خوردگی - عوامل موثر بر خوردگی فلزات

مقدمه ای بر خوردگی

پدیده خوردگی طبق تعریف ، واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی بین یک ماده ، معمولا یک فلز ، و محیط اطراف آن می باشد که به تغییر خواص ماده منجر خواهد شد. پدیده خوردگی در تمامی دسته های اصلی مواد ، شامل فلزات ، سرامیکها ، پلیمرها و کامپوزیتها اتفاق می افتد ، اما وقوع آن در فلزات آنقدر شایع و فراگیر بوده و اثرات مخربی بجای می گذارد که هرگاه صحبت از خوردگی به میان می آید ، ناخودآگاه خوردگی یک فلز به ذهن متبادر می شود.

• ثبت بیوگرافی و زندگینامه شما در گوگل!

خوردگی معمولا فرایندی زیان آور است ، لیکن گاهی اوقات مفید واقع می شود. بطور مثال آلودگی محیط به محصولات خوردگی و آسیب دیدن عملکرد یک سیستم از جنبه های زیان آور خوردگی و تولید انرژی الکتریکی در یک باطری و حفاظت کاتدی سازه های مختلف از فواید آن هستند ، اما تاثیرات مخرب و هزینه های به بار آمده بواسطه این فرایند به مراتب بیشتر است.

با نگاهی به آمار منتشر شده از خسارات مستقیم و غیر مستقیم خوردگی به اقتصاد کشورها می توان به هزینه های سرسام آور این پدیده پی برد. یک مطالعه دو ساله از 1999تا 2000 در آمریکا نشان داد که هزینه های مستقیم خوردگی 276 میلیارد دلار در سال بوده است که این رقم تقریبا 3.1% از تولید ناخالص داخلی آمریکا را تشکیل می دهد. از این رقم هزینه ای بالغ بر 137.9 میلیارد دلار به بخش صنعت که خود دارای زیرشاخه های مختلفی است مربوط می باشد.

در ایران نیز پدیده خوردگی خسارات قابل توجهی را در صنایع گوناگون بوجود آورده است. بر اساس برخی بررسی های غیر رسمی ، زیان اقتصادی مستقیم ناشی از خوردگی در ایران در سال 1373 حدود 5000 میلیارد ریال ، در سال 1375 حدود 9000 میلیارد ریال و در سال 1379حدود 27500 میلیارد ریال برآورد شده است.

جایگاه آکادمیک

هر چند دانش مهندسی خوردگی در برخی از دانشگاههای دنیا از زیر شاخه های علم و مهندسی شیمی بوده و ارتباط تنگاتنگی نیز با آن دارد ، در کشور ما سیاستگذاری در وزارت علوم ، تحقیقات و فناوری بگونه ای بوده است که مهندسی خوردگی ، از زیرشاخه های مهندسی مواد قرار داده شده است.

علم و مهندسی مواد که به شناخت ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی مواد مختلف ، روشهای ساخت آنها ، روشهای استحصال فلزات و مواد نوین می پردازد ، به لحاظ ساختار آکادمیک در کشور ما در مقطع کارشناسی دارای سه زیر شاخه مهندسی متالورژی صنعتی ، مهندسی متالورژی استخراجی و مهندسی سرامیک است.

در مقطع کارشناسی ارشد ، مهندسی مواد به زیرشاخه های انتخاب مواد مهندسی ، شکل دهی فلزات ، خوردگی ، استخراج فلزات ، سرامیک ، بیومواد ، ریخته گری و جوشکاری طبقه بندی شده است. با این توضیح مشخص است که برای تحصیل در رشته مهندسی خوردگی لازم است تا از مقطع کارشناسی در رشته مهندسی مواد آغاز کرد.

دانش خوردگی مواد ، بویژه فلزات همه صنایع را تحت تاثیر خود قرار داده و مهندسین این رشته همواره در تلاش هستند تا روشهای موجود برای مقابله با اثرات زیانبار این پدیده را بهبود بخشیده و یا روشهای نوینی برای این کار بیابند. از آنجا که گستره نفوذ خوردگی در صنایع بسیار وسیع است ، بنظر می رسد آشنایی با اصول و مبانی فرایند خوردگی و همچنین روشهای عمومی برای کنترل این پدیده برای همه مهندسین ضروری است.

تعریف خوردگی

خوردگی یک واکنش شیمیایی و یا الکتروشیمیایی مخرب بین سطح فلز و محیط اطراف آن می باشد. با توجه به اینکه از لحاظ ترمودینامیکی مواد اکسید شده نسبت به مواد در حالت معمولی در سطح پایین تری از انرژی قرار دارند ، بنابراین تمایل رسیدن به سطح انرژی پایین تر سبب اکسید (خورده) شدن فلز می گردد. با این توضیح می توان گفت که هیچگاه نمی توان به طور کامل از خوردگی جلوگیری نمود ، بلکه باید به نحوی میزان خوردگی را به حد قابل قبول رسانید.

خوردگی سبب به وجود آمدن زیان های فراوانی در کارایی سیستم های مختلف می گردد. علاوه بر خسارت های جانی از نظر اقتصادی نیز خسارت های فراوانی ایجاد می نماید. به طور کلی برای بررسی یک آلیاژ از نظر مقاومت در برابر خوردگی باید پارامترهای گوناگونی را مورد بررسی قرار داد ، اما شاید متداول ترین راه برای بررسی مسائل خوردگی و همچنین مقایسه فلزات مختلف با یکدیگر ، بیان نمودن سرعت و یا نرخ انجام واکنش خوردگی باشد. برای انجام این کار راهها و مقیاس های متفاوتی وجود دارد.

برای بیان سرعت خوردگی می توان درصد کاهش وزن را بر حسب میلیگرم بر سانتیمتر مربع بر روز (mdd) بیان نمود. البته این معیار چندان مناسب نمی باشد ، زیرا در اکثر موارد محصولات حاصل از واکنش خوردگی (اکسید و یا هیدروکسید فلز) بر روی سطح فلز می مانند و در حقیقت سبب افزایش وزن فلز بعد از انجام واکنش خوردگی می گردند. بنابراین معمولا به دلیل اهمیت بیشتر ضخامت قطعه ، از معیار هزارم اینچ در سال(mpy) استفاده می گردد ، یعنی در طول یک سال چه میزان از ضخامت جسم کاسته می شود.

خوردگی را می توان از نظر الکتروشیمیایی نیز مورد بررسی قرار داد. به طور کلی هر واکنشی را که بتوان به دو واکنش جداگانه آندی و کاتدی قسمت نمود ، واکنش الکتروشیمیایی می نامند. برای انجام واکنش خوردگی سه عامل آند (قسمتی که الکترون تولید می نماید و یا به عبارت دیگر اکسید می گردد) ، کاتد (قسمتی از فلز که الکترون می گیرد و یا واکنش احیا در آن صورت می گیرد) و در نهایت الکترولیت (مکانی برای برقراری اتصال یونی بین آند و کاتد) لازم می باشد. در حقیقت باید بین آند و کاتد هم اتصال الکتریکی (برای مبادله الکترون) و هم اتصال الکترولیتی (برای مبادله یون) برقرار باشد. با از بین بردن هر کدام از این اتصالات واکنش خوردگی نیز متوقف می گردد.

به عنوان مثال در واکنش خورده شدن روی در محیط اسیدکلریدریک محصول نهایی واکنش کلرور روی و گاز هیدروژن می باشد که از طریق واکنش زیر انجام می گردد :

Zn + 2 HCl →ZnCl₂ + H₂

به طور خلاصه می توان واکنش های اکسیداسیون و احیا را برای این واکنش به صورت زیر بیان نمود :

Zn → Zn⁺² + 2e^-
2H⁺ + 2e^- → H₂

در شکل زیر نمایی از چگونگی انجام واکنش خوردگی فلز روی در محلول اسید کلریدریک حاوی اکسیژن نشان داده شده است.

نمایی از چگونگی انجام واکنش خوردگی فلز روی در محیط اسید کلریدریک حاوی اکسیژن

نکته مهم در واکنش های اکسیداسیون و احیا سرعت انجام واکنش ها می باشد. طبق اصول سینتیکی باید سرعت انجام واکنش اکسیداسیون با سرعت انجام واکنش احیا برابر باشد. بنابراین با تحت کنترل قرار دادن هریک از این دو واکنش می توان سرعت انجام واکنش دیگر و در نتیجه سرعت انجام واکنش خوردگی را تحت کنترل درآورد.

از طرف دیگر اگر در سیستم خوردگی به جای یک عامل احیا چندین عامل احیا وجود داشته باشد ، به عنوان مثال در همان اسید کلریدریک اگر اکسیژن نیز وجود داشته باشد ، آنگاه دو واکنش احیا هیدروژن و واکنش احیا آب همزمان انجام خواهند شد. به این ترتیب به دلیل افزایش در میزان مصرف کننده های الکترون ، باید بر میزان سرعت تولید الکترون نیز افزوده گردد و به این دلیل سرعت خوردگی فلز روی افزایش خواهد یافت.

علاوه بر فاکتورهای محیطی و محیط خورنده ، بعضی فاکتورهای فلزی و متالورژیکی نیز در آغاز و نرخ پیشرفت واکنش های خوردگی تاثیرگذار می باشند. به عنوان مثال مرزهای دانه ، مرزهای دوقلویی ، ناخالصی ها و نابجائیها می توانند به دلیل داشتن انرژی بالاتر نسبت به نقاط اطراف خود به صورت آند موضعی درآمده و سبب آغاز فرایند خوردگی گردند.