خوردگی فلزات | انواع خوردگی

داشتن دانش در مورد خوردگی و تاثیری که می تواند بر روی محصول و سیستم در محیط کار داشته باشد از اهمیت بالایی برخوردار است. 

خوردگی فلزات

داشتن دانش در مورد خوردگی و تاثیری که می تواند بر روی محصول و سیستم در محیط کار داشته باشد از اهمیت بالایی برخوردار است. با انتخاب ماده بهینه برای یک کاربرد خاص ، می توان بخش قابل توجهی از خسارت مواد و خرابی بعدی آن را که در اثر خوردگی ایجاد شده است ، از بین برد. خوردگی یک مایع روی فلزات عمدتا به موارد زیر بستگی دارد :

 

-   محتوای اکسیژن ، کلرید  یا سولفید
-   درجه حرارت
-   مقدار pH
 

 

استراتژی های اصلی ضد خوردگی عبارتند از:

 

-  انتخاب مواد مناسب
-  طراحی محصول
-  روشهای محافظتی (پوششها ، آندها و غیره)
-  نصب و نگهداری صحیح
-  تحقیق ، توسعه و آزمایش
 

خوردگی به عنوان حمله به ماده در نتیجه واکنش شیمیایی ، غالباً الکتروشیمیایی با محیط اطراف تعریف می شود. بر اساس این تعریف ، اصطلاح خوردگی را می توان برای همه مواد ، از جمله غیر فلزات استفاده کرد. اما در عمل ، کلمه خوردگی عمدتا همراه با مواد فلزی استفاده می شود.

 

 

چرا فلزات دچار خوردگی می شوند

 

 
جدا از طلا ، پلاتین و چند ماده دیگر ، فلزات به صورت خالص در طبیعت وجود ندارند. آنها به طور معمول به مواد شیمیایی دیگر مانند سنگ سولفیدها ، اکسیدها و غیره از نظر شیمیایی متصل می شوند و برای استخراج فلزات از سولفیدها ، اکسیدها و غیره برای بدست آوردن فلزات خالص ، باید انرژی مصرف شود (به عنوان مثال در کوره بلند).فلزات خالص حاوی انرژی پیوند خورده بیشتری هستند ، که بیانگر یک حالت انرژی بالاتر از آن است که در طبیعت به عنوان سولفید یا اکسید یافت می شود.
 

 

از آنجا که تمام مواد موجود در جهان برای بازگشت به کمترین حالت انرژی خود تلاش می کنند ، فلزات خالص نیز تلاش می کنند تا به کمترین حالت انرژی خود که به عنوان سولفید یا اکسید داشتند بازگردند. یکی از راه هایی که فلزات می توانند به سطح انرژی پایین برگردند ، خوردگی است. محصولات خوردگی فلزات اغلب سولفیدها یا اکسیدها هستند.

 

 

 

خوردگی شیمیایی و الکتروشیمیایی

 

خوردگی شیمیایی می تواند به عنوان اکسیداسیون دیده شود و در اثر گازهای خشک ، اغلب در دمای بالا رخ می دهد. از طرف دیگر خوردگی الکتروشیمیایی با واکنش الکترود ، اغلب در محیط های مرطوب ، یعنی خوردگی مرطوب صورت می گیرد.
تمام فلزات موجود در هوای خشک توسط یک لایه اکسید بسیار نازک ، با ضخامت حدود 100Å)10-2 میکرومتر) پوشانده شده اند. این لایه در اثر خوردگی شیمیایی با اکسیژن موجود در هوا ایجاد می شود. در دماهای بسیار بالا ، واکنش با اکسیژن موجود در هوا می تواند بدون محدودیت ادامه یابد و فلز به سرعت به اکسید تبدیل می شود.

 

 

در دمای اتاق هنگامی که لایه نازک است واکنش متوقف می شود. این لایه های نازک اکسید می تواند از فلز در برابر حمله مداوم محافظت کند ، به عنوان مثال در یک محلول آب در حقیقت ، این لایه های اکسید یا محصولات خوردگی تشکیل شده در سطح فلز هستند که فلز را از حمله مداوم محافظت می کنند تا جایی که مقاومت در برابر خوردگی خود فلز است. این لایه های اکسید ممکن است به عنوان مثال در آب دوام کم و بیش داشته باشند. می دانیم که فولاد کربن ساده در آب زودتر از فولاد ضد زنگ خوردگی می خورد. این تفاوت به ترکیب و نفوذپذیری لایه های اکسیدی آنها بستگی دارد. شرح زیر در مورد پدیده خوردگی فقط مربوط به خوردگی الکتروشیمیایی ، یعنی خوردگی مرطوب است.

 

 

چگونه فلزات در مایعات دچار خوردگی می شوند؟ 

 

خوردگی دو فلز یک صفحه فولادی و یک صفحه مسی در تماس الکتریکی با یکدیگر تشکیل شده و در یک محلول آبی (الکترولیت) غوطه ور شده اند ایجاد شود.الکترولیت حاوی اکسیژن محلول از هوا و نمک محلول است. اگر یک لامپ بین صفحه فولادی و صفحه مسی متصل شود ، روشن می شود. این نشان می دهد که جریان بین صفحات فلزی جریان دارد. مس الکترود مثبت و فولاد الکترود منفی خواهد بود.

 

 

نیروی محرکه ، جریان پتانسیل الکتریکی بین مس و فولاد است. مدار باید بسته شود که جریان در مایع (الکترولیت) از صفحه فولادی به صفحه مسی جریان یابد. جریان توسط اتمهای آهن با بار مثبت (یونهای آهن) خارج می شود.به سطح فلز خورنده آند گفته می شود. اکسیژن و آب در سطح صفحه مس مصرف می شود و یون های هیدروکسیل (OH-) که دارای بار منفی هستند تشکیل می شود. یون های هیدروکسیل منفی ، اتم های دارای بار مثبت را "خنثی می کنند". یونهای آهن و هیدروکسید آهن (زنگ زدگی) تشکیل می دهند.

 

 

 

در سلول خوردگی که در بالا توضیح داده شد ، فلز مس کاتد نامیده می شود. از هر دو صفحه فلزی به عنوان الکترود یاد می شود و در زیر تعریف آند و کاتد آورده شده است.

آند: الکترودی که جریان مثبت از آن به داخل الکترولیت می رود.
کاتد: الکترودی که جریان الکتریکی مثبت از آن طریق الکترولیت را ترک می کند.

وقتی اتمهای آهن مثبت از صفحه فولادی به محلول می روند ، الکترونها در فلز باقی می مانند و در جهت مخالف ، به سمت جریان مثبت منتقل می شوند.

 

 

پیش نیازهای تشکیل سلول دو فلزی:

1. الکترولیت
2. آند
3. کاتد
4- محیط اکسیداسیون ، مانند اکسیژن محلول (O2) یا یون های هیدروژن (H +)

 

 

پتانسیل الکترود - سری Galvanic

 

در مثال بالا ، نشان داده شد که نیروی محرکه  جریان و در نتیجه خوردگی اختلاف پتانسیل الکترود است. پتانسیل الکترود یک فلز نشانه تمایل فلز به حل شدن و خوردگی در یک الکترولیت خاص است.همچنین به "نجابت" فلز اشاره می شود. هرچه فلز نجیب تر باشد ، پتانسیل آن بالاتر است ، تمایل آن به حل شدن در یک الکترولیت کمتر است.پتانسیل های الکترود فلزات مختلف را می توان در سری گالوانیک برای الکترولیت های مختلف در رابطه با یکدیگر تعیین کرد. سری گالوانیک فلزات مختلف در آب دریا در زیر نشان داده شده است.

 

با توجه به مثال فولاد و مس ، از جدول بالا مشخص خواهد شد که مس دارای پتانسیل بالاتری (نجیب تر) نسبت به فولاد کربن ساده است. فولاد آند خورده خواهد بود ، در حالی که مس کاتد خواهد بود و خورده نمی شود.

 

خوردگی در میکرو سلول

 

مثال فولاد و مس نشان داده است که چگونه دو ماده مختلف در یک محلول آبی به هم متصل می شوند. چگونه خوردگی در سطح یک فلز منفرد ایجاد می شود؟
 وقتی سطح یک فلز در زیر میکروسکوپ بررسی شود ، مشاهده خواهد شد که این یک فلز واحد همگن نیست. تفاوت در ساختار و اندازه دانه در سطح رخ می دهد. ترکیب شیمیایی ممکن است متفاوت باشد و ناخالصی های مختلفی وجود داشته باشد.
اگر پتانسیل الکترود در یک سطح ظاهراً همگن اندازه گیری شود ، مشخص خواهد شد که در مناطق کسری یک میلی متر مربع به میزان قابل توجهی متفاوت است. بنابراین کاتدها و آندهای کوچک اما به اندازه کافی بزرگ برای ایجاد خوردگی ، می توانند در همان سطح فلز تشکیل شوند. یک میکرو سلول خوردگی  تشکیل شده است.

 

 

 

پارامترهای موثر بر میزان خوردگی

 

برخی از مهمترین پارامترهای موثر بر میزان خوردگی فلزات در زیر بیان شده است:

 

عوامل اکسید کننده

فرآیند خوردگی مشروط به واکنش آندی و واکنش کاتدی به طور همزمان است. واکنش آندی باعث حل شدن فلز می شود. یک عامل اکسید کننده باید برای واکنش کاتدی وجود داشته باشد و متداول ترین عوامل یون های اکسیژن محلول یا هیدروژن هستند. اگر در دسترس بودن عوامل اکسید کننده محدود شود ، روند خوردگی مهار می شود یا به طور کامل متوقف می شود. غلظت هیدروژن را می توان به راحتی به عنوان مقدار pH اندازه گیری کرد. اکسیژن به طور معمول در آب وجود دارد ، اما به دلیل باکتری های اکسیژن ساز در فاضلاب وجود ندارد.

 

 

 

رسانایی الکتریکی الکترولیت

 خوردگی شامل واکنش های الکتروشیمیایی است و بنابراین افزایش رسانایی الکتریکی الکترولیت باعث افزایش سرعت خوردگی می شود. در آب دریا میزان کلرید باعث افزایش سریع رسانایی می شود.

 

دما

افزایش دما به طور کلی باعث افزایش میزان خوردگی می شود. یک قانون کلی این است که افزایش دما 10 درجه سانتیگراد باعث افزایش دو برابر خوردگی می شود.

 

غلظت

 با افزایش غلظت ، میزان خوردگی تا بیشترین حد افزایش می یابد. غلظت بالاتر از این میزان خوردگی بالاتری نخواهد داشت. به عنوان مثال غلظت کلرید بالای 1500 ppm باعث افزایش سرعت خوردگی نمی شود.

 

 

 

 

انواع مختلف خوردگی

 

اشکال مختلف خوردگی بر روی فلزات و مشخصات آنها در زیر قرار گرفته است :

 

 

 

 

خوردگی عمومی

 

 

خوردگی عمومی با حمله کلی به سطح مشخص می شود. خوردگی بدون مناطق متمایز آندی و کاتدی صورت می گیرد. مقاومت در برابر خوردگی مواد فلزی را می توان در نمودارهای ایزو خوردگی نشان داد. منحنی ها میزان خوردگی 1/0 میلی متر در سال را در یک مایع خاص در غلظت ها و دمای مختلف نشان می دهند. این نمودارها فقط برای مایعات در شرایط راکد معتبر هستند. میزان خوردگی در مناطق با سرعت بالا بطور قابل توجهی افزایش می یابد.

 

 

نقطه مقابل خوردگی عمومی خوردگی موضعی است که به انواع مختلفی تقسیم می شود .در خوردگی موضعی ، بیشتر سطح فلز تحت تأثیر قرار نمی گیرد و فقط مناطق کوچک بسیار تحت تأثیر قرار می گیرند. جبران خوردگی یکنواخت و اتخاذ تدابیر پیشگیرانه در طراحی بسیار آسان تر از پیش بینی حملات محلی در برابر خوردگی است.

 

 

 

 

خوردگی گالوانیک

 

 

هنگامی که دو فلز مختلف از نظر الکتریکی به هم متصل شده و با الکترولیت در تماس باشند ، آنها یک سلول گالوانیک را تشکیل می دهند که در آن مواد نجیب تر کاتدی و آندی نجیب کمتر است. مواد آندی خورده می شوند. پتانسیل های الکتریکی فلزات را می توان در محلول های مختلف آب اندازه گیری کرد و در سری گالوانیک ذکر کرد ، همانطور که برای آب دریا در نمودار است. 

 

میزان خوردگی به موارد زیر بستگی دارد :

 

-  نسبت سطح بین کاتد و آند ( منطقه آند بزرگتر در مقایسه با منطقه کاتد ، اثرات گالوانیک را کاهش می دهد ، به عنوان مثال اتصال دهنده های فولاد ضد زنگ بر روی پمپ چدن).

-  مقدار اختلاف پتانسیل (مقایسه برنز آلومینیوم در تماس با فولاد ضد زنگ و چدن در تماس با فولاد ضد زنگ).

-  رسانایی الکترولیت (مایع).

 

 

 

 

 

خوردگی حفره ای

 

 

نمونه های معمول خوردگی حفره ای را می توان روی فولادهای آلومینیومی و ضد زنگ موجود در مایعات حاوی کلریدها مشاهده کرد ، به عنوان مثال آب دریا این مواد برای محافظت در برابر خوردگی به یک فیلم اکسید سطح نازک وابسته هستند. آسیب مکانیکی یا یک نقطه ناهمگن در اکسید می تواند نقطه شروع حملات خوردگی باشد. شرایط موجود در گودال با کمبود اکسیژن و pH پایین مشخص می شود ، که حمله را تشدید می کند و همچنین ممکن است باعث دوام آن شود.در عمق  ، میزان خوردگی حفره ای می تواند بسیار زیاد باشد. خوردگی چاله به احتمال زیاد در آب راکد رخ می دهد. فولادهای ضد زنگ به صورت AISI 316L (M 0344.2343.02) و AISI 329 (M 0344.2324.02) در برابر خوردگی چاله در آب دریا مقاوم نیستند. سایر فولادهای ضد زنگ آلیاژ بالاتر مانند UNS S31254 در آب دریا مقاوم در نظر گرفته می شوند.
 

 

خوردگی شکافی

 

مکانیسم خوردگی شکاف مشابه مکانیزم خوردگی چاله است. خوردگی شکاف در شکافهایی که از مایع پر شده اند که  از گردش مایع جلوگیری می شود ، اتفاق می افتد. هنگامی که خوردگی ظاهر شد ، شرایط در شکاف تغییر می کند. به عنوان مثال، مقدار pH کاهش می یابد و غلظت کلرید افزایش می یابد. بر این اساس خوردگی مایع محدود افزایش می یابد. خوردگی شکاف عمدتا روی فولاد ضد زنگ و آلومینیوم در مایعات حاوی کلرید ظاهر می شود.

 

 

خوردگی بین دانه ای

 

 

خوردگی بین دانه ای بین مرز دانه ها در داخل یک فلز ایجاد می شود. این نوع خوردگی برای فولادهای ضد زنگ که برای مدت زمان زیادی در دمای بین 500 تا 800 درجه سانتیگراد خیس شده اند ، کاملاً شناخته شده است. در این دما کروم با کربن در مرز دانه واکنش داده و کاربیدها را تشکیل می دهد. این باعث تخریب کروم در مجاورت مرزهای دانه می شود. اگر محتوای کروم به زیر 12٪ برسد ، خوردگی به راحتی شروع می شود.
 

 

 

 

خوردگی تنشی

 

خوردگی یک اثر ترکیبی از تنش های کششی ، داخلی یا اعمال شده ، و یک حمله خوردگی موضعی است. تنش های کششی به عنوان مثال در حین کار سرد ورق فولاد یا در نتیجه بار مستقیم وارد شده بوجود می آیند. خوردگی تنشی به طور کلی با فولادهای زنگ نزن آستنیتی در تماس با مایعات حاوی کلرید در ارتباط است. احتمالاً ترکهایی در زیر 60 درجه سانتیگراد وجود ندارد که ممکن است فولادهای کربن و آلیاژ کم در محلولهای سود سوزآور در غلظتها و دمای بالا دچار ترک خوردگی شوند. برای جلوگیری از خوردگی تنشی ، تنش های کششی باید برداشته شوند ، به عنوان مثال با عملیات حرارتی پس از سرما یا جوشکاری. همچنین با انتخاب ماده مقاوم می توان از خوردگی تنشی جلوگیری کرد.

 

خوردگی فرسایش

 

خوردگی فرسایش ترکیبی از خوردگی الکتروشیمیایی (به عنوان مثال خوردگی عمومی) و عملکرد یک سیال با سرعت بالا ، فرسایش محصول خوردگی است. گودال های ایجاد شده در اثر خوردگی معمولاً دارای سطوح روشن و عاری از مواد خورده هستند. حملات معمولاً در مناطقی با جریان آشفته قرار دارند و توسط حباب های گاز و ذرات جامد گسترش می یابند.
 

 

 

 

خوردگی جدایش انتخابی

 

خوردگی جدایش  انتخابی در فلزاتی اتفاق می افتد که عناصر آلیاژی به طور یکنواخت توزیع نشده اند. نمونه های معمول این نوع خوردگی عبارتند از:
فرسودگی جزیی برنج ، که به موجب آن روی حل شده و یک ماده مس متخلخل را پشت سر می گذارد.
گرافیت سازی چدن ، که به موجب آن آهن حل شده و شبکه ای از گرافیت با مقاومت مکانیکی کم را پشت سر می گذارد.