خوردگی چیست؟ (Corrosion)

شایع­‌ترین، معروف­‌ترین و شناخته شده‌ترین نوع خوردگی، خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion) است. فرآیندهای خوردگی یکنواخت شامل بسیاری از پدیده‌های خوردگی است که در عمل مهندسی خوردگی و علم خوردگی با آن روبرو می‌شوند. اکثر این پدیده‌ها با خوردگی آبی یا گازی سروکار دارند.

این پدیده با یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی شناسایی می‌شود. این واکنش، به شکل یکنواخت در سرتاسر قطعه یا یک سطح بزرگ پیشروی می­‌کند.

در اثر این پدیده، فلز نازک شده و نهایتا تخریب می­‌شود.

به عنوان مثال، یک قطعه از آهن یا روی با سرعت یکنواختی در کل سطحش در اسید سولفوریک رقیق حل می­‌شود. گرچه از لحاظ فنی این نوع خوردگی باعث ایجاد نگرانی بزرگی نمی­‌شود، زیرا عمر قطعه را می­‌توان توسط آزمون‌­های خوردگی به گونه‌­ای دقیق تخمین زد. واکنشی شیمیایی که برای اتم‌های فلز خورده شده رخ می‌دهد به صورت زیر است:

Fe → Fe⁺² + 2e^–

به عبارت دیگر در طی واکنش‌های خوردگی اتم‌های فلزی به یون‌های فلزی تبدیل شده و وارد محلول می­‌شوند. شکل زیر خوردگی یکنواخت یک میخ فولادی را نشان می‌دهد.

از خوردگی یکنواخت می­‌توان توسط روش­‌های خاصی جلوگیری کرد یا سرعتش را کاهش داد. این روش‌­ها شامل استفاده از متریال یا مواد مناسب مانند پوشش­‌ها، بازدارنده­‌ها و حفاظت­‌کاتدی است.

مطلب مرتبط: حفاظت کاتدی

نوع شایع دیگر، خوردگی گالوانیک یا دوفلزی است. این نوع از خوردگی در اثر اختلاف پتانسیل بین دو فلز ناهمجنس رخ می‌دهد؛ زمانی که در یک محیط خورنده یا محلول رسانا قرار دارند.

اختلاف پتانسیل حتی روی سطح یک قطعه یا فلز نیز وجود دارد. علت آن حضور مرزدانه­‌ها با جهت ­گیری‌های متفاوت، ناخالصی‌ها و عیوب است. این اختلاف پتانسیل معمولا کوچک است و نمی‌تواند باعث خوردگی شدیدی شود. ولی فلز نامتجانس عموما اختلاف پتانسیل بیشتری اعمال می‌کند. این اختلاف پتانسیل باعث جریان یافتن الکترون‌ها می­‌شود.

در این حالت، فلزی که از نظر الکتروشیمیایی فعال‌تر است، دچار انحلال و از دست دادن اتم‌هایش می‌کند.

در پی خوردگی گالوانیک، خوردگی فلز مقاوم‌تر کمتر شده و خوردگی فلز کمتر-مقاوم در مقایسه با زمانی که دو فلز در اتصال با یکدیگر قرار ندارند بیشتر می­‌شود. فلز کم‌تر- مقاوم آند و فلز  مقاوم‌ ­تر نقش کاتد را بازی می­ کند.

ویدئو زیر را در ارتباط با خوردگی گالوانیک و اینکه خوردگی چیست مشاهده بفرمایید.

از آنجا که جریان الکتریکی و دوفلز ناهمجنس یا غیر متشابه درگیر هستند، این خوردگی گالوانیک (برقی) یا دو فلزی نامیده می­‌شود. نیروی محرکه جریان و خوردگی اختلاف پتانسیل بین دوفلز است. آنچه به عنوان پیل خشک شناخته می‌­شود مثال خوبی از پدیده مذکور است.

الکترودکربنی به عنوان یک فلز نجیب یا مقاوم به خوردگی و روی به عنوان آند عمل می­‌کند و خورده می‌­شود. خمیر مرطوب بین الکترودها محیط رسانایی است که حامل جریان است. منیزیم نیز به عنوان آند استفاده می­‌شود.

برای بررسی واضح تر خوردگی گالولانیک و شناخت اینکه خوردگی چیست به تصویر زیر توجه کنید.

اختلاف پتانسیل بین فلزات تحت شرایط برگشت پذیر یا غیر خورنده اساس پیش بینی تمایل به خوردگی را شکل می‌­دهد. پتانسیل بین فلزاتی که در معرض محلول­‌هایی که شامل یک گرم اتمی از یون هایشان هستند در یک ثابت اندازه گیری می‌­شود. شکل زیر چنین جدولی را نشان می‌دهد که به جدول نیروی الکتروموتوری یا  emf معروف است.

به جهت ساده‌سازی تمامی پتانسیل­‌ها نسبت به ⁺H₂/H که صفر در نظر گرفته می­‌شود سنجیده شده‌­اند. پتانسیل بین فلزات با درنظر گرفتن اختلاف مطلق بین پتانسیل emf شان  تعیین شده است. به عنوان مثال پتانسیل 0.462 ولت بین الکترودهای برگشت پذیر مس و نقره و 1.1 ولت بین الکترودهای برگشت پذیر مس و روی برقرار است.

در دنیای واقعی، زوج‌های گالوانیکی به ندرت در محیط حاوی یون­‌هایشان قرار دارند. اما از آنجا که بیشتر مواد مهندسی آلیاژ هستند، زوج‌های گالوانیکی شامل یک (یا دو) آلیاژ فلزی می­‌شوند. تحت این شرایط سری گالوانیک زیر می­‌تواند برای پیش بینی ارتباط‌­های گالوانیکی موثر باشد.

طبیعت و خوردگی محیط میزان خوردگی دوفلزی را تا حد زیادی می­‌تواند مشخص کند. معمولا فلز با مقاومت کمتر نسبت به محیط خورنده‌اند و فلز با مقاومت بیشتر کاتد می­‌شود. گاهی اوقات، پتانسیل برای زوج فلزی برعکس می­‌شود. جدول زیر رفتار متفاوت روی و فولاد را در محیط‌های مختلف نمایش می‌­دهد.

معمولا روی و فولاد هر دو در محیط خورده می‌شوند. ولی وقتی که در کنار یکدیگر قرار می­‌گیرند یا زوج می­‌شوند، روی خورده شده و فولاد محافظت می­‌شود. در موردی استثنایی مثل آب‌های خانگی در دماهای بیش از  ◦180 فارنهایت، این زوج برعکس می­‌شود و فولاد آند می­‌شود.

محصولات خوردگی فلز روی باعث می­‌شوند که مانند یک فلز نجیب‌تر از فولاد عمل کند. همچنین Haney نشان داده است که روی در حضور یون­‌های بازدارنده مانند نیترات­‌ها، بی کربنات‌ها، و کربنات­‌ها در آب کمتر فعال می­‌شود.

تانتالوم نیز یک فلز مقاوم به خوردگی است که نسبت به پلاتین و کربن آند است. اما این سل در دماهای بالا فعال است. به عنوان مثال، برای زوج تانتالوم-پلاتین تا دما به ^◦ 110 سانتی گراد نرسد جریان برقرار نمی‌­شود و جریان 100mA/ft در^◦265 سانتی گراد جاری می‌­شود.

تانتالوم نسبت به آهن با درصد سیلیکون بالا در اسید سولفوریک قوی کاتد است، اما جریان به سرعت به صفر می­‌رسد. زیرا، در دمای ^◦145 سانتی گراد پلاریتی (قطبیت) سل برعکس می‌­شود. تانتالوم نباید در تماس با فلزات آندی باشد، چرا که هیدروژن کاتدی را جذب می­‌کند و ترد می­‌شود.

خوردگی گالوانیکی در  اتمسفر هم رخ می­‌دهد. شدت خوردگی بسیار به نوع و میزان رطوبت دارد. برای مثال، خوردگی در نزدیکی ساحل بیشتر از اتمسفر خشک است. میعانات بوجود آمده در محیط ساحل دارای نمک بیشتری هستند و جریان الکتریکی را به راحتی هدایت می­‌کنند و الکترولیت بهتری است نسبت به آنچه که در محیط‌­های خشک پدید می‌­آید.

آزمون­‌های اتمسفری نشان داده است که روی نسبت به فولاد آند است، اما قلع و نیکل همیشه کاتد هستند و آلومینیوم رفتاری متفاوت دارد. زمانی که فلزات در محل خشک قرار دارند خوردگی گالوانیک رخ نمی­‌دهد، زیرا الکترولیتی برای حمل بار بین دو الکترود وجود ندارد. در آب­‌های با مقاومت بالا یا کاملا خالص، حمله خوردگی می‌­تواند یک شیار عمیق باشد. خوردگی دوفلزی با حملات موضعی نزدیک اتصالات رخ می‌­دهد.

حملات خوردگی به سبب خوردگی دوفلزی (گالوانیک) در نزدیکی اتصالات بیشتر است و با دور شدن از آن‌ها کمتر رخ می­‌دهد. اثر فاصله به هدایت محلول بستگی دارد. زمانی که مسیر طولانی‌­تر است بالطبع، مقاومت بیشتری برای انتقال بار وجود دارد.

فاکتور مهم دیگر در خوردگی گالوانیکی اثر سطح است، یا نسبت سطح کاتدی به آندی. سطحی که برای ما دردسر ساز است سطحی است با نسبت زیاد کاتد به آند. برای یک جریان مشخص در سل، دانسیته جریان برای یک الکترود کوچک‌تر، در ناحیه آندی بزرگ تر است. هرچه دانسیته جریان آندی بزرگ‌تر باشد، نرخ خوردگی بیشتر است. خوردگی ناحیه آندی ممکن است 100 تا 1000 برابر بیشتر از زمانی باشد که آند و کاتد از لحاظ سطح برابر هستند.

سری گالوانیک اشاره می‌کند که آهن نسبت به مس آند است و بنابراین زمانی که با آن در تماس است سریع­‌تر خورده می‌­شود. این اثر زمانی که سطح کاتد از سطح آند خیلی بزرگ­‌تر است تشدید می­‌شود. شکل‌های زیر نتایج حاصل از نگهداری میخ پرچ فولادی در تماس با یک قطعه مسی در محلول کلریدسدیم 3درصد را در زمان‌های مختلف نشان می‌­دهد.

همانگونه که مشاهده می‌شود با گذشت زمان میخ های فولادی به شدت خورده می‌شود. گرچه، در شرایط معکوس زمانی که سطح آهن بسیار بزرگ‌تر از مس است، خوردگی آهن فقط کمی تشدید می­‌شود.

بنابراین انتشارحفره‌ها بر روی سطوح فلزی پاسیو، حملات شدیدی که در شیارهای پیش آمده از هم‌پوشانی دوفلز ایجاد می­‌شود. همچنین تخریبی که در آن دو فلز با یکدیگر واکنش می‌دهند و شکاف ایجاد می‌کنند، و تخریب رشته مانند (filiform) سطوح فلزی که با لایه­‌های نازک آلی پوشانده شده است، ناشی از تفاوت در متالورژی آلیاژها و به دلیل شیمی موضعی متفاوت محیط است.

یک خوردگی موضعی شدید که معمولا بین شیارها و یا دیگر سطوح پوشش داده شده فلز، که در معرض خورنده‌­ها هستند ایجاد می‌شود، خوردگی شیاری نامیده می­‌شود.

این مدل خوردگی عموما با حجم­‌های کوچکی از محلول ساکن مرتبط است؛ که به واسطه حضور سوراخ‌­ها، واشرها، سطوح همپوشانی شده، رسوب سطوح، شیارهای زیر پیچ و سر میخ پرچ‌ها ایجاد می‌شود.

نام دیگر این پدیده، خوردگی واشری یا رسوبی است.

تا کنون، اینگونه تصور می‌­شد که خوردگی شیاری از تفاوت در یون­ها یا غلظت اکسیژن بین شیار و محیط اطرافش پدید می‌آید. متعاقبا واژه پیل غلظتی نیز برای این نوع خوردگی استفاده می­‌شد. اخیرا اثبات شده که گرچه تفاوت غلظت یون­‌ها و اکسیژن در خوردگی شیاری وجود دارد، عامل پایه­‌ای نخواهد بود.

برای آشکار شدن مکانیزم خوردگی، صفحه پرچ شده فلز M را در نظر بگیرید که در محلول آب دریای هوادهی شده (pH7) غوطه ور شده است. واکنش نهایی شامل انحلال فلز M و احیای اکسیژن به یون­‌های هیدروکسید است.

واکنش اکسیداسیون

  ^–M →M²⁺ + 2e

واکنش احیا

^–O₂+ 2H₂O+2e^– → 4OH

در ابتدا این واکنش­ها به صورت یکنواخت در سرتاسر سطح صورت می‌­گیرد که شامل منطقه درون شیار هم می‌­شود. همچنین، تعادل بار در فلز و محلول برقرار می­‌شود.

هر الکترونی که حین تشکیل یون­‌های فلزی تولید می­‌شود، سریعا توسط واکنش احیای اکسیژن مصرف می‌شود. همچنین، یک یون هیدروکسید به ازای هر یون در محلول تولید می­‌شود. پس از یک زمان کوتاه، اکسیژن درون شیار به علت جا به جایی محدود محلول تمام شده و احیای اکسیژن در این ناحیه متوقف می­شود.

این اتفاق به نوبه خود تغییری در رفتار خوردگی به وجود نمی‌آورد. از آنجایی که ناحیه بین یک شیار معمولا در مقایسه با سطح بیرونی، خیلی کوچک است، در نرخ کلی احیای اکسیژن تقریبا تغییری به وجود نخواهد آمد. بنابراین، نرخ خوردگی داخل و خارج شیار یکسان باقی می­‌ماند.

 اتمام اکسیژن درون شیار یک اثر غیرمستقیم پراهمیت دارد. زمانی که اکسیژن تمام می‌­شود، احیای اکسیژن در آن ناحیه صورت نمی‌گیرد. ولی خوردگی ادامه می‌­یابد و ناحیه درون شیار دارای میزان زیادی بار مثبت می­‌شود.

این بار مثبت ایجاد شده یون­‌های کلرید را به سمت خود کشیده تا تعادل بار برقرار شود. این مسئله باعث تشکیل میزان قابل توجهی کلریدهای فلزی درون شیار می‌­شود.

به استثنای فلزات قلیایی، کلریدها و سولفات­های فلزی در آب هیدرولیز شده و تشکیل HCl و هیدروکسید فلزی می‌­دهند. مکانیزم مذکور در شکل زیر به نمایش گذارده شده است.

هیدرولیز نمک فلزی

M⁺Cl^– +H₂O → MOH +HCl

اسید تشکیل شده در شیار باعث ادامه یافتن فرآیند خوردگی شده و واکنش انحلال فلز درون شیار ادامه می‌یابد.

تصویر زیر، “خوردگی زیر رسوبی”، ناشی از رسوب محصولات خوردگی و تشکیل پوسته‌های معدنی را نشان می‌دهد. این مورد بر روی سطوح داخلی لوله­‌های خطوط آتش نشانی ایجاد شده است.

نوع دیگری از خوردگی، خوردگی موضعی شدید است که باعث ایجاد سوراخ در فلز می­‌شود. قطر سوراخ‌ها می­‌تواند بزرگ یا کوچک باشد، اما در بیشتر موارد نسبتا کوچک هستند.

حفره­­‌ها گاهی به صورت مجزا هستند، یا خیلی نزدیک به یکدیگر و می‌توانند شبیه یک سطح ناهموار شوند. یک حفره می­­‌تواند به عنوان یک فضای خالی یا سوراخ تعریف شود که قطر سطحی آن برابر یا بیشتر از عمقش باشد.

شکل زیر حفره دار شدن پروانه‌ی یک پره کمپرسور است و آثار این خوردگی را مشخص می کند.

توسط ناخالصی­‌ها در مرزدانه ‌ها، غنی شدن از یک عنصر یا خالی شدن از آن پدید می‌­آید. درصد کمی از آهن در آلومینیوم، جایی که انحلال آهن کم است، می‌تواند در مرزدانه‌­ها جدایش بوجود آورد. این باعث خوردگی بین­ دانه‌ای می‌شود.

گونه دیگری از این خوردگی هنگام تخلیه مرزدانه­‌های فولاد زنگ ­نزن از کروم دیده می‌شود. شکل زیر حساس شدن مرزدانه­‌های فولاد زنگ نزن را به علت تشکیل کاربید کروم در مرزدانه‌های فولاد نشان می‌دهد.

جدا شدن فلز از آلیاژ جامد، توسط پروسه خوردگی است. اگر بخواهیم درباره این نوع خوردگی بدانیم، می‌توانیم به معروف­ترین نوع آن که جدایش روی از برنج (زدایش روی) است اشاره کنیم.

پروسه مشابهی در سیستم‌های آلیاژی دیگر اتفاق می­‌افتند که درآن­‌ها آلومینیوم، آهن، کبالت و کروم جدا می­‌شوند.

شدت گرفتن و افزایش نرخ تخریب روی سطح فلز به علت حرکت نسبی یک سیال خورنده و سطح فلز است. عموما این حرکت کاملا کند است و همراه با سایش مکانیکی و خراش است.

فلز به صورت یون آهن حل شده از سطح جدا می­‌شود، یا محصولات جامد خوردگی را تشکیل می­‌دهد و به صورت مکانیکی از روی سطح روبش می­‌شوند.

• ترک خوردگی ناشی از خوردگی (SCC)
• خوردگی هیدروژنی(اغلب به عنوان شکست هیدروژنی نامیده می‌شود).

این دو پدیده شباهت های زیادی به یکدیگر دارند. به عنوان مثال، هر دو پدیده به طور کلی به تنش تسلیم و تنش اعمال شده بستگی دارد.

با افزایش هر دوی این عوامل، مقاومت در برابر SCC، خوردگی هیدروژنی، تردی فلز مذاب و ترید فلزات جامد کاهش می‌یابد.

نوع دیگری از خوردگی است که در پی اثر همزمان تنش کششی و محیط خورنده رخ می­‌دهد. بسیاری از محققین تمام تخریب‌های ناشی از ترک را که در محیط‌های خورنده رخ می‌دهد، SCC می‌نامند مثل تخریب به سبب تردی هیدروژنی.

به عنوان مثال، حفاظت کاتدی روش خوبی برای جلوگیری از SCC است ولی باعث تردی هیدروژنی می­‌شود.