у мінімізації корозії. Інженери повинні:
Уникайте різких куточків та щілин, де можуть накопичуватися корозійні речовини
Забезпечити належне дренаж, щоб запобігти стоячій воді
Використовуйте зварені стики замість болтових або заклеплених з'єднань, коли це можливо
Захисні покриття та лікування
Застосування захисних покриттів та обробки на поверхню матеріалу може допомогти запобігти корозії. Деякі поширені методи включають:
Фарби та олії : вони створюють бар'єр між металом та навколишнім середовищем, запобігаючи впливу корозійних агентів.
Гальванування : Це передбачає покриття заліза або сталі шаром цинку, який жертвує кородами для захисту основного металу.
Електроплідування : Він осаджує тонкий шар більш корозійного металу, наприклад, хрому або нікелю, на поверхню іншого металу.
Анодізація : Цей процес створює товстий, захисний оксидний шар на поверхні металів, як алюміній.
Пасівація : вона передбачає обробку поверхні металу хімічним розчином для посилення утворення захисного оксидного шару.
Екологічний контроль
Контроль навколишнього середовища може допомогти мінімізувати вплив корозійних агентів. Деякі стратегії включають:
Підтримка низького рівня вологості для зменшення вологи в повітрі
Регулювання температури, щоб уникнути надзвичайних коливань, які можуть прискорити корозію
Використання осушників, кондиціонерів або обігрівачів для контролю навколишнього середовища
Зберігання матеріалів у сухих, добре провітрюваних ділянках від корозійних речовин
Моніторинг корозії та огляд
Регулярний моніторинг та огляд може допомогти виявити корозію рано, що дозволяє своєчасно втручатися. Це передбачає:
Візуально огляд поверхонь на наявність ознак корозії, таких як знебарвлення, піттінг або лущення
Використання методів неруйнівного тестування, таких як ультразвукове вимірювання товщини або рентгенографія, для оцінки ступеня корозії без пошкодження матеріалу
Ведення детальних записів результатів перевірки для відстеження прогресування корозії з часом
Удосконалення профілактики та технологій корозій
По мірі продовження боротьби з корозією дослідники та інженери розробляють інноваційні рішення для запобігання та пом'якшення його наслідків. Ці досягнення варіюються від високопродуктивних покриттів до систем моніторингу в режимі реального часу та нових матеріалів.
Розробка високопродуктивних покриттів
Однією з областей значного прогресу є розвиток передових захисних покриттів. Ці покриття забезпечують чудову стійкість до корозії, зносу та хімічної атаки. Деякі помітні приклади включають:
Епоксидні та поліуретанові покриття : вони пропонують чудову адгезію, довговічність та стійкість до вологи та хімікатів. Вони широко використовуються в промислових та морських додатках.
Фторполімерні покриття : відомий своєю винятковою хімічною стійкістю та властивостями низького тертя, фторополімерними покриттями, такими як PTFE (Teflon), ідеально підходять для суворого середовища.
Біо-натхненні покриття самолікування : ці інноваційні покриття імітують властивості самолікування живих організмів. Вони містять мікроскопічні капсули, наповнені цілющими агентами, які вивільняються при пошкодженні покриття, що дозволяє йому відновити себе.
Технології катодного захисту та інгібіторів корозії
Катодний захист-це добре встановлений метод запобігання корозії в металевих конструкціях. Він передбачає нанесення невеликого електричного струму до металу, що робить його катодом в електрохімічній клітині. Це запобігає корозії металу.
Інгібітори корозії - це речовини, які при додаванні до корозійного середовища знижують швидкість корозії. Вони працюють, утворюючи захисну плівку на металевій поверхні або змінюючи хімію навколишнього середовища.
Останні досягнення в цих технологіях включають:
Вражені поточні катодні системи захисту, які використовують сонячну енергію або інші відновлювані джерела енергії
Органічні інгібітори корозії, отримані з рослинних екстрактів та інших екологічно чистих джерел
Розумні покриття, які включають інгібітори корозії та вивільняють їх, коли це потрібно
Системи моніторингу корозії та раннього попередження в режимі реального часу
Виявлення корозії раннього значення має вирішальне значення для запобігання катастрофічних збоїв. Системи моніторингу в режимі реального часу використовують датчики для постійного вимірювання різних параметрів, пов'язаних з корозією, такими як:
Електрохімічний потенціал
Корозійний струм
Фактори навколишнього середовища (температура, вологість, pH)
Ці системи можуть попередити операторів, коли коефіцієнти корозії перевищують прийнятні рівні, що забезпечує своєчасне втручання. Деякі вдосконалені системи навіть використовують алгоритми машинного навчання для прогнозування корозійних показників на основі історичних даних.
Нові матеріали та методи профілактики корозії в морських середовищах
Морські середовища особливо складні, що стосується запобігання корозії. Поєднання морської води, біологічного забруднення та механічного стресу може швидко погіршити навіть найбезпечніші матеріали.
Дослідники розробляють нові матеріали та методи для вирішення цих проблем, таких як:
Корозійні стійкі сплави, що містять високий рівень хрому, нікелю та молібдену
Композитні матеріали, що поєднують міцність металів з корозією стійкості полімерів
Наноструктуровані покриття, що створюють супер-гідрофобну поверхню, запобігаючи воді та іншими корозійними речовинами, що дотримуються металу
Електрохімічні методи контролю корозії, такі як вражені поточні катодний захист та жертовні аноди
Висновок
Корозія, окислення та іржа пов'язані, але чіткі процеси, які можуть суттєво впливати на матеріали та структури. Незважаючи на те, що окислення є широкою хімічною реакцією, корозія спеціально погіршує матеріали, а іржа впливає лише на залізо та його сплави.
Розуміння цих відмінностей має вирішальне значення для підтримки безпеки та довговічності різних активів. Постійні дослідження в галузі корозійної науки мають на меті розробити нові стратегії профілактики та технології для боротьби з цими постійними проблемами.
