فرایند خوردگی فولاد

نویسنده: تیم محتوای مدیران آهن

تاریخ انتشار: ۲۹ فروردین ۱۴۰۲

مدت مطالعه: دقیقه

فولاد بدون شک به دلیل ویژگی های منحصر به فرد مانند استحکام و قابلیت شکل پذیری که دارد، پرکاربردترین آلیاژ در صنایع مختلف به حساب می آید. در کنار تمام مزایایی که فولاد دارد، یکی عیب عمده ی آن آسیب پذیری در برابر خوردگی ست. در این مقاله تلاش شده است مساله ی خوردگی فولاد به صورت دقیق و از پایه مورد بررسی قرار بگیرد.

<h2>فرایند خوردگی فولاد چگونه است؟</h2> فولاد به دلیل استحکام و تطبیق پذیری در بسیار از جنبه ها، بی شک پر کاربردترین فلز در ساخت و ساز به شمار می آید. هر چند فولاد مزایای بسیار زیادی نسبت به همتایان خود دارد اما تمایل فولاد به بازگشت به حالت طبیعی خود یکی از معایب آن به شمار می رود. این مساله یکی از دلایل خوردگی فولاد است. برخی از عوامل در فرایند خوردگی تنها نقش کاتالیزور را ایفا می کنند و باعث شروع فرایند و یا پیشرفت سریع تر یا آهسته تر آن می شوند. برای درک بهتر اثر خوردگی بر فولاد و ویژگی های مکانیکی آن بهتر است ابتدا نگاهی به خود فولاد بیندازیم. اینکه فولاد چگونه ساخته می شود و چه ویژگی های شیمیایی و مکانیکی دارد. هر چه دانش ما در خصوص فولاد بیشتر باشد به درک بهتر ما از خوردگی و اثر آن بر فولاد بیشتر کمک خواهد کرد. <img class="content-image" title="تصویر-شماره-1---خوردگی-فولاد.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810348809.jpg" alt="خوردگی فولاد" /> تصویر شماره 1 – خوردگی فولاد آنچه در این مقاله خواهید خواند:  <ul> <li><a title="ساخت فولاد" href="#Making">ساخت فولاد</a></li> <li><a title="ترکیبات شیمیایی فولاد" href="#Compounds">ترکیبات شیمیایی فولاد</a></li> <li><a title="ویژگی های مکانیکی فولاد" href="#Property">ویژگی های مکانیکی فولاد</a></li> <li><a title="فرایند خوردگی فولاد" href="#Process">فرایند خوردگی فولاد</a></li> <li><a title="پیشرفت خوردگی" href="#Development">پیشرفت خوردگی</a></li> </ul> <h2>ساخت فولاد</h2> فولاد یکی از آلیاژهای آهن است که از ترکیب با سایر مواد شیمیایی ساخته می شود. فلز پایه در این فولاد، آهن است. در کنار فولاد، کربن نیز نقش بسیار کلیدی در ساخت فولاد ایفا میکند. فولاد در سایت های مجتمع به یکی از دو روش کوره بلند یا کوره قوس الکتریکی ساخته می شود. کوره های بلند برای ساخت فولاد عموما از مواد خام ( سنگ آهن، سنگ آهک و کک) به همراه آهن قراضه استفاده می کنند. متداولترین فرایند برای ساخت فولاد، فرایند مجتمع ساخت فولاد از طریق کوره بلند است. <img class="content-image" title="تصویر شماره 2- کوره بلند شرکت ذوب آهن.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810371880.jpg" alt="کوره بلند شرکت ذوب آهن" /> تصویر شماره 2 – کوره بلند شرکت ذوب آهن در ساخت فولاد به روش کوره بلند سه مرحله وجود دارد. در مرحله اول سنگ آهن که عموما هماتیت (Fe2O3) و مگنتیت (Fe3O4) است با کک که یک سوخت جامد متخلخل با درصد بالای کربن است در کوره ترکیب می شود. ترکیب به وجود آمده تا دمای 1000 درجه سانتیگراد گرم شده ( به آن سینتر یا تف جوش گفته می شود) و سپس سنگ آهک  (CaCO3) به آن اضافه می شود. در این مرحله ماده خام برای تولید فولاد آماده شده است. اما ماده ی خام حاصل مقدار زیادی ناخالصی در خود دارد که باید حذف شوند و گرنه فولاد تولید شده بسیار شکننده خواهد شد. در مرحله دوم، هوای گرم که دمایی تا 1900 درجه سانتیگراد دارد از طریق نازل هایی در پایین کوره به درون آن دمیده می شود. هوای گرم کک را می سوزاند و مونوکسید کربن (CO) تولید میکند. هوای گرم همچنین سنگ آهن را ذوب میکند و مونوکسید کربن با سنگ آهن واکنش می دهد و آهن مذاب را به وجود می آورد که در قسمت پایین کوره جمع می شود. در همین زمان سنگ آهک با ناخالصی های سنگ آهن واکنش می دهد و سرباره را به وجود می آورد. سرباره بر روی آهن مذاب شناور می ماند. پس از تعداد زیادی واکنش مشابه، آهن مذاب و سرباره ی روی آن از طریق حفره های تخیله در پایین کوره خارج می شوند. مرحله پایانی در این فرایند نیز کنترل و حذف ناخاصی های آهن مذاب که بیشتر شامل کربن، منگنز، سیلیسیم، فسفر، گوگرد و مقادی بسیار کمی از سایر عناصر است، می باشد. این محصول خام فولاد یا ساخت فولاد اولیه است. در این مرحله عناصر شیمیایی مانند نیکل، کروم، مولیبدنوم و تیتانیوم به آهن مذاب یا فلز گرم اضافه می شود تا انواع مختلفی از فولاد با ویژگی های مختلف ساخته شود. <img class="content-image" title="تصویر-شماره-3---نمای-شماتیک-کوره-بلند.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810415508.jpg" alt="نمای شماتیک کوره بلند" /> تصویر شماره 3 – نمای شماتیک کوره بلند محصول نهایی فولاد که در صنایع مهندسی مانند ساخت و ساز مورد استفاده قرار می گیرد توسط دو فرایند اصلی ریخته گری ساخته می شود. یکی از آن ها ریخته گری پیوسته است که در آن فولاد مذاب درون قالب های سرد ریخته می شود تا به فرم های مختلف شکل دهی شود. این فرایند به فولاد این اجازه را می دهد که سخت شده و در حالی که هنوز گرم است خارج شود. به این فولاد، فولاد نورد گرم گفته می شود. فرایندهای دیگری نیز روی فولاد انجام می شود مانند ربخته گری شمش که حاصل آن فولاد نیمه پایانی ست. شمش ها می توانند گرم شده و با چکش کاری مدوام مانند آهنگری به شکل های مختلف تبدیل شوند. فرآیند دیگر برای ساخت فولاد شکل دهی سرد است. در شکل دهی سرد، ورقه های با کیفیت فولادی به درون ماشین های رول فرمینگ وارد شده و به وسیله ی مجموعه ای از قالب ها به شکل های مختلف مانند C یا Z یا U فرم دهی می شود. <blockquote> بیشتر بخوانید: <a title="بررسی خوردگی میلگرد درون بتن" href="https://www.modiranahan.com/article/457/%D8%AE%D9%88%D8%B1%D8%AF%DA%AF%DB%8C-%D9%85%DB%8C%D9%84%DA%AF%D8%B1%D8%AF-%D8%AF%D8%B1%D9%88%D9%86-%D8%A8%D8%AA%D9%86" target="_blank" rel="nofollow">بررسی خوردگی میلگرد درون بتن</a> </blockquote> <h2>ترکیبات شیمیایی فولاد</h2> به عنوان یک آلیاژ، اصلی ترین عنصر موجود در فولاد، آهن است. در کنار آهن برخی عناصر دیگر نیز در مقادیر کم وجود دارد. ترکیب استاندارد فولاد حاوی 90 تا 95 درصد آهن، کمتر از 4.5 درصد کربن و سایر عناصر مانند منگنز، سیلیسیم، فسفر و گوگرد است. وجود 4.5 درصد کربن باعث می شود که فولاد شکننده شود. اضافه کردن سایر عناصر نیز باعث تولید انواع مختلفی از فولاد می شود. به طور کلی فولاد به 4 گروه اصلی تقسیم بندی می شود: فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل و فولاد ابزار. فولادهای کربنی تنها حاوی مقدار کمی از عناصر دیگر در کنار آهن و کربن است. این گروه بیشترین فولاد استفاده شده است و بیش از 90 درصد تولید انواع فولاد را به خود اختصاص می دهد. فولادهای کربنی بر پایه مقدار کربنی که در آنها وجود دارد خود به دو زیر گروه تقسیم می شوند. فولادهای کم کربن حداکثر 0.2 درصد کربن دارند. آهن کار شده با داشتن 0.1 درصد کربن حداقل مقدار کربن را دارد. فولاد کم کربن به نام فولاد نرم هم شناخته می شود که بیشتر در سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد و 0.15 تا 0.2 درصد کربن دارد. فولاد های میان کربن حاوی 0.3 تا 0.6 درصد کربن هستند که در ساخت و ساز استفاده نمی شوند. فولادهای پر کربن معمولا بیشتر از 0.6 درصد کربن در ترکیبشان وجود دارد. فولاد اوتکتوئید (eutectoid steel) مقدار کربنی بالاتر از 0.8 درصد دارد. یکی دیگر از انواع فولاد پرکربن، چدن و چدن داکتیل است که بیشتر از 1.67 درصد کربن دارد. <img class="content-image" title="تصویر شماره 4 - چدن.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810449931.jpg" alt="چدن" /> تصویر شماره 4 – چدن سایر انواع فولاد مانند فولاد الیاژی عناصر دیگری مانند مس، نیکل، کروم، قلع، آلومینیوم و ... در خود دارد. این عناصر کمک می کنند تا بسیاری از خواص مکانیکی فولاد مانند استحکام، چکش خواری، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ماشین کاری تعدیل شود. از فولادهای آلیاژی در سازه های مخصوص کارهای سنگین و ماشین آلات استفاده می شود. فولاد ضد زنگ بین 10 تا 20 درصد کروم دارد که موجب شده است در برابر خوردگی مقاومت بسیار بالایی به دست آورد. هزینه تولید استنلس استیل بالاست و از آن در تجهیزات پزشکی، لوله کشی، ابزار برش و تجهیزات فرآوری غذا استفاده می شود. فولادهای ابزار که گروه دیگری از فولادهای هستند برای ساخت ابزار برش و تجهیزات سوراخ کاری کاربرد دارند. در ساختار این دسته از فولادها به منظور افزایش مقاومت گرمایی و استحکام و جلوگیری از سایش و خرد شدن از عناصری مانند تنگستن، مولیبدنیوم، کبالت و وانادیوم استفاده شده است. برای هر محصول فولادی لازم است تا پیش از استفاده مورد تست قرار بگیرد. به همین دلیل نمونه هایی از فولاد مذاب برداشته شده و ترکیبات آن مورد بررسی قرار می گیرد و به صورت درصدی از وزن بیان می شود. در کنار آهن، 5 عنصر اصلی که باید در آنالیز فولاد مشخص شوند کربن، منگنز، سیلیسیم، فسفر و گوگرد هستند. اثر عناصر شیمیایی مختلف بر روی مشخصات مکانیکی فولاد در جدول شماره 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود هم بستگی زیادی بین ترکیبات شیمیایی و ویژگی های فیزیکی فولاد وجود دارد. این بدان معناست که اگر عناصر موجود در فولاد تغییر کند ویژگی های مکانیکی آن نیز تغییر خواهد کرد. به عنوان مثال با کاهش مقدار آهن موجود در فولاد می تواند توان کششی، مقاومت خستگی و چقرمگی شکست آن را کاهش دهد. از آنجا که آهن عنصر اصلی در ساختار فولاد است این مساله کاملا قابل درک است. اگر خوردگی از طریق واکنش های الکتروشیمیایی باعث شود که مقدار آهن موجود در فولاد کاهش یابد، مقدار توان کششی، مقاومت خستگی و چقرمگی شکست نیز متعاقب آن پایین خواهد آمد. همینطور اگر مقدار گوگرد به دلیل واکنش با سایر عناصر کم شود، تمام ویژگی های مکانیکی فولاد افزایش می یابد. این مساله از آن جهت قابل توجه است که تغییر مقدار همه عناصر در ساختار فولاد یک تاثیر را به دنبال ندارند. برخی از این تاثیرات مثبت و برخی دیگر منفی است. با این وجود مهمترین عنصر که بر مقدار مقاومت کششی تاثیر مثبت ولی بر مقاومت خستگی و چقرمگی شکست تاثیر منفی دارد، کربن است. این مساله باید به خوبی درک شود. از طرف دیگر باید توجه کرد که ممکن است میان عناصر مختلف برهم کنش هم وجود داشته باشد که بر ویژگی های مکانیکی موثر باشد. <table class="table1200" style="margin-left: auto; margin-right: auto;" border="2"> <tbody> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> عنصر </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مقاومت کششی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> خستگی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> چقرمگی شکست </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> آهن </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> کربن </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منفی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منفی </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منگنز </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> سیلیسیم </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> احتمالا منفی </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> فسفر </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> برای کمتر از 0.1 درصد مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منفی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> برای بیشتر از 0.1 درصد منفی </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> گوگرد </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منفی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> بسیار منفی </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> بسیار منفی </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> کروم </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> منفی </td> </tr> <tr style="height: 58px;"> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> نیکل </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> <td style="text-align: center; height: 58px;" width="156"> مثبت </td> </tr> </tbody> </table> جدول شماره 1 – اثر تغییر عناصر شیمیایی بر ویژگی های مکانیکی فولاد <blockquote> بیشتر بخوانید: <a title="5 روش برای از بین بردن زنگ زدگی آهن" href="https://www.modiranahan.com/article/228/5-%D8%B1%D9%88%D8%B4-%D8%A8%D8%B1%D8%A7%DB%8C-%D8%A7%D8%B2-%D8%A8%DB%8C%D9%86-%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%86-%D8%B2%D9%86%DA%AF-%D8%B2%D8%AF%DA%AF%DB%8C-%D8%A2%D9%87%D9%86" target="_blank" rel="nofollow">5 روش برای از بین بردن زنگ زدگی آهن</a> </blockquote> <h2>ویژگی های مکانیکی فولاد</h2> برای درک اثرات خوردگی بر ویژگی های مکانیکی فولاد ابتدا لازم است تا با برخی از ویژگی های مهندسی فولاد که توسط متخصصین استفاده می شود، آشنا شویم. از میان تمام ویژگی های فولاد به آن دسته از ویژگی ها اشاره خواهد شد که در طراحی و برآورد سازه های فولادی مهمتر از بقیه است و توسط خوردگی تحت تاثیر قرار می گیرند. این سه ویژگی مقاومت کششی، خستگی و چقرمگی شکست هستند. مقاومت کششی فولاد از طریق تست تنش به دست می آید که یکی از تست های پایه برای فولاد و سایر مصالح مهندسی ست. به کمک این تست می توان منحنی تنش-کرنش را برای فولاد رسم کرد که سه ویژگی مکانیکی پایه ی فولاد از طریق آن قابل محاسبه است. <ul> <li>مقاومت تسلیم: نشان دهنده حدی ست که فولاد از خود رفتار الاستیکی نشان میدهد.</li> <li>مقاومت نهایی: حداکثر باری ست که فولاد می تواند تحمل کند.</li> <li>کرنش شکست: محلی که فولاد دچار گسیختگی می شود.</li> </ul> <img class="content-image" title="تصویر-شماره-5---نمودار-تنش-کرنش.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810527438.jpg" alt="نمودار تنش-کرنش" /> تصویر شماره 5 – نمودار تنش-کرنش خستگی به طور کلی، به شکست مقاومت ماده در برابر تخریب های پیش رونده و محلی زمانی که ماده در معرض بارهای دوره ای قرار دارد گفته می شود. مقاومت خستگی فولاد به وسیله ی منحنی S-N نمایش داده می شود که در آن S برابر با دامنه ی استرس و N سیکل های بار برای شکست است. برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص خستگی در فلزات می توانید به <a href="https://www.modiranahan.com/articleHome" target="_blank" rel="nofollow">مقاله</a> " خستگی فلز چیست | مراحل خستگی فلز" مراجعه نمایید. چقرمگی شکست، توانایی فولاد در تحمل شکست را نشان میدهد. یکی از ویژگی های مکانیکی بسیار مهم فولاد در طراحی های مهندسی چقرمگی شکست است. سازه هایی که در آن فولادها دچار خوردگی شده اند می توانند دچار ترک شوند. چقرمگی شکست تنها به وسیله تست چقرمگی می تواند مشخص شود. در حالی که ویژگی های کششی فولاد به راحتی می تواند به دست بیاید تعیین چقرمگی شکست فولاد کار دشواری ست. حتی تست های مختلف می تواند نتایج متفاوتی را نشان دهد. <h2>فرایند خوردگی فولاد</h2> خوردگی یک فرایند شیمیایی طبیعی است که تنها مختص به فولاد یا حتی فلزات نیست. مواد غیر فلزی نیز می توانند دچار خوردگی شوند. به بیان ساده، خوردگی اکسیداسیون یک ماده با هوا و معمولا هوای مرطوب است. همچنین می توان خوردگی را  واکنش ماده با اکسیژن در حضور آب توصیف کرد. به طور کلی خوردگی فولاد فرایند بسیار پیچیده ای ست که فاکتورهای زیادی بر آن تاثیر دارند. مهمترین این فاکتور ها مواد تشکیل دهنده ی خود فولاد و محیط پیرامون فلز است. لازم به ذکر است محیطی که بیشتر سازه های فولاد در معرض آن قرار دارند اتمسفر و برای لوله های زیر زمینی خاک است. <h3>واکنش های الکتروشیمیایی</h3> خوردگی فولاد یک فرایند الکتروشیمیایی ست که زمانی که دو یا چند نقطه بر سطح فولاد اختلاف پتانسیل داشته باشند اتفاق می افتد. در این شرایط دو واکنش شیمیایی یعنی اکسیداسیون و کاهش به صورت همزمان بر سطح فولاد رخ می دهد. فرایند خوردگی فولاد شامل چهار بخش اساسی ست. <ul> <li>یک فلز که به عنوان یک هادی الکتریکی برای انتقال الکترونیکی آندی و کاتدی عمل میکند.</li> <li>یک آند که اکسیداسیون الکتروشیمیایی در آن اتفاق می افتد و الکترون ها آزاد می شوند.</li> <li>یک کاتد که واکنش کاهش الکتروشیمیایی در آن اتفاق می افتد و الکترون های آند در آن ذخیره می شود.</li> <li>یک محیط هادی که یک محیط آبدار یا الکترولیت یا محیط اطراف فولاد است.</li> </ul> در طی واکنش اکسیداسیون که به آن واکنش آندیک نیز می گویند، الکترون ها از دست رفته و منجر به حالت غیر فلزی می شود. آند نقطه ایست که در آنجا الکترون های سطح فلز از دست رفته و خوردگی اتفاق می افتد. واکنش اکسیداسیون می تواند به وسیله رابطه ی زیر نشان داده شود. Fe à Fe2+ + 2e-  (واکنش 1) واکنش کاهش که به آن واکنش کاتدی نیز می گویند و با واکنش آندی در تعادل است. در این واکنش یون ها در الکترولیت، الکترون هایی که از آند آزاد شده است را قبول می کنند. دو نوع واکنش کاتدی وجود دارد: تکامل هیدروژن و کاهش اکسیژن.  مقدار اکسیژنی که در محیط وجود دارد مشخص می کند که کدام واکنش نقش بارزتری داشته باشد. در محیط هایی که کمبود اکسیژن وجود دارد واکنش کاتدی می تواند به صورت زیر باشد: 2H+ + 2e- àH2 (واکنش 2) این فرایند در محیط های اسیدی به سرعت انجام می شود. در محیط های قلیایی، اکسیژن محلول، سرعت واکنش کاتدی را با واکنش کاهش اکسیژن افزایش میدهد. این واکنش به صورت زیر بیان می شود. O2 + 4H+ + 4e- à 2H2O  (در محلول های اسیدی) (واکنش 3) O2 + 2H2O + 4e- à 4O  (در محلول های قلیایی/خنثی) (واکنش 4) همانطور که از واکنش 1، 3 و 4 قابل مشاهده است، آند الکترون تولید می کند. این الکترون از طریق الکترولیت یا محیط آبدار به کاتد می رسد. الکترون ها در کاتد توسط آب و اکسیژن مصرف می شوند. یونهای آهنی (Fe2+) و هیدروکسیل (OH-) در محیط آبدار جریان می یابند و می توانند با یکدیگر واکنش دهند. پیشرفت خوردگی یا نرخ خوردگی به وسیله واکنش کاتدی کنترل می شود. با اکسیژن محلول و یا آب بیشتر در محیط آبدار، واکنش های بیشتری رخ می دهد که می تواند منجر به تشکیل محصولات خوردگی بیشتری شود. با اضافه کردن واکنش های 1 و 3 و 4 به یکدیگر می توان به واکنش زیر رسید: 2Fe + 2H2O + O2 à 2Fe(OH)2 (واکنش 5) Fe(OH)2 هیدروکسیدآهن است و مانند یک سد نفوذ بر سطح فولاد عمل می کند. سد نفوذ که به عنوان فیلم اکسید پسیو نیز شناخته می شود بسیار نازک و در ابعاد نانومتر است. فیلم اکسید به صورت موقت از فولاد در برابر خوردگی بیشتر حفاظت میکند. هیدروکسید آهن II، Fe(OH)2 از نظر شیمیایی پایدار نیست و نسبت به اکسیداسیون حساس است. به ویژه در سطح های خارجی فیلم اکسید پسیو که دسترسی به اکسیژن محلول بیشتر است. به وسیله اکسیژن محلول، هیدروکسید آهن II به هیدروکسید آهن III تبدیل می شود. 2Fe(OH)2 + H2O + O2 à 2Fe(OH)3  (واکنش 6) Fe(OH)3 نیز ناپایدار است و می تواند به اکسید آهن هیدراته و آب شکسته شود. 2Fe(OH)3 à Fe2O3.H2O + 2H2O محصول حاصل از خوردگی فولاد که به آن زنگ می گویند بیشتر از هیدروکسید آهن III و اکسید آهنIII تشکیل شده است. بنابراین ملاحظه شد که خوردگی فرایندی ست که در آن آهن تمایل دارد به حالت اصلی خود یعنی سنگ آهن یا هماتیت (Fe2O3) باز گردد. این یک فرایند طبیعی است که اتفاق می افتد و محیط اطراف فولاد مانند محیط آبدار تنها به عنوان کاتالیست عمل می کند که فرایند خوردگی را آغاز و سرعت می بخشد. از نقطه نظر متالورژی، فلزات زمانی که استخراج می شوند در حالت انرژی آزاد بالایی قرار دارند. به همین دلیل فلزات تمایل دارند که خورده شوند و به حالت پایدار و طبیعی خود برگردند. <img class="content-image" title="تصویر شماره 6 - هماتیت (حالت پایدار آهن).jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810578160.jpg" alt="هماتیت (حالت پایدار آهن)" /> تصویر شماره 6 – هماتیت (حالت پایدار آهن) فرایند خوردگی خود را بین آند و کاتد در سطح فولاد تکرار می کند که باعث تخریب فولاد می شود. وقتی که جرم فولاد تا حد مشخصی در اثر خوردگی مصرف شد، ابعاد فولاد تا حد قابل توجهی کاهش می یابد. دراین حالت فولاد نمی تواند بارهایی که برای آن طراحی شده است را تحمل کند. این بدان معناست که فولاد پس از آن به عنوان یک المان در سازه عملکرد مناسبت نخواهد داشت. در این شرایط عمر فولاد به پایان می رسد و سازه فولادی فرو می ریزد. فرایند طبیعی خوردگی و واکنش هایی که در آن رخ می دهد در شکل شماره 7 قابل مشاهده است. <img class="content-image" title="تصویر-شماره-7---واکنش-های-خوردگی-فولاد.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810639561.jpg" alt="واکنش های خوردگی فولاد" /> تصویر شماره 7 – واکنش های خوردگی فولاد <blockquote> بیشتر بخوانید: <a title="آیا استفاده از میلگرد زنگ زده درست است؟" href="https://www.modiranahan.com/article/372/%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D9%81%D8%A7%D8%AF%D9%87-%D8%A7%D8%B2-%D9%85%DB%8C%D9%84%DA%AF%D8%B1%D8%AF-%D8%B2%D9%86%DA%AF-%D8%B2%D8%AF%D9%87-%D8%AF%D8%B1-%D8%B3%D8%A7%D8%AE%D8%AA%D9%85%D8%A7%D9%86-%D8%B3%D8%A7%D8%B2%DB%8C" target="_blank" rel="nofollow">آیا استفاده از میلگرد زنگ زده درست است؟</a> </blockquote> <h2>پیشرفت خوردگی</h2> با توجه به واکنش های الکتروشیمیایی خوردگی (واکنش های 1 تا 7) واضح است که اکسیژن و آب دو ماده ضروری برای آغاز و پیشرفت خوردگی هستند. سرعت خوردگی در هر فلزی بستگی به شرایط محیطی به علاوه ی نوع و شرایط خود فلز دارد. میزان خورندگی محیط یا الکترولیت و تفاوت در پتانسیل سطح فلز برای تشکیل نواحی آندی و کاتدی نیز بر سرعت خوردگی بسیار تاثیر گذار است. نرخ خوردگی فولاد، که به صورت رشد خوردگی در واحد زمان تعریف می شود به وسیله واکنش کاتدی کنترل می شود. برای سنجش نرخ خوردگی یک سری از معیارها مانند جریان خوردگی، از دست دادن جرم و نفوذ وجود دارد. واحدهای نرخ خوردگی در جدول شماره 2 به صورت خلاصه بیان شده است. <table class="table1200" style="margin-left: auto; margin-right: auto;" border="2"> <tbody> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> نماد </td> <td style="text-align: center;" width="208"> معنا </td> <td style="text-align: center;" width="208"> توضیحات </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> mA/cm2 </td> <td style="text-align: center;" width="208"> جریان خوردگی برحسب میلی آمپر در مترمربع </td> <td style="text-align: center;" width="208"> در بیشتر تحقیقات استفاده می شود </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> gmd </td> <td style="text-align: center;" width="208"> از دست رفتن جرم بر اثر خوردگی بر حسب گرم در مترمربع در روز </td> <td style="text-align: center;" width="208"> توسط مساحت سطح نرمالیزه می شود </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> mm/year </td> <td style="text-align: center;" width="208"> نفوذ خوردگی یا کاهش ضخامت بر حسب میلمیتر در سال </td> <td style="text-align: center;" width="208"> در عمل استفاده می شود </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> Mpy </td> <td style="text-align: center;" width="208"> نفوذ خوردگی بر حسب میلی اینچ در سال </td> <td style="text-align: center;" width="208"> در آمریکا استفاده می شود </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> Mdd </td> <td style="text-align: center;" width="208"> کاهش جرم خوردگی بر حسب میلی گرم در سانتی متر مربع در روز </td> <td style="text-align: center;" width="208"> زیاد مورد استفاده قرار نمی گیرد </td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;" width="208"> % </td> <td style="text-align: center;" width="208"> کاهش خوردگی بر حسب درصد </td> <td style="text-align: center;" width="208"> در عمل استفاده می شود. </td> </tr> </tbody> </table> جدول شماره 2 – واحدهای خوردگی به طول کلی فرایند خوردگی می تواند به دو فاز تقسیم شود. آغاز و انتشار. برای فولاد بدون حفاظت هایی مانند پوشش یا فولادی که در بتن مسلح به کار برده می شود، فاز آغاز در مقایسه با فاز انتشار بسیار کوتاه تر است و حتی در مقایسه با کل عمر سازه ی فولادی نیز بسیار کوتاه است. بر اساس واکنش 5، فولاد در ابتدای مواجهه با هوا یا محیط های دیگر حفاظت شده است. اما این حفاظت کوتاه است چرا که فیلم اکسید پسیو که نقش محافظت از فولاد در برابر خوردگی را دارد از نظر شیمیایی ناپایدار است و در مقابل اکسیداسیون حساس می باشد. به همین دلیل زمان آغاز کوتاه می شود. هنوز مطالعه ی زیادی صورت نگرفته است که نشان دهد چقدر زمان لازم است تا خوردگی در محیط های مختلف آغاز شود. در محیط اتمسفری، زمان لازم برای آغاز خوردگی فولاد بین 6 ماه تا 2 سال است. در محیط دریایی، اگر فولاد محافظت نشده باشد خوردگی می تواند در زمان کوتاه تری آغاز شود. زمانی که خوردگی آغاز شد، نسبتا با سرعت شروع به پیشروی می کند که البته این مساله به حضور شرایط مورد نیاز برای خوردگی مانند اکسیژن و آب نیز بستگی دارد. سرعت پیشروی خوردگی بر اساس نرخ خوردگی که در جدول 2 نشان داده شده است اندازه گیری و برحسب میلیمتر بر سال (mm/year) بیان می شود. در نتیجه پیشروی خوردگی فولاد می تواند همانطور که در شکل 8 به صورت شماتیک نشان داده است به سه بخش تقسیم شود. <img class="content-image" title="تصویر-شماره-8---نمودار-مراحل-خوردگی.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1634810723010.jpg" alt="مدل مفهومی فرایند خوردگی" /> تصویر شماره 8 – مدل مفهومی فرایند خوردگی  در مرحله اول، خوردگی در بازه ی زمانی کوتاهی به سرعت پیشروی می کند. نرخ خوردگی فولاد تحت تاثیر عواملی مانند شرایط محیطی، ویژگی های میلکروساختاری (ترکیب عناصر، سایز دانه بندی، ترکیب فازی آهن، مورفولوژی و ناخاصی های فولاد) در حضور استرس، قرار دارد. دراین مرحله، نرخ خوردگی تا پیش از آنکه به مقدار خاصی برسد تا حد زیادی متناسب با غلظت اکسیژن است. نرخ خوردگی ابتدایی در اتمسفر می تواند در حدود 0.047 میلیمتر در سال باشد. در هوای اشباع از رطوبت نرخ خوردگی می تواند به 0.463 میلیمتر در سال نیز برسد. نرخ خوردگی بالا در این مرحله ممکن است برای مدت زیادی طول نکشد (حدود چند روز) چرا که فیلم اکسید آهن تشکیل شده و مانند یک سد در برابر توزیع اکسیژن عمل میکند. بنابراین مرحله اول (بخش I در شکل 8) نسبتا کوتاه است. زمانی که خوردگی پیشرفت میکند ضخامت فیلم اکسید متخلخل افزاش می یابد. هر چند مقاومت الکتریکی ناحیه خورده شده ممکن است کاهش یابد. اما در شرایطی که این سد از اکسیدهای آهن تشکیل شده است، می تواند محلی برای کاهش اکسیژن باشد. نرخ خوردگی ممکن است ثابت باقی بماند. این مرحله دوم خوردگی است.  ( بخش II در نمودار شکل 8).  در این بخش نرخ خوردگی بین 0.0463 و 0.116 میلیمتر در سال است و می تواند بسته به شرایط محیطی برای چند ماه یا سال به طول بینجامد. نرخ خوردگی در این مرحله تا حد بسیار زیادی تحت تاثیر محصولات خوردگی و سولفات ها، pH و کربنات موجود در محیط قرار دارد. وقتی که ترکیبات و ویژگی های فیزیوشیمیایی فیلم اکسید تغییر می کند، نرخ خوردگی ممکن است کاهش یابد. برای نمونه، زمانی که اکسیدهای آهن با کربناب آهن جایگزین می شوند، مقاومت الکتریکی این سد افزایش خواهد یافت. با توجه به اینکه ضخامت فیلم محافظ تمایل به کم شدن دارد و واکنش خوردگی نیز کنترل شده است، نرخ خوردگی می تواند بیشتر کاهش یابد. این مرحله سوم است که در آن نرخ خوردگی عموما از 0.1 میلیمتر در سال کمتر است. زمان انتقال بین هر کدام از این مراحل به شرایط محیطی بستگی دارد. موضوع دیگری که در مبحث خوردگی اهمیت دارد انواع خوردگی ست. برای مطالعه ی در خصوص انواع خوردگی (ادامه ی مقاله ی موجود) می توانید به مقاله "بررسی انواع خوردگی" مراجعه نمایید.

اشتراک در: