خوردگی فلز: خوردگی یک نتیجه بسیار رایج از واکنش های الکتروشیمیایی بین مواد و مواد موجود در محیط آنهاست. خوردگی فلز یک مشکل خطرناک و پر هزینه است زیرا موجب فرو پاشی ساختمان ها و پل ها،شکستن خطوط لوله نفت و نشت کارخانه های شیمیایی میشود. اصطلاح خوردگی برای همه ی مواد از جمله غیر فلزات به کار میرود اما در عمل خوردگی عمدتا با مواد فلزی به کار میرود.
از آنجایی که همه مواد در جهان تلاش میکنند تا به پایین ترین حالت انرژی خود برگردند فلزات خالص هم تلاش میکنند به پایین ترین حالت انرژی خود به عنوان سولفید Sulfide یا اکسید برسند. یکی از راه هایی که فلزات میتوانند به سطح انرژی پایین برسند خوردگی است. محصولات خوردگی فلزات اغلب سولفید ها یا اکسید ها هستند.
به غیر از طلا،پلاتین و چند فلز دیگر،فلزات به شکل خالص در طبیعت وجود ندارند.آنها معمولا از نظر شیمیایی به سایر مواد موجود در سنگ معدن مانند سولفید ها،اکسید ها و غیره متصل میشوند. برای استخراج فلزها از سولفید و اکسید و و برای به دست آوردن فلزات خالص باید انرژی صرف شود. فلزات خالص حاوی انرژی محدود بیشتری هستند که نشان دهنده ی وضعیت بالاتری نسبت به حالتی است که در طبیعت به عنوان سولفید یا اکسید یافت میشود.
همه ی فلزات میتوانند خورده شوند. برخی مانند آهن خالص به سرعت خورده میشوند با این حال فولاد ضد زنگ که آهن و آلیاژ های دیگر را ترکیب میکند کندتر خورده میشود و بنابراین بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد.
هزینه سالانه خوردگی فلزات در سراسر جهان بیش از 2 تریلیون دلار تخمین زده میشود با این حال کارشناسان معتقدند با حفاظت درست در برابر خوردگی میتوانند از 25 تا 30 درصد آن جلوگیری کنند.پروژه های ساختمانی با برنامه ریزی ضعیف میتوانند منجر به یک ساختار شکست خورده و اتلاف منابع طبیعی شوند.علاوه بر این خوردگی میتواند به نگرانی های ایمنی، از دست دادن جان، هزینه های غیر مستقیم اضافی و … شود.
این نوع خوردگی زمانی اتفاق می افتد که وزن،ارتعاش یا سایش مکرر باعث ایجاد حفره ها و شیار هایی بر روی سطح فلز میشود.این اغلب در قطعات ماشین آلات درحال حرکت یا سطوحی که هنگام انتقال از مکانی به مکان دیگر دچار لرزش میشوند رخ میدهد.
دلایل مختلفی برای خوردگی فلز وجود دارد. با افزودن آلیاژ ها به یک فلز خالص میتوان از برخی از آنها جلوگیری کرد. از سایر مواد میتوان با ترکیب دقیق فلزات یا مدیریت محیط فلز جلوگیری کرد. برخی از رایج ترین انواع خوردگی در زیر توضیح داده شده است.
این خوردگی زمانی رخ میدهد که دو فلز مختلف در یک الکترولیت مایع مانند آب نمک با هم قرار بگیرند. در اصل مولکول های یک فلز به سمت فلز دیگری کشیده میشود که منجر به خوردگی تنها در یکی از دو فلز میشود.
این خوردگی رایج ترین نوع خوردگی است و با حمله به کل سطح فلز نمایش داده میشود. این نوع خوردگی معمولا در اثر واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی ایحاد میشود که باعث میشود فلز در حالی که اکسید یا سایر ترکیبات را در مناطق قابل مشاهده بزرگ تشکیل میدهد مصرف شود.این واکنش ها باعث از دست دادن ضخامت فلز در طول زمان شده و تا زمانی که فلز به طور کامل حل شود ادامه میابد.
این خوردگی به بخش هایی از یک سازه فلزی حمله میکند. خوردگی حفره ای موضعی است و با ایجاد سوراخ های کوچک در سطح فلز خود را نشان میدهد.حفره ها معمولا خود را به صورت سوراخ های با قطر کوچک روی سطح جسم نشان میدهند در حالی که بقیه سطح فلزی بدون اثری باقی میماند.
این خوردگی توسط ترکیبی از تنش کششی و یک محیط خورنده در دمای بالا اتفاق می افتد.خوردگی تنشی در اثر تنش خارجی مثل بار های کششی روی فلز یا منبسط و منقبض شدن در اثر تغییرات دمایی ایجاد میشود.از طرفی نیز میتواند ناشی از تنش پسماند در طی فرایند تولید ایجاد شود.
خوردگی بین دانه ای شامل خوردگی تسریع شده در امتداد مرز های دانه یک فلز است. در حالی که بخش عمده ای از سطح فلز عاری از حمله باقی میماند.برخی از آلیاژ ها هنگامی که تحت عملیات حرارتی نامناسب قرار میگیرند میتوانند ناخالصی ها را در مرز دانه ها جدا کنند که میتواند غیر فعالسازی در این مناطق را دشوار کند.مرز های دانه در حال حاضر نشان دهنده ی مسیری با آسیب پذیری بالا در برابر خوردگی است.
این خوردگی موضعی بوده و در بخش هایی از فلز اتفاق می افتد. به عنوان مثال در مکان های راکد مانند زیر واشر ها رخ میدهد. این شکاف ها میتواند نتیجه اتصال بین دو سطح فلز به فلز یا فلز به غیر فلز و یا در اثر تجمع رسوبات باشد. این خوردگی با زوال در ناحیه شکاف مشخص میشود در حالی که نواحی اطراف بستر فلزی بدون تاثیر باقی میمانند.
خوردگی فرسایشی به عنوان زوال شتابان یک فلز که از حرکت نسبی بین مایع خورنده و سطح فلز ناشی میشود تعریف میشود.همانطور که سیال در امتداد سطح جریان دارد لایه اکسید غیر فعال فلز ممکن است برداشته یا حل شود و آلیاژ را مستعد آسیب بگذارد.در طی این فرایند فلز ممکن است به شکل یون های محلول یا محصولات خوردگی که به طور مکانیکی از سطح فلز به دلیل نیروی سیال جاری میشوند حذف شود.
خوردگی میکروبی که به خوردگی تحت تاثیر میکروبیولوژیک نیز معروف است نوعی خوردگی است که توسط میکروارگانیسم ها ایجاد میشود. شایع ترین آنها کمواتوتروف ها هستند.مواد فلزی و غیر فلزی چه در حضور یا عدم حضور اکسیژن میتوانند تحت تاثیر این خوردگی قرار بگیرند.
این روش متداول ترین نوع خوردگی است و زمانی اتفاق می افتد که تمام اتم های موجود در یک سطح فلزی اکسید شوند و به کل سطح آسیب برسد.میتوان گفت که بیشتر فلزات خیلی راحت اکسید میشوند زیرا میخواهند الکترون های خود را به اکسیژن های موجود در هوا بدهند.اکسیژن به محض کاهش با فلز موجب اکسید شدن میشود.
خوردگی شیمیایی میتواند به عنوان اکسیداسیون دیده شود و در اثر عمل گازهای خشک اغلب در دمای بالا رخ میدهد. از طرفی دیگر خوردگی الکتروشیمیایی توسط واکنش های الکترودی اغلب در محیط های مرطوب یعنی خوردگی مرطوب صورت میگیرد.
برای جلوگیری از خوردگی و اکسیداسیون نمیتوانید از حفاظت کاتدی استفاده کرد. برای این منظور میتوانید از پوشش ها و رنگ های ضد اسید استفاده کنید. رنگ مقاوم به اسید میتواند از خوردگی شیمیایی جلوگیری کند.
سرعت خوردگی فلزات در آب به عواملی مثل انتخاب فلز یا آلیاژ مناسب،عمق،درجه حرارت،میزان و نوع گاز های حل شده سرعت حرکت و عوامل بیولوژیکی آب بستگی دارد. آب به عنوان یک الکترولیت خوب همواره اصلی ترین دلیل برای زنگ زدن فلزات است.
منظور از فلزات سنگین عناصری با مشخصات فلزی و دارای وزن اتمی بالا است. عناصری که عدد اتمی آنها بالای 20 و پایین تر از 92 است. بیشتر فلزات توانایی اکسید شدن را دارند اما در بین آنها آهن بیشترین واکنش را با اکسیژن دارد و به راحتی زنگ میزند. اکسید شدن آهن ساختار آن را ضعیف کرده و باعث فروپاشی سازه میشود.
از آنجایی که خوردگی خاصیت فلز را دچار تغییر و تحول میکند باعث به وجود آمدن خسارت هایی به صورت مستقیم و غیر مستقیم در صنعت میشود.به عنوان مثال تجهیزات و ماشین آلات در اثر خوردگی تخریب شده و عمر مفید تجهیزات به پایان میرسد که این اتفاق در دسته بندی خسارات مستقیم قرار میگیرد.از جمله ی خسارات غیر مستقیم خوردگی فلز میتوان به هزینه تعمیرات و نگهداری تجهیزات و آلودگی محصولات به دلیل اثرات ناشی از خورده شدن فلز ها اشاره کرد.
سازمان جهانی خوردگی هزینه جهانی خوردگی را سالانه 2.5 تریلیون دلار تخمین میزند و بخش بزرگی از آن به میزان 25% – را میتوان با استفاده از تکنیک های پیشگیری ساده و کاملا درک شده از بین برد. با این حال پیشگیری از خوردگی نباید صرفا یک موضوع مالی در نظر گرفته شود بلکه باید سلامت و ایمنی را نیز در نظر گرفت. پل ها،ساختمان ها و کشتی ها در اثر خوردگی میتوانند باعث آسیب های جدی و مرگ شوند.
برای اینکار یک سیستم پیشگیری موثر در مرحله طراحی با درک مناسب از شرایط محیطی و خواص فلز آغاز میشود. مهندسان با کارشناسان متالورژی کار میکنند تا فلز یا آلیاژ مناسب را برای هر موقعیتی انتخاب کنند. آنها همچنین باید از فعل و انفعالات شیمیایی احتمالی بین فلزات مورد استفاده برای سطوح و اتصالات آگاه باشند.
چندین راه مقرون به صرفه برای جلوگیری ازخوردگی فلزات وجود دارد که در زیر به برخی از آنها اشاره میکنیم:
با اعمال رنگ ضد زنگ اپوکسی میتوانید از زنگ زدن آهن و سایر فلزات مشابه جلوگیری کنید. این رنگ عموما روی بیشتر درب ها قبل از اعمال رنگ اصلی قرار میگیرد و باید در نظر داشته باشید که علاوه بر استفاده از ضد زنگ با کیفیت و غلظت مناسب باید رنگ را در دو مرحله اجرا کنید تا از اکسید شدن فلز جلوگیری شود.
در پاسخ به این سوال باید بگوییم خیر. تمام فلزات خورندگی ندارند.فلزاتی که در سری واکنش پذیری بالاتر هستند به راحتی خورده میشوند زیرا پتانسیل اکسیداسیون آنها بالاست.از جمله این فلزات میتوان به آهن اشاره کرد.
هنگامی که فلز با ماده ی دیگری مانند اکسیژن،هیدروژن،جریان الکتریکی یا حتی باکتری واکنش نشان میدهد خورده میشود.زمانی که فلزاتی مثل فولاد تحت فشار بیش از حد قرار میگیرند که باعث ترک خوردن مواد میشود خوردگی نیز اتفاق می افتد.
عوامل زیادی بر خورندگی فلزات تاثیر دارند اما مهم ترین آنها فلزات راکتیو،درجه حرارت و وجود ناخالصی هاست.از طرفی دیگر دما،نوع یون ها،مقدار pH و پتانسیل الکتروشیمیایی تاثیر زیادی بر روند خوردگی میگذارند.
افزایش دما به افزایش تعداد مراکز فعال خوردگی روی سطح فلز کمک میکند و توسعه فرایند خوردگی را تسریع میبخشد.بنابراین حفاظت از محصولات فلزی،تجهیزات و سازه هایی که در دماهای بالا کار میکنند ضروری است.
هر چه قطعات فلزی طولانی تر در معرض هوای مرطوب قرار بگیرند معمولا سریع تر خورده میشوند. این نوع خوردگی اتمسفر زمانی اتفاق می افتد که میزان رطوبت هوا به رطوبت بحرانی برسد یعنی نقطه ای که آب دیگر تبخیر یا از جو جذب نمیشود.