همه چیز درباره انواع خوردگی

در لغت‌نامه دهخدا خوردگی به معنای از بین رفتن قسمتی از ماده‌ای است و در کلمات مترادف واژگانی چون سایش، ساییدگی، فرسایش و فرسودگی نیز گفته شده است. معمولا زنگ زدگی را به عنوان خوردگی فلزات اطلاق می‌دهند. البته اصطلاح سیاه شدن هم که گاه در فلزات نقره، استیل و طلا نیز رخ می‌دهد، بین مردم رواج دارد. اما در فرهنگ لغات تخصصی از این اصطلاح به‌عنوان فرآیندی که باعث تخریب مواد است، نام برده می‌شود. زنگ زدن و  rusting برای آهن و فولاد و خوردگی یا corrosion برای تمام مواد استفاده می‌شود. این فرآیند حالتی است که بین محیط و مواد خورنده شده رخ می‌دهد. معمولا تحلیل و تخریب را به عنوان خوردگی در نظر می‌گیریم. البته نه هر تحلیل و تخریبی را بلکه خوردگی‌هایی که دلیلی غیر از دلیل مکانیکی داشته باشند را تعریف خواهیم کرد. در این مقاله به توضیح انواع خورندگی فلزات خواهیم پرداخت.

تاریخچه فلزات

در حقیقت خوردگی تاریخچه‌ای به اندازه بشریت دارد. اولین فلزی که به دست بشر کشف شد مس بود؛ مس در طبیعت به صورت رگه‌های خالص قابل رویت بود و شاید در یک اتفاق مثل جشن با ذوب شدن سنگ‌ها و گداخته شدن مس توسط انسان کشف شد. مس انعطاف‌پذیر بود اما استحکام زیادی نداشت. با کشف مفرغ بشر مس و مفرغ را با هم ترکیب و از آن برای ساخت نوک پیکان نیزه‌ها استفاده می‌کرد. اما اولین خوردگی‌ها را بشر در سبز شدن مفرغ مشاهده کرد. 

با کشف آهن که فلز مقاوم‌تری بود، انسان توانست به پیشرفت قابل ملاحظه‌ای دست پیدا کند؛ اما از همان هنگام تخریب و خوردگی آهن را نیز تجربه کرد. برای شاهد این فرضیه می‌توان به دست نوشته‌های پلینی فیلسوف یونانی اشاره کرد که می‌نویسد چرا آهن فاسد می‌شود یا هردوت که برای استحکام بیشتر آهن و جلوگیری از خوردگی پیشنهاد ترکیب مفرغ و آهن را می‌دهد. ثابت شده است در طول سالیان متمادی نگاه انسان به این فرآیند امری تجربی بوده و نه علمی! ترکیب رگه‌های طلا با آهن و ذوب کردن آهن به شیوه‌های مختلف برای استحکام بیشتر آن نمونه‌هایی از تجربی بودن روش‌ها در برابر خوردگی است. برای مثال در ادبیات فارسی نمونه‌های زیادی را می‌توان برای جلوگیری از این مشکل مشاهده نمود که در ادامه چند نمونه ذکر می‌شود.

• جوشکاری و لحیم‌کاری

استفاده از فناوری جوشکاری به درستی روشن نیست اما آن‌چه از ادبیات فارسی می‌توان گواه گرفت، لغت brazing است که ریشه در کلمه فارسی بریزه دارد اینطور معنا شده است: «بریزه به کسر اول و ثالث بر وزن سفیده چیزی که رویگران به جهت لحیم کردن و وصل نمودن برنج و مس و امثال آن به کار برند.»

همچنین روانسار بوراکس که باعث می‌شود تا خوردگی در سیستم‌های آبی ایجاد نشود ریشه در کلمه بوره دارد که در برهان قاطع به آن اشاره شده است: «بوره بر وزن شوره چیزی است که مانند نمک و آن را زرگران به کار برند.»

از این دست اصطلاحات و واژگان که نشان از تجربی بودن محافظت از فلزات در جلوگیری از خوردگی است، بسیار زیاد است.

آستین دانشمند انگلیسی در سال 1788 اولین کسی بود که به پدیده خوردگی نگاه علمی داشت. او متوجه شد که آب در هنگام ترکیب با آهن از حالت خنثی به حالت قلیایی تبدیل می‌شود. در سال 1819 مقاله‌ای در یک مجله فرانسوی توسط یک نویسنده گمنام به نام تنارد چاپ شد که بیان می‌کرد خوردگی یک پدیده الکتروشیمایی است و این فکر در سال 1830 توسط دانشمندی به نام دلاریو گسترش پیدا کرد که اسید، فلز روی را با سرعت بیشتری نسیت به روی ناخالص دچار خوردگی می‌کند.

فارادی دانشمند دیگری بود که در سال 1834 تا 1840 روی این موضوع تحقیقاتی انجام داد. او رابطه بین فعالیت‌های شیمیایی و جریان‌های الکتریکی را کشف نمود و ضمن بیان این نکته که تخریب فلزات ماهیت الکتروشیمیایی دارد، گام بزرگی در شناخت خوردگی و ماهیت آن برداشت. در سال 1903 میلادی ویتنی دانشمند آمریکایی در مقاله‌ای مشخصه الکتروشیمیایی خوردگی را منتشر نمود که اصول علمی خوردگی را شرح می‌داد. در همان سال اولین آموزش‌ها درباره خوردگی توسط پرفسور واکر با عنوان مقاومت شیمیایی مواد شروع شد. در سال 1912 این موضوع به عنوان مواد ساختمانی تغییر نمود و توسط پرفسور لوییس تدریس آن انجام شد. در سال 1922 برای اولین بار موضوع خوردگی در انستیتوی ماساچوست با عنوان خوردگی توسط پرفسور ویتمن تدریس شد و در سال 1931 پروفسور ویلیامز از اعضاء دانشکده متالوژی تدریس موضوع خوردگی و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت را شروع نمود.

از سال 1906 میلادی انجمن آمریکایی آزمایش و مواد astm کمیته‌ای جهت هماهنگی و اجرای آزمایش‌های مخصوص خوردگی تشکیل شد که همزمان با شروع این اقدامات سازمان‌های دیگری نیز فعالیت‌های خود را در زمینه بررسی مسائل خوردگی و چگونگی تدوین راه‌های جلوگیری از خوردگی یا کنترل آغاز آن انجام نمود. در سال 1984 میلادی در سازمانی به نام انجمن ملی مهندسین خوردگی nace ادغام گردید. در ایران تدریس خوردگی به صورت درسی مستقل و تحت عنوان خوردگی در سال 1348 توسط مهندس رحیم زمانیان در دانشگاه صنعتی شریف آغاز شد.

خوردگی فلزات چیست؟

زمانی که فلزات طی یک فرآیند به عدد اصلی اکسایش خود برسند، خوردگی فلزات پیش می‌آید. با کمی چشم‌پوشی علمی می‌توان انتقال الکترونی از مولکول یون یا اتم به ملکول اتم یا یون دیگر را اکسایش دانست. در حقیقت اکسایش و کاهش همراه با هم هستند و این به آن خاطر است که فلزات تمایل دارند، آخرین لایه ظرفیت اتمی خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند. از لحاظ ترمودینامیکی می‌توان گفت موادی که دچار اکسیداسیون می‌شوند به نسبتی که مواد در حالت معمولی هستند، در سطح پایین‌تری از انرژی قرار می‌گیرند. به همین دلیل، یعنی تمایل به سطح پایین انرژی، باعث می‌شود مواد اکسیده و خورده شوند.

در خوردگی آهن ما با فرآیند اکسایش کاهش روبرو هستیم که در دو قسمت مختلف از قطعه آهن، نیم‌واکنش اکسایش و نیم‌واکنش کاهش اتفاق می‌افتد. به این دو قسمت بخش آندی و بخش کاتدی می‌گوییم. در مکانی از قطعه که غلظت اکسیژن کم باشد، قسمت آندی و بخشی که اکسیژن زیاد باشد، بخش کاتدی می‌گوییم. در زمان مواجه آهن با رطوبت، اکسیده شدن آهن و از دست دادن الکترون شکل می‌گیرد. الکترون‌ها از بین فلز آهن و از جهت بخش آندی به بخش کاتدی حرکت می‌کنند. در بخش کاتدی الکترون‌ها با آب و اکسیژن یک نیم‌واکنش کاتدی را شکل می‌دهند. 

در زمان انتقال الکترون‌ها از بخش آندی به بخش کاتدی یون آهن که از نیم‌واکنش آندی در قطره آب شکل گرفته، به طرف بخش کاتدی حرکت می‌کند و رسوب آهن fe(oh2) را به وجود می‌آورد. رسوب آهن در حضور آب و اکسیژن اکسایش و تبدیل به هیدروکسی آهن می‌شود. در آخر هیدروکسید آهن با از دست دادن آب، تبدیل به زنگ آهن می‌شود.

می‌توان گفت این فرآیند در یک نمای کلی برای تمامی مواد فلزی قابل تعریف است که طبق تعریفی کلی‌تر و جامع‌تر می‌توان نوشت خوردگی مکانیزمی است که به صورت طبیعی شکل می‌گیرد و فلزات خالص شده را به نوع پایدارتری از خود همانند اکسید هیدروکسید یا سولفید تبدیل می‌کند. این شکل از انهدام و دگرگونی نه تنها توسط حلال‌های آبی اتفاق می‌افتد، بلکه ترکیبات آلی، نمک‌ها، فلزات مذاب آمونیاک، گاز کلر، گازهای گوگردی نیز ممکن است سبب این اتفاق شوند.

جدول اکسیداسیون استاندارد

جدول اکسیداسیون درباره پیش‌بینی خوردگی است. در این جدول که از li شروع و به Au ختم می‌شود، هیدروژن را مرجع و فلزات بالای جدول را Ative و همچنین فلزات پایین جدول را noble یا نجیب در نظر می‌گیریم. فلزات میانه جدول را نیز paosive یا رویین می‌نامیم؛ هرچه به بالای جدول نزدیک‌تر می‌شویم فلزی که در جدول، بالای فلز دیگر قرار گیرد، آندی‌تر خواهد بود و فلزی که پایین‌تر در جدول قرار گیرد، نحیب‌تر کاتدی خواهد بود.

واحد میزان خوردگی

معمولا در خوردگی با کاهش وزن روبرو هستیم؛ مگر آن که خوردگی به دلیل اکسیده شدن باشد. برای میزان خوردگی سوالاتی مطرح می‌شود:

• میزان کاهش وزن این خوردگی چه مقدار بوده است؟ در بعضی از خوردگی‌ها بر اساس وزن از Mg, g,lb,kg استفاده می‌کنیم و می‌توانیم بر حسب درصد وزنی نیاز بیان نماییم.
• زمان این خوردگی‌ها را نیز باید بیان کرد. به عنوان مثال مدت زمان کاهش گرمی یک قطعه خورده شده چه مقدار است که این واحدها را براساس year-weak- day-hr بیان می‌نماییم.
• سوال دیگری که مطرح می‌شود این است که این کاهش وزن قطعه خورده شده مربوط به چه ابعادی می‌باشد؟ (منظور سطح میزان خوردگی قطعه است) در نظر داریم که برای اجسام حجیم میزان کل قطعه‌ای که با الکترولیت در ارتباط است را در نظر بگیریم واحد سطح عبارت است از mm cm in

میزان خوردگی را با واحد Corrosion Rate می‌سنجند که به اختصار با C.R بیان می‌کنند. همچنین میزان خوردگی را با mpy mil per year و ipy = inch per yearو mdd = mg,decimeter,day نشان می‌دهیم. البته باید عنوان کرد که این فرمول‌ها برای قطعه‌هایی است که یکسان خورده می‌شوند و در مورد خوردگی‌هایی مثل حفره‌ای این واحدها معنایی ندارند.

انواع خوردگی براساس علت

خوردگی به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شود. شکل رایج طبقه‌بندی خوردگی بر اساس شکل و ظاهر فلز خورده شده است. اما قبل از آن ما انواع خوردگی را بر اساس علت نیز بررسی می‌کنیم.

• شیمیایی

این نوع از خوردگی بین فلزی که شکل جامد باشد و یک مایع و یا گاز اتفاق می‌افتد. خوردگی شیمیایی در مکانی شروع می‌شود که فلز در معرض تنش قرار گرفته و یا در برابر گردش هوا عایق‌بندی نشده باشد. در این نوع اگر به دلیل تاثیرپذیری از گازهای خشک رخ دهد، به شکل خشک خواهد بود و اگر در محیط آلی باشد که خالی از آب است، خوردگی به صورتی اتفاق می‌افتد که جریان الکتریکی نقشی در آن نمی‌تواند داشته باشد.

• الکتروشیمیایی

عدم یکنواختی در فلز باعث این نوع خوردگی می‌شود. در این جا برای بهتر متوجه شدن خوردگی شیمیایی و الکتروشیمیایی به تفاوت آنها نگاهی می‌اندازیم:

• خوردگی شیمیایی فقط در حالت خشک اتفاق می‌افتد؛ اما خوردگی الکتروشیمیایی در محیط نم‌دار رخ می‌دهد.
• شیمیایی شامل خوردگی مستقیم محیط است؛ اما الکتروشیمیایی دارای تعداد زیادی پیل گالوانیگی است.
• شیمیایی با فرآیند جذب سطحی همراه می‌باشد؛ اما الکترو شیمیایی از فرآیند واکنش‌های الکتروشیمیایی پیروی می‌کند.
• شیمیایی تجمع خوردگی نقطه‌ای است؛ در حالی‌که در الکتروشیمیایی خوردگی در قطب آند رخ می‌دهد و تجمع خوردگی در قطب کاتد است.
• شیمیایی خوردگی به شکل یکنواخت است؛ اما در الکتروشیمیایی خوردگی به صورت حفره‌ای است.
• شیمیایی مکانیسم خوردگی زمان‌دار، کند و ریتم یکنواخت است؛ اما در الکتروشیمیایی خوردگی سریع و به صورت غیریکنواخت است.

• بیوشیمیایی

این نوع خوردگی ناشی از فعالیت باکتری‌ها یا موجودات زنده‌ای است که محیط اسیدی یا بازی خاصی ایجاد می‌کنند. معمولاً در محیط‌های صنعتی یا دریایی دیده می‌شود.

• فرسایشی

زمانی که سطوح فلزی به دلیل حرکت بر روی یکدیگر دچار ساییدگی می‌شوند، خوردگی فرسایشی به وجود می‌آید.

انواع خوردگی

به‌طور کلی، خوردگی به 2 دسته یکنواخت و غیریکنواخت تقسیم‌بندی می‌شود. در ادامه به انواع خوردگی‌های رایج فلزات می‌پردازیم. 

• خوردگی یکنواخت

خوردگی یگنواخت نوعی خوردگی معمول است که بر اثر یک واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی به‌طور یکنواخت سطح کامل فلز را در برمی‌گیرد. از مهمترین آن می‌توان به زنگ زدگی آهن یا میز و نیکمت‌ها داخل پارک‌ها اشاره کرد. معمولا راهکارهای زیادی برای جلوگیری از خوردگی یکنواخت وجود دارد.

• خوردگی غیریکنواخت

این خوردگی به‌طور ناهماهنگ و غیریکنواخت در فلزات پدید می‌آید و به‌طور کلی، به 8 دسته مختلف تقسیم می‌شود.

• خوردگی گالوانیک
• خوردگی شیاری
• خوردگی حفره‌ای
• خوردگی بین‌دانه‌ای
• خوردگی انتخابی
• خوردگی فرسایشی
• خوردگی‌ مکانیکی
• خوردگی میکروبی

جلوگیری از خوردگی برای افزایش طول عمر تجهیزات

خوردگی فلزات، فرآیندی طبیعی و اجتناب‌ناپذیر است که نه‌تنها چالش‌هایی را برای صنایع مختلف ایجاد می‌کند، بلکه فرصتی برای بهبود تکنولوژی‌ها و توسعه مواد مقاوم‌تر نیز فراهم می‌آورد. شناخت انواع خوردگی و عوامل مؤثر بر آن، امکان پیشگیری و مدیریت این پدیده را افزایش می‌دهد. درک ماهیت شیمیایی و الکتروشیمیایی خوردگی می‌تواند به طراحی راه‌حل‌های مؤثری مانند پوشش‌دهی، استفاده از آلیاژهای مقاوم و بهینه‌سازی محیط‌های کاری کمک کند. با سرمایه‌گذاری در دانش و فناوری‌های مرتبط، می‌توان از تخریب‌های زیان‌بار جلوگیری کرد و عمر مفید تجهیزات را افزایش داد.