در دنیای پیرامون ما، فلزات نقشی بی‌بدیل ایفا می‌کنند. از سازه‌های غول‌پیکر و آسمان‌خراش‌ها تا ظریف‌ترین ابزارها و قطعات الکترونیکی، همگی به اتکای استحکام، انعطاف‌پذیری و رسانایی فلزات ساخته شده‌اند. با وجود این، فلزات در برابر دشمن سرسختی به نام “خوردگی” تسلیم می‌شوند.
خوردگی، فرایندی طبیعی و ناخواسته است که به تخریب تدریجی فلزات در اثر واکنش با محیط اطرافشان می‌انجامد. این پدیده نه‌تنها ظاهر فلزات را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد، بلکه می‌تواند به طور قابل‌توجهی بر استحکام، عملکرد و طول عمر آنها نیز اثر بگذارد.
در این مقاله، سفری به دنیای خوردگی فلزات خواهیم داشت و با ده نوع رایج آن آشنا می‌شویم. درک این پدیده پیچیده، به ما کمک می‌کند تا با روش‌های پیشگیری و کنترل آن آشنا شده و از فلزات به طور مؤثرتر و بهینه‌تر در صنایع مختلف استفاده نماییم.
خوردگی فلز چیست؟
خوردگی فلزات زمانی اتفاق می‌افتد که سطح فلز با محیط خورنده واکنش نشان دهد یا در معرض شرایط نامناسب دیگری قرار گیرد که باعث خوردگی سطح شود. اکسیداسیون یا زنگ‌زدگی روی سطح در معرض فلز رخ می‌دهد و باعث می‌شود ماده باگذشت زمان ضعیف شده و منجر به آسیب ساختاری شود. خوردگی تنها مختص فلزات نیست، بلکه می‌تواند در سایر مواد مانند پلیمرها و سرامیک نیز رخ دهد. بااین‌حال، برای این مواد، اصطلاح تخریب رایج‌تر است.
خوردگی یک فرایند طبیعی است که یک فلز تصفیه شده را به یک اکسید فلزی پایدارتر تبدیل می‌کند. تبادل الکترونی بین فلز و محیط رخ می‌دهد، به‌طوری‌که فلز در این فرایند الکترون از دست می‌دهد. فلزات به طور طبیعی باگذشت زمان دچار خوردگی می‌شوند، اما نوع محیطی که ماده در معرض آن قرار می‌گیرد می‌تواند فرایند خوردگی را تسریع کند. فلزات پایدار مانند طلا و پلاتین به دلیل ماهیت شیمیایی پایدارشان کمتر دچار خوردگی می‌شوند. آلیاژهایی که حاوی عناصر خاصی مانند آهن هستند، در معرض هوا و رطوبت بیشتر در معرض زنگ‌زدگی قرار می‌گیرند.
خوردگی موضعی باعث ایجاد ترک و حفره می‌شود، بااین‌حال، خوردگی ممکن است کل سطح فلز را در بر گیرد. خوردگی در سطوح فلزی تحت‌تأثیر عوامل مختلفی از جمله میزان اسیدیته محیط، دما، تنش مکانیکی و رطوبت قرار می‌گیرد. این عوامل ممکن است باعث تسریع در تخریب سطح فلز یا سرعت‌بخشیدن به فرایند خوردگی شوند که در نهایت منجر به خرابی می‌گردد.
پوشش‌های محافظ، گالوانیزه کردن و عملیات حرارتی روش‌های کلی برای کاهش خطر خوردگی هستند. بااین‌حال، به دلیل ماهیت پیچیده خوردگی، ممکن است همچنان در شرایط خاصی رخ دهد.
انواع مختلف خوردگی فلزات
خوردگی انواع مختلفی دارد که هر کدام تحت‌تأثیر مکانیزم‌ها و شرایط گوناگونی قرار می‌گیرند. در ادامه به بررسی انواع خوردگی در فلزات و درک چگونگی وقوع آنها خواهیم پرداخت:
1. خوردگی عمومی (فرسایش یکنواخت)
خوردگی عمومی یا یکنواخت، رایج‌ترین نوع خوردگی است که در کل سطح فلز رخ می‌دهد. این پدیده معمولاً به دلیل نبود پوشش محافظ و در معرض عوامل خورنده قرارگرفتن فلز ایجاد می‌شود. واکنش‌های الکتروشیمیایی و شیمیایی باعث حل‌شدن فلز و در نتیجه نازک شدن آن به شکل اکسیدها می‌گردد.
قرارگرفتن مداوم در معرض این عوامل خورنده در نهایت کل ساختار فلزی را حل خواهد کرد. آلومینیوم، آهن، سرب، فولاد و روی از جمله فلزاتی هستند که تحت‌تأثیر خوردگی یکنواخت قرار می‌گیرند. این نوع خوردگی قابل‌پیش‌بینی و با چشم غیرمسلح قابل‌تشخیص است، زیرا به‌صورت زنگ‌زدگی روی کل سطح قابل‌مشاهده است.
2. خوردگی حفره‌ای
خوردگی حفره‌ای نوعی غیرقابل‌پیش‌بینی از خوردگی موضعی است که در آن حفره‌های زنگ‌زدگی روی سطح فلز ایجاد می‌شود. این حفره‌ها به حفره‌ها یا سوراخ‌هایی تبدیل می‌شوند که به سمت پایین به سطح نفوذ می‌کنند. این نوع خوردگی ناشی از عیوب ساختاری، اعمال پوشش نامناسب، ناهمگونی‌ها، رطوبت یا آسیب به لایه اکسیدی محافظ فلز است. مراحل اولیه خوردگی حفره‌ای دارای قطر حفره‌های ≤ 20 میکرومتر است.
خوردگی حفره‌ای نوعی از خوردگی موذیانه است؛ زیرا تنها مقدار کمی از ماده روی سطح از بین می‌رود درحالی‌که ساختار عمیق فلز آسیب‌دیده است. خرابی ناشی از حفره‌ای می‌تواند ناگهانی و اغلب ویرانگر باشد. خوردگی حفره‌ای را می‌توان در آلومینیوم، آلیاژهای نیکل و فولاد مشاهده کرد. سطوح صیقلی فلز به دلیل مساحت سطح یکنواخت‌تر در برابر حفره‌ای مقاوم‌تر هستند.
3. خوردگی شکافی
خوردگی شکافی نوع دیگری از خوردگی موضعی است که در شکاف‌ها یا مناطق محدود، معمولاً بین دو فلز (معمولاً در اتصالات)، فلز و غیرفلز یا ناشی از رسوب رخ می‌دهد. این مناطق محدود در اکثر مواقع به تجمع مایعات خورنده درحالی‌که اکسیژن کمیاب است (که مانع از محافظت ماده می‌شود) اجازه می‌دهند. عدم تعادل در سطح pH باعث می‌شود تا مایع درون شکاف‌ها اسیدی شود که به نوبه خود لایه اکسیدی غیرفعال را از بین می‌برد و سطح را در برابر حمله خوردگی آسیب‌پذیر می‌کند.
با طراحی بهتر اتصال یا درز که در آن شکاف‌ها بین جوش‌ها و اتصالات از بین می‌رود، می‌توان خطر خوردگی شکافی را کاهش داد. محافظت در برابر رطوبت یا مایعاتی که محیط الکترولیتی را تقویت می‌کنند، ممکن است خطر این نوع خوردگی را بیشتر کاهش دهد.
4. خوردگی گالوانی
خوردگی گالوانی (یا خوردگی دو فلزی) نوعی خوردگی است که در آن دو فلز غیرمشابه در تماس فیزیکی ویا الکتریکی با یک محیط الکترولیتی قرار می گیرند. فلز فعال (آند) با سرعتی بیشتر از فلز دیگر (کاتد) که پایدارتر است، دچار خوردگی می شود. همچنین می تواند در فلزی رخ دهد که در معرض الکترولیتی با درجات مختلف غلظت قرار دارد.
خوردگی گالوانی در کشتی های دریایی که آب شور به عنوان الکترولیت بین دو فلز غیرمشابه عمل می کند، رایج است. همچنین می تواند در محیط های سمی، مانند کار با فلز مذاب یا آزمایشگاه های شیمیایی رخ دهد.
برای جلوگیری/کاهش خوردگی گالوانی از یک آند فداشونده یا آند گالوانی که از قطعه کار فلزی فعال‌تر است استفاده می‌شود. این آندهای مصرفی با تأمین الکترون‌های خود از اکسیدشدن فلزات اصلی جلوگیری کرده و در عوض خود دچار خوردگی می‌شوند.
در مورد مس، هنگامی که در حضور الکترولیت به فلزی باخاصیت آندی بیشتر متصل شود، خوردگی مس می‌تواند به طور قابل‌توجهی کاهش یابد، زیرا مس در سری گالوانی به‌عنوان کاتد عمل می‌کند.
5. خوردگی بین‌دانه‌ای
خوردگی بین‌دانه‌ای نوعی از خوردگی است که در محل یا مجاورت مرزدانه‌های فلز رخ می‌دهد. مرزدانه‌ها به‌عنوان رابط بین دانه‌های موجود در ماده عمل می‌کنند و به‌عنوان نواقصی در ساختار بلوری ماده در نظر گرفته می‌شوند. این مرزدانه‌ها ناشی از رشد ناهموار یا ناخالصی‌های موجود در حین تبلور آلیاژ فلزی هستند. اندازه هر دانه می‌تواند از ۱ میکرومتر تا ۱ میلی‌متر متغیر باشد.
خوردگی بین‌دانه‌ای یا حمله بین‌دانه‌ای زمانی اتفاق می‌افتد که مرزدانه‌ها از نظر واکنش‌پذیری با خود دانه، اختلاف داشته باشند. این پدیده زمانی می‌تواند رخ دهد که فلزات در معرض دماهای بالا (رسوب کاربید) یا جوشکاری معیوب قرار گیرند. این امر باعث کاهش مقاومت به خوردگی ماده شده و آن را در برابر عوامل خورنده آسیب‌پذیر می‌کند.
6. خوردگی سایشی – حفره‌ای
خوردگی سایشی – حفره‌ای نوعی از خوردگی است که در اثر حرکت نسبی بین سطح فلز و مایع خورنده ایجاد می‌شود. این حرکت منجر به سایش مکانیکی شده که سطح را خراش داده و حفره‌هایی ایجاد می‌کند.
به طور معمول، سیال با سرعت بالا در امتداد سطح فلز جریان می‌یابد، لایه اکسیدی غیرفعال را حل کرده و با حرکت سیال آن را از بین می‌برد. خوردگی سایشی – حفره‌ای بیشتر در داخل لوله‌های فلزی که برای انتقال مایعات خورنده استفاده می‌شوند، رخ می‌دهد و به‌تدریج سطح فلز را تخریب می‌کند.
7. خوردگی در دمای بالا
خوردگی در دمای بالا یا خوردگی داغ زمانی رخ می‌دهد که ترکیبی از دمای بالا (بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) و آلاینده‌های جوی وجود داشته باشد. حمله شیمیایی زمانی اتفاق می‌افتد که فلزات تحت این دماها با آلاینده‌های خورنده واکنش شیمیایی نشان دهند.
خوردگی در دمای بالا در محیط‌های صنعتی که از کوره‌ها و توربین‌های گازی با آلاینده‌های جوی و گازهای سولفوریک استفاده می‌شود، رایج است. این آلاینده‌های خورنده ممکن است در حین کار رسوبات خاکستر و نمک مذاب نیز از خود به جا بگذارند. برای جلوگیری از خوردگی در دمای بالا از مکانیزم‌های خنک‌کاری و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌شود.
8. خوردگی تنشی
ترک‌خوردگی ناشی از تنش خوردگی (SCC) یا خستگی خوردگی ناشی از اعمال تنش کششی به ماده درحالی‌که در محیط خورنده قرار دارد، ایجاد می‌شود. ترک‌خوردگی ناشی از تنش خوردگی به‌ویژه در زمانی که تنش کششی همراه با نوسانات شدید دما باشد، بسیار رایج است. انبساط و انقباض فلز ناشی از این تغییرات دما، باعث تضعیف یکپارچگی ساختاری فلز می‌شود.
علائم اولیه ترک‌خوردگی ناشی از تنش خوردگی، ترک‌های ریز روی سطح فلز است. این ترک‌ها در نهایت باگذشت زمان ایجاد شده و منجر به خرابی سازه می‌شوند. خوردگی ناشی از تنش می‌تواند در فرایندهای ساخت؛ مانند ماشین‌کاری و جوشکاری رخ دهد، اما در معرض محیط خورنده تسریع می‌شود. نمونه‌هایی از این موارد فولادهای ضدزنگ در محیط کلرید و آلیاژهای مس در آمونیاک هستند.
9. خوردگی میکروبی
خوردگی میکروبی که همچنین با نام خوردگی ناشی از میکروارگانیسم (MIC) شناخته می‌شود، نوعی خوردگی است که در اثر حضور و فعالیت میکروارگانیسم‌ها روی سطوح فلزی ایجاد می‌شود. این میکروارگانیسم‌ها که شامل باکتری‌ها، قارچ‌ها و جلبک‌ها هستند، می‌توانند فرایند خوردگی در فلزات و آلیاژها در محیط‌های مختلف را تسریع بخشند. خوردگی میکروبی دغدغه مهمی در صنایع نفت و گاز، دریایی و مدیریت پساب است زیرا می‌تواند منجر به تخریب سریع مواد شود. برخی از این ارگانیسم‌ها قادر به مصرف نفت و دفع اسیدهایی هستند که می‌توانند باعث خوردگی مخازن ذخیره‌سازی شوند.
خوردگی ناشی از تأثیر میکروارگانیسم‌ها می‌تواند انواع مختلفی از آسیب‌ها از جمله حفره‌زایی، خوردگی شکاف و ترک‌خوردگی ناشی از تنش را ایجاد کند. برای جلوگیری از این امر، باید تاحدامکان نفت تصفیه شود تا میزان آب آن کاهش یابد. همچنین تخلیه آب مخازن سوخت در فواصل منظم پس از تصفیه ضروری است. مدیریت مؤثر خوردگی میکروبی همچنین شامل پایش منظم و استفاده از بیوسیدها برای کنترل رشد میکروبی است. درک میکروب‌های خاص و شرایط محیطی درگیر، برای توسعه استراتژی‌های هدفمند پیشگیری و کنترل، کلیدی است.
10. خوردگی فرسایشی لغزشی
خوردگی فرسایشی لغزشی زمانی رخ می‌دهد که دو فلز در تماس، تحت حرکات ریزی ناشی از لغزش و ارتعاش قرار گیرند. این نوسانات منجر به فرسایش لغزشی شده که لایه اکسیدی محافظ را از بین می‌برد و باعث چسبیدن برجستگی‌های سطحی (ناهمواری‌های میکروسکوپی) فلزهای تازه در معرض قرار گرفته به یکدیگر می‌گردد. این اتصال متعاقباً با ارتعاشات دوباره شکسته شده و موجب تجمع ذرات ساییده شده می‌شود.
این ذرات و سطوح فلزی تازه در معرض دید، مستعد اکسیداسیون هستند. ازآنجایی‌که ذرات نمی‌توانند از محل تماس فرار کنند، باعث ایجاد سایش سایشی بیشتر و اکسیداسیون بعدی می‌شوند و این فرایند با افزایش حجم سایش ادامه می‌یابد.
فلزات نرم واکنش‌پذیر مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارند، زیرا لایه اکسیدی به‌راحتی تحت بارگذاری دوره‌ای از بین می‌رود و انتقال ماده رخ می‌دهد.
پیشگیری از خوردگی فلزات
جلوگیری از انواع مختلف خوردگی برای حفظ عملکرد و طول عمر مجموعه‌ها و تجهیزات امری حیاتی است. اعمال عملیات سطحی، پوشش‌های محافظ یا پرداخت نهایی مواد اقدامات پیشگیرانة عالی برای کاهش تأثیر خوردگی به شمار می‌روند. استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در محیطی غیر خورنده، یک روش پیشگیری مناسب در برابر اکثر انواع خوردگی است.
