خوردگی چطور اتفاق می‌افتد؟

خوردگی یا زنگ ‌زدگی (Corrosion)، پروسه‌ای است که باعث تبدیل فلز خالص‌شده به مدل‌های شیمیایی نظیر اکسید، سولفید یا هیدروکسید می‌شود. این پروسه در اکثر مواقع به دلیل از بین بردن مواد کاملا مضر است؛ اما در مواردی نیز مفید واقع می‌شود. به‌عنوان‌مثال، آلودگی محیط با محصولات خوردگی و اختلال در عملکرد سیستم‌ها از مضرات خوردگی است و تولید انرژی الکتریکی در باتری و مراقبت کاتدی سازه‌های گوناگون از فواید آن محسوب می‌شود. در کل، مضرات خوردگی بیشتر از فواید آن است. در ادامه مطلب، هرآنچه که درباره فرآیند خوردگی انواع آهن آلات باید بدانید را قید کرده‌ایم. با ما همراه باشید.

خوردگی چیست؟

خوردگی به واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی میان یک ماده اغلب فلزی با محیط اطراف آن گفته می‌شود که در این فرآیند، خواص ماده تغییر می‌کند. فرآیند خوردگی در همه گروه‌های اصلی مواد از فلزات و سرامیک‌ها گرفته تا کامپوزیت‌ها و پلیمرها انجام می‌گیرد؛ اما در فلزات شایع‌تر است. به‌طورکلی، پدیده خوردگی اثرات مخربی بر روی فلزات به جای می‌گذارد و باعث تخریب تدریجی آن‌ها می‌شود. البته شایان ذکر است، خوردگی فلزات معمولا بر اثر واکنش‌های الکتروشیمیایی و مبادله الکترون اتفاق می‌افتد و کمتر شاهد واکنش شیمیایی آن با محیط اطراف هستیم.

چرا توجه به خوردگی مهم است؟

خوردگی از منظر ایمنی و اقتصادی حائز اهمیت است. این فرآیند در صورت عدم کنترل باعث تحمیل هزینه‌های سنگین می‌شود. برای مثال، از کار افتادن لوله‌های یک پالایشگاه در اثر خوردگی خسارات مالی زیادی به بار می‌آورد. علاوه بر این، ریزش ناگهانی سازه‌ها به دلیل وقوع خوردگی یک تهدید جدی ایمنی محسوب می‌شود که بر اثر آن، جان صدها و حتی هزاران نفر به خطر می‌افتد. در سال 1988 بود که یک کابین هواپیما در کانادا به یک‌باره منهدم شد و همه مسافران آن جان باختند؛ دلیل این اتفاق، انفجار لوله‌های گاز به دلیل خوردگی عنوان شد. به این ترتیب، مبحث خوردگی بسیار مهم است و مهندسین فعال در این حوزه باید مکانیزم‌های جلوگیری از آن را بکار بگیرند تا درنهایت، از تحمیل هزینه‌های مالی و جانی جلوگیری کنند.

خوردگی چگونه رخ می‌دهد؟

خوردگی در اکثر فلزاتی که در معرض محیط خورنده قرار دارند طی یک سری واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد. در واکنش‌های الکتروشیمیایی، دو نیم واکنش به شکل همزمان اتفاق می‌افتد. در یک واکنش، الکترون ساخته و در دیگری استفاده می‌شود. به عبارتی، برای وقوع خوردگی باید یک مدار کامل الکتروشیمیایی در دسترس باشد. همچنین، از عناصر تشکیل‌دهنده مدار الکتروشیمیایی می‌توان به آند (عنصر دهنده الکترون)، کاتد (عنصر مصرف‌کننده الکترون) و مسیر هدایت الکترون اشاره کرد. مسیر انتقال یا هدایت الکترون در سیستم‌های خوردگی همان الکترولیت و به تعریفی، محیط خورنده است. در صورت عدم وجود هریک از این عناصر، پدیده خوردگی اتفاق نمی‌افتد.

انواع خوردگی

تا اینجا متوجه پدیده خوردگی و چرایی آن شدید. حال نوبت به بررسی انواع خوردگی رسیده است. فرآیند خوردگی ازنظر شکل ظاهری و مکانیزم پدید آمدنش دسته‌بندی جداگانه‌ای دارد و به چندین نوع تقسیم می‌شود. در قسمت زیر، با انواع خوردگی ازلحاظ شکل ظاهری و مکانیزم به وجود آمدنش آشنا خواهید شد:

خوردگی شیاری

خوردگی شیاری در بخش داخلی شیارها و قسمت‌هایی از سطح فلز که الکترولیت در آن گرفتار می‌شود، اتفاق می‌افتد. به‌عنوان‌مثال، زمانی که یک قوطی فلزی را بر روی سطحی نظیر کاشی قرار می‌دهید پس از مدتی، نشانه‌های کف قوطی بر روی زمین به جای می‌ماند. چنین اتفاقی به این دلیل است که در ناحیه میان قوطی و زمین یک شیار کوچک به وجود می‌آید و آب در این منطقه به دام می‌افتد که در این حالت، خوردگی تشدید می‌شود.

خوردگی یکنواخت

خوردگی یکنواخت رایج‌ترین نوع خوردگی است که توسط یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی به شکل یکنواخت در کل سطحی که در مجاورت محیط خورنده قرار دارد، رخ می‌دهد. خوردگی و زنگ‌زدگی میزها و نیمکت‌های فلزی پارک‌ها که در معرض عوامل خورنده و رطوبت قرار دارند، مثالی از خوردگی یکنواخت است. درضمن، این خوردگی را به راحتی می‌توان تشخیص داد و حتی پیشگیری از آن نیز کار ساده‌ای است؛ بر همین اساس، خوردگی یکنواخت جزو خوردگی‌های خطرناک امروزی محسوب نمی‌شود.

خوردگی گالوانیکی

خوردگی گالوانیکی در مواقعی که دو فلز غیر همجنس در تماس باهم در مجاورت محیط خورنده قرار می‌گیرند، اتفاق می‌افتد. در چنین حالتی، فلزی که مقاومت بهتری در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد، کاتد و فلز دارای مقاومت کمتر، آند می‌شود و خوردگی شدیدی در آن رخ می‌دهد. درضمن، نیروی محرکه در آغاز خوردگی گالوانیک، اختلاف پتانسیلی است که میان فلزات وجود دارد.

خوردگی حفره‌ای

خوردگی حفره ‌ای از شدیدترین و خطرناک‌ترین خوردگی موضعی است که می‌تواند فلز را سوراخ کند. حفره‌هایی که به دلیل این خوردگی بر روی سطوح فلزات به وجود می‌آیند، اغلب بسیار ریز و کوچک هستند و تشخیص آن‌ها سخت است. به این ترتیب، خوردگی حفره‌ای غالبا به شکل ناگهانی ایجاد می‌شود و هنگامی هم پی به وجود آن می‌برند که دیگر نمی‌توان جلویش را گرفت. بعلاوه این خوردگی خسارات زیادی به بار می‌آورد.

خوردگی شکافی

خوردگی شکافی یک مدل خوردگی الکتروشیمیایی موضعی است که در شکاف‌ها و بخش زیرین سطوح فلزی دارای پوشش (به عنوان لایه محافظت‌کننده) در نواحی که محلول‌های راکد وجود دارند، رخ می‌دهد. شایان ذکر است، این خوردگی معمولا در آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم و فولاد زنگ نزن اتفاق می‌افتد. همچنین، مکانیزم خوردگی شکافی شباهت زیادی به خوردگی حفره‌ای دارد. این خوردگی غالبا در زیر میخ پرچ‌ها، پین‌ها، واشرها، دریچه شیرها، یاتاقان‌ها و... صورت می‌گیرد.

خوردگی تنشی

خوردگی تنش نتیجه اثرات هم‌زمان تنش‌های مکانیکی فضای خورنده بر روی فلزات است. تنش‌های مکانیکی می‌تواند بر اثر تنش‌های داخلی (پسماند) یا خارجی انجام بگیرد. تنش پسماند نیز در سطح بالا می‌تواند از تنش‌های حرارتی ناشی از خنک‌سازی سریع و غیر یکنواخت، طراحی مکانیکی ضعیف، تبدیل فاز در زمان عملیات حرارتی، شکل‌دهی سرد و جوشکاری باشد.

سایر انواع خوردگی

از سایر انواع خوردگی می‌توان به خوردگی بین دانه‌ای، خوردگی سایشی و فرسایشی، خوردگی غلظتی، خوردگی روی زدایی و خوردگی میکروبی اشاره کرد. خوردگی بین دانه‌ای که در مرز دانه‌ها صورت می‌گیرد یک نوع خوردگی موضعی است. در این فرآیند، مرز دانه‌ها آخرین نواحی هستند که در آن‌ها انجماد رخ می‌دهد. ضمنا، مرز دانه‌ها، آند و سطح آن‌ها، کاتد می‌شود. خوردگی سایشی و فرسایشی نیز از دیگر مدل‌های خوردگی هستند که طی فعل‌وانفعالاتی اتفاق می‌افتند. خوردگی سایشی با حرکت سیال شدت بیشتری پیدا می‌کند و خوردگی فرسایشی هم به دلیل حرکت نسبی یکی از دو ماده در تماس با هم رخ می‌دهد.

خوردگی غلظتی که به آن خوردگی زیر رسوبات هم گفته می‌شود انواع مختلفی دارد. خوردگی اکسیژن یکی از مدل‌های غلظتی است که به دلایلی نظیر پوشیده شدن سطوح اجسام توسط گل و وجود لاستیک حلقوی ایجاد می‌شود. خوردگی روی زدایی به عنوان یکی دیگر از انواع خوردگی در آلیاژهای مس-روی رخ می‌دهد. خوردگی میکروبی هم همان‌طور که از نامش پیداست به دلیل وجود موجوداتی همچون باکتری‌ها صورت می‌گیرد. میکروب‌ها با مکانیزم‌هایی نظیر مصرف اکسیژن و تولید اسید شرایط لازم را جهت تشدید خوردگی به وجود می‌آورند.

بدترین و خطرناک‌ترین نوع خوردگی کدام است؟

خوردگی‌های موضعی همچون خوردگی حفره‌ای به عنوان بدترین و خطرناک‌ترین نوع خوردگی شناخته می‌شوند. این دسته از خوردگی‌ها، تغییرات اساسی را در ساختار فلزات ایجاد می‌کنند و کیفیت آن‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهند. این شکل‌دهی نامطلوب محصولات با حفره‌های متعدد ریز عملا کارایی آن‌ها را گرفته و خسارات قابل‌توجهی را به بار می‌آورد. ازآنجایی‌که تشخیص خوردگی‌های حفره‌ای نیز بسیار سخت است نمی‌توان از وقوع آن‌ها جلوگیری کرد.

چه عواملی در خوردگی موثر است؟

از عوامل موثر در خوردگی می‌توان به دما، اختلاف پتانسیل، خواص فلزی، عوامل مکانیکی، ناخالصی‌ها و شرایط محیطی، تشعشع، زمان و تنش اشاره کرد. این عوامل هر یک به نوبه خود بر میزان و شدت خوردگی فلزات اثر می‌گذارند و حتی سرعت خوردگی هم به آن‌ها بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال، افزایش درجه حرارت مقدمات تسریع خوردگی را فراهم می‌کند. همچنین، منظور از ناخالصی‌ها و شرایط محیطی عواملی همچون رطوبت است. رطوبت، الکترولیتی را جهت ایجاد محیط آندی و کاتدی فراهم می‌کند. از سوی دیگر، نمک‌ها و ناخالصی‌ها نیز بر سرعت خوردگی فلزات می‌افزایند؛ چراکه زمینه ایجاد محلول الکترولیتی را مهیا می‌کنند که در بستر آن، تبادل الکترون میان مواد حاضر در خوردگی آسان‌تر رخ می‌دهد.

سرعت خوردگی چیست و چطور محاسبه می‌شود؟

سرعت خوردگی را می‌توان با ابزارهای مختلف ارزیابی کرد. درواقع، این سرعت با روش‌های غیر الکتروشیمیایی یا آزمون‌های الکتروشیمیایی به دست می‌آید. روش‌های الکتروشیمیایی بر پایه الکترون‌های تبادل‌شده در سیستم، جریان خوردگی را سنجش می‌کنند و بر اساس آن، نهایتا سرعت خوردگی حاصل می‌شود. از این روش‌ها می‌توان به آزمون امپدانس، پلاریزاسیون و... اشاره کرد. در روش‌های غیر الکتروشیمیایی نیز سرعت خوردگی را می‌توان بر مبنای مقدار کاهش وزن فلز، میزان یون فلزی اضافه‌شده به محلول، مقدار گاز خارج‌شده یا تغییر ضخامت آن حساب کرد.

چطور می‌توان از خوردگی پیشگیری کرد؟

برای پیشگیری از خوردگی‌های مختلف از خوردگی شیمیایی و خوردگی الکتروشیمیایی گرفته تا خوردگی محیطی و خوردگی صنعتی باید اقدامات لازم توسط مهندسین انجام بگیرد. این اقدامات با هدف کاهش چشمگیر خوردگی در دستور کار افراد قرار می‌گیرد. برای نمونه باید از مواد مقاوم‌تر، مدل طراحی و تکنیک‌های پوشش‌دهی حرفه‌ای استفاده کرد. علاوه بر این، باید تجهیزاتی که در معرض خوردگی قرار دارند به صورت مرتب بررسی شوند تا هرگونه خوردگی و زنگ‌زدگی در ساختار آن‌ها سریعا تشخیص داده شود. با این سری کارها می‌توان از بروز خوردگی تا حد قابل‌توجهی پیشگیری کرد.