دانشگاه صنعتی شریف
دانشکده مهندسی و علم مواد
آزمایشگاه خوردگی و پوشش دادن فلزات
آزمایش دو : میزان خوردگی در یک محلول (Immersion Test)
محمد شریفی
89105274
هدف آزمایش :
بررسی میزان خوردگی در یک محلول و اندازه گیری سرعت خوردگی.
مقدمه :
با توجه به تخصص ها و دیدگاه های مختلف تعاریف مختلفی برای خوردگی ارائه شده است که به طور خلاصه بیان می گردد :
· خوردگی به فساد مواد ( معمولا آهن ) و تغییر خواص آن گفته می شود که در نتیجه واکنش با محیط حاصل می گردد .
· خوردگی اکسیداسیون است .
· خوردگی یک حمله شیمیایی به فلز است .
· خوردگی پدیده ایست الکتریکی ، بعبارت دیگر الکترولیز است .
· خوردگی پدیده ایست الکتروشیمیایی .
· خوردگی عبارت است از تخریب اجسامی که از طریقی، غیر از عمل مکانیکی حاصل می شود .
و تعاریفی دیگر ...
و اما بهترین تعریفی که امروزه مورد قبول همگان است :
خوردگی عملی است شیمیایی یا الکتروشیمیایی که بین فلزات و محیط اطرافشان واقع گشته و موجب فساد و دگرگونی در خواص آنها می شود.
طبق استاندارد ISO – 8044 تعریف بعضی از نظریه های اولیه خوردگی عبارت است از :
برهم کنش فیزیکی و شیمیایی بین فلز و محیط اطراف که نتیجه آن تغییر در خواص فلز است و این اغلب منجر به لطمه به وظیفه فلز، محیط زیست و یا سیستم های فنی که این ها در آن شرکت دارند می شود.
تبصره : این بر همکنش معمولا دارای طبیعت الکتروشیمیایی است.
خوردگی معمولا در هر محیطی صورت می گیرد و بستگی به آن دارد که با چه مصالحی سرو کار داریم. بیش از 57 نوع خوردگی وجود دارد – حتی اجسام غیر فلزی مانند چوب ، پلاستیک ، سرامیک ، لاستیک ، شیشه ، بتن و غیره نیز خورده می شوند - اما خوردگی و فساد غیر فلزات به شکل های دیگری ظاهر می شود.
خوردگی الکتروشیمیایی و شیمیایی
هر چند اغلب فرآیند های خوردگی ماهیت الکتروشیمیایی دارند زیرا شامل یک واکنش اکسایش می باشند .
ولی با وجود این بین موارد زیر تفاوت قائل می شویم.
خوردگی الکتروشیمیایی :
که از طریق یک واکنش الکترودی و معمولا در محیط مرطوب انجام می گیرد. (خوردگی در محلول های آبی، خوردگی اتمسفری در اثر فیلم مرطوب روی سطح فلز و نیز خوردگی در خاک که به کمک رطوبت انجام می گیرد، از این نوع اند.)
خوردگی شیمیایی :
که تحت تاثیر گاز های خشک (مانند اکسایش در دمای بالا) و مایعات آلی بدون آب انجام می گیرد.
زنگ زدگی
به اکسید شدن آهن و آلیاژهایی که با آهن وجود دارد اطلاق می گردد که معمولا در اثر رطوبت یا حتی در هوای خشک نیز حاصل می شود. اصطلاحاتی در این زمینه به کار می روند که از آن جمله اند :
· فیلم : در خوردگی به لایه نازک پوشیده شده بر سطح فلز را که در آنگسترم باشد.
· قشر : به لایه نازک در حد میلیمتری گفته می شود.
· لایه : پوشش ضخیمی که بر روی فلز به وجود می آید و در واقع ضخیمترین پوشش اکسید بر روی فلز محسوب می گردد.
مقیاس اندازه گیری های خوردگی
هنگامی که خوردگی به وقوع می پیوندد وزنی حاصل یا از دست می رود. این وزن در یک واحد سطح و در یک واحد زمانی و اندازه معمولی میلی گرم بر دسی متر مربع در روز است که آنرا با MDD مشخص می کنند. از دست دادن ضخامت فلز را در سال MPY (یک میل در سال) نشان می دهند که مناسب ترین واحد جهت میزان خوردگی در طراحی به شمار می آید ( یک میل برابر یک هزارم اینچ می باشد ) که از فرمول زیر به دست می آید .
W = کمبود وزن نمونه بر حسب میلی گرم
D = وزن مخصوص فلز
A = سطح کل نمونه بر حسب اینچ مربع
T = زمان آزمایش بر حسب ساعت
واحد های دیگری نیز به کار برده می شوند که به سهولت قابل محاسبه با واحد های دیگر هستند. از جمله :
گرم بر دسی متر مربع در روز – گرم بر سانتی متر مربع در روز – گرم بر اینچ مربع در ساعت – گرم بر متر مربع در ساعت – اینچ در سال (IPY) و میلی متر درسال
چنانچه خوردگی فلز کمتر از IPY 005/0 باشد، آنرا جز فلزات مقاوم می شناسند و اگر مقدار خوردگی بین IPY 05/0 تا IPY 005/0 باشد، جز فلزات معمولی و چنانچه مقدار خوردگی از IPY 005/0 بیشتر باشد، جز دسته فلزات ضعیف در برابر خوردگی محسوب می شود.
مهمترین عواملی که در واکنش های خوردگی دخالت موثر دارند عبارتند از :
درجه حرارت : افزایش درجه حرارت موجب ازدیاد میزان و سرعت خوردگی می شود . حتی زمانیکه درجه حرارت قسمت های مختلف از قطعه معینی متفاوت باشد. عموما آن قسمت که درجه حرارتش بیشتر باشد نسبت به سایر نقاط آندتر می شود .
اختلاف پتانسیل : در حالیکه فلزات غیر هم جنس و متصل به هم در محیط مشترکی قرار گرفته باشند، به علت اختلاف پتانسیل موجود بین الکترود ها (مثلا دو فلز روی و آهن در آب نمک) فلزی که در جدول سری گالوانیکی بالاتر است، آند بوده خورده خواهد شد. و در نتیجه این عمل فلز دیگر را محافظت خواهد نمود.
عملیات حرارتی : در نتیجه اعمال عملیات حرارتی رفتار خوردگی اغلب فلزات و آلیاژها شدیدا متاثر خواهد شد.
شرایط سطحی : شروع و سرعت خوردگی در مورد سطوح صیقلی و تمیز فلزات نسبت به سطوح زبر و خشن و یا سطوحی که دارای فیلم های سطحی بوده و یا دیگر موارد خارجی در آن حضور داشته باشند به شدت تغییر می کند.
سرعت : چون فیلم های اولیه خوردگی به دلیل وجود سائیدگی از بین می رود و سطح فلز لخت و فعال مجددا در معرض خوردگی های بعدی قرار می گیرد از این رو مورد بررسی و توجه می باشد.
تشعشع : در این زمینه تحقیقات کمتری صورت گرفته است اما آزمایشاتی که انجام گرفته روشن نموده که در محیط های حاوی تشعشعات اتمی بر روی فلزات میزان و شدت خوردگی تا حدودی افزایش می یابد.
ناخالصی های محیطی : وجود ناخالصی های مختلف در محیط عامل بسیار مهمی بوده و اثرات گوناگونی بر روی خوردگی می گذارند.
زمان : معمولا پیشرفت خوردگی با زمان افزایش می یابد اما شرایطی وجود دارند که میزان خوردگی نسبت به زمان کاهش می یابد.
تنش : مواد و قطعات در شرایطی که تحت تنش های کششی در معرض محیط های خورنده قرار می گیرند شدیدتر و سریعتر از بین می روند.
فشار : بررسی ها و مطالعات نشان داده که فشار عامل موثری روی واکنش های شیمیایی و اکسیداسیون مواد می باشد.
خواص فلزی : توجه به خواص و مشخصات متالوژی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است . ساختمان بلوری، مرزدانه ها، خواص مکانیکی اختصاصی فلزات و آلیاژها روش های ریخته گری، عملیات حرارتی و ترکیب آلیاژها از عوامل مهم و موثری هستند که مد نظر قرار می گیرند .
سایر عوامل : وجود عوامل مختلف باعث پیچیدگی های زیادی در مطالعات خوردگی می گردند، از جمله :
الف ) وجود اختلاف دمیدگی (هوادهی) در سطوح مجاور با الکترولیت ها که سبب ایجاد مناطق آندی و کاتدی می گردد.
ب ) وجود اختلاف غلظت ( یا اختلاف در PH) در نقاط مختلف از سطح فلزی که در محیط الکترولیت یا خورنده قرار گرفته باشد سبب ایجاد مناطق آندی و کاتدی می شود .
ج ) اثرات بیولوژیکی وجود ماکروارگانیسم ها یا میکرواورگانیسم ها در خوردگی مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته و صدمات و خطرات آن ها آشکار شده است.
شرح آزمایش
ابن آزمایش بسیار ساده و البته بسیار دقیق بوده و می بایست شرایطی مورد توجه قرار گیرد از جمله آنکه:
الف)مواد خورنده بایستی به تمام سطوح جسم دسترسی داشته باشند.بنابراین نمونه ها می باید در طول آزمایش در مایع معلق بمانند.
ب)نمونه ها بایستی از لحاظ الکتریکی ایزوله باشند.
ابتدا نمونه ها را با سمباده تمیز می کنیم (دو نمونه از هز آلیاژ پولیش هم می شوند) تا اکسید های سطحی کاملا از بین بروند.
اندازه گیری های وزن و ابعاد را انجام می دهیم و سپس توسط قالب های پلاستیکی درون محلول خورنده (HCl 15%) می کنیم.
پس از مدت مشخص(96 و 144 ساعت) نمونه ها را خارج نموده و با برس ظریفی تمیز می کنیم و در محلول شستشوی مخصوص هر آلیاژ شستشو می دهیم، تا مواد اکسیدی زائل گردند. سپس آن ها را با آب و استون می شوییم.
نمونه ها را دوباره وزن می کنیم.
تحلیل نتایج و خواسته های آزمایش
|
brass |
|
||||||||
|
نمونه |
W1 |
L |
D |
W2 |
W(gr) |
T(h) |
A(cm^2) |
A(inch^2) |
Mpy |
|
1 |
15.2241 |
2.38 |
0.98 |
15.2219 |
0.0022 |
144 |
8.831564 |
1.368892 |
0.405429 |
|
2 |
15.2255 |
2.3 |
1 |
15.2229 |
0.0026 |
144 |
8.792 |
1.36276 |
0.481299 |
|
3 |
16.1741 |
2.5 |
1 |
16.1714 |
0.0027 |
96 |
9.42 |
1.4601 |
0.699735 |
|
4 |
15.4435 |
2.38 |
1 |
15.4421 |
0.0014 |
96 |
9.0432 |
1.401696 |
0.377944 |
|
5 |
15.9707 |
2.48 |
1 |
15.9694 |
0.0013 |
96 |
9.3572 |
1.450366 |
0.339171 |
|
6 |
16.6281 |
2.5 |
1 |
16.626 |
0.0021 |
96 |
9.42 |
1.4601 |
0.544239 |
|
steel |
|
||||||||
|
1 |
12.1815 |
2 |
1 |
12.1529 |
0.0286 |
96 |
7.85 |
1.21675 |
16.76255 |
|
2 |
12.1984 |
2 |
1 |
12.1618 |
0.0366 |
96 |
7.85 |
1.21675 |
21.45138 |
|
3 |
12.3628 |
1.97 |
1 |
12.2903 |
0.0725 |
96 |
7.7558 |
1.202149 |
43.00858 |
|
4 |
12.3272 |
1.98 |
1 |
12.3268 |
0.0004 |
96 |
7.7872 |
1.207016 |
0.236332 |
|
5 |
12.2636 |
2 |
1 |
12.2102 |
0.0534 |
144 |
7.85 |
1.21675 |
20.86527 |
|
6 |
11.1414 |
2.02 |
0.96 |
11.0541 |
0.0873 |
144 |
7.536 |
1.16808 |
35.5325 |
همان طور که در مقدمه گفتیم از رابطه ی Mpy میزان خوردگی هر یک از نمونه ها را حساب نموده ایم.
وقتی سطحی زبرتر است به نوعی میزان تماسش با الکترولیت بیشتر بوده و این سبب افزایش نرخ خوردگی با افزایش زبری سطح می گردد و بالعکس با افزایش صافی، در اثر پولیش خوردگی کاهش می یابد.
|
تصویر 1- نمونه های برنجی زیر میکروسکوپ نوری. همانطور که مشاهده می شود، ردیف دوم که نمونه ها پولیش شده اند خوردگی کمتر است. |
|
تصویر 2- نمونه های فولادی زیر میکروسکوپ نوری. همانطور که مشاهده می شود، ردیف دوم که نمونه ها پولیش شده اند، خوردگی کمتر است. |
همانطور که مشاهده می شود خوردگی در نمونه های برنجی در اثر هیدرو کلریک بسیار بیشتر است و شیار های به وجود آمده موید این مطلب می باشد. در ضمن به دلایل گفته شده در مقدمه نمونه هاب پولیش شده کمتر دچار خوردگی شده اند.
منابع
1- پوشش دادن فلزات، دکتر قربانی.
2- مهندسی سطح، فانتانو.