جمهورية العراق
وزارة التعليم العالي والبحث العلمي
جامعة بابل
كلية العلوم / قسم الفيزياء
التآكل في المعادن والسبائك
Corrosion in metal and alloys
المفردات syllabus
1. مقدمة introduction
2. طرق تصنيف التآكل method of classified corrosion
ا- التآكل الكيميائي المباشر (التآكل الجاف)
direct chemical corrosion (dry corrosion)
ب-التآكل الكهروكيماوي (التآكل الرطب)
electro Chemical corrosion (wet corrosion)
3. أنواع التآكل types of corrosion
ا-التآكل المنتظم uniform corrosion
ب-التآكل النقري pitting corrosion
ج-التآكل الكلفاني (التآكل بين معدنين ) galvanic corrosion
د– التآكل بين الحبيبات intergranular corrosion
هـ - التأكل الفجوي (التصدعي) crevice corrosion
و- التآكل بالنزع الانتقائي selective leading corrosion
اعداد الطالبة أشراف
رباب كريم حمزة حمودي أ.م.د. عبد العزيز عبيد موسى
1431هـ 2010م
المصادر References
(1) الشريفي ، سيف محمد ،تأثير عناصر السبك والمعاملة الحرارية على سلوك سبائك ذات أساس cu-al، رسالة ماجستير ، جامعة بابل ،كلية العلوم ، قسم الفيزياء ، 2007 .
(2) http://www.mmsec.com/ml-engcorrosion/html/(2010)
مقدمة :- Introduction
يعرف التآكل بأنه التفاعل الحاصل بين المعدن الوسط والمحيط الذي يؤدي الى انحلال المعدن والتآثير في خواصه الميكانيكية والفيزياوية او يعرف في بعض الاحيان بأنه فشل يصيب المعدن، بسبب عوامل كيميائية أو كيميائية تساعدها عوامل ميكانيكية متوفرة في الوسط الذي يعمل فيه المعدن[1].
وأخيرا يعرف التأكل بأنه العملية العكسية لأستخلاص المعدن من خاماته أي عودة المعدن الى أصله . فعند أستخلاص المعادن النقية من خاماتها لابد من بذل مقدار من الطاقة . كذلك فأن المعدن النقي سوف يكون مجبرا على التواجد في حالة تختلف عن الحالة التي كان عليها في الطبيعة كما هو الحال في اوكسيد الحديد ، في حين نجد المعادن الثمينة لاتنزع الى التآكل بل تبقى في حالتها النقية مثل الذهب والبلاتين . أن للمحيط دورا كبيرا في حصول التآكل . أذ ان قوانين علم الديناميكيا الحرارية (Thermodynamic) تحدد ميل المعدن للتآكل في أي وسط . لكنها لاتستطيع أن تحدد معدل تآكل المعدن في هذا الوسط ، ويمكن تحديد ميل المعدن للتأكل في أي وسط من العلاقة الاتية :-
?G =-n F E………………………………(1)
حيث أن:
?G = التغير في الطاقة الحرة.
n= عدد الالكترونات المشتركة في التغيير .
F = ثابت فراداي.
E = جهد القطب للمعدن
فأذا كان التغير في الطاقة الحرة المصاحبة للتفاعل مقدرا سالبا فهذا يعني أن التفاعل تلقائي ويصاحب حدوثه تحرير طاقة كما في المغنيسوم والنحاس ، أما اذا كان التغير في الطاقة الحرة المصاحبة للتفاعل مقدارا موجبا فهذا يعني ان التفاعل لايحصل بشكل تلقائي ولأجل حدوثه يحتاج الى طاقة مثل الذهب والبلاتين [1].
تتأثر المواد المختلفة في المحيط الذي يكون في حالة تلامس مباشرة وقد يكون التأثير بسيط جدا بحيث لايؤثر بشكل محسوس على متانة هذه المادة أو يكون شديد جدا قد يؤدي ذلك الى انهيارها وتلفها وبناءا على ذلك فأن أختبار المادة المناسبة لتأدية مهمة معينة يجب ان يتم وفقا لأعتبارات معينة هي :-
v عندما نضع السبيكة داخل الوسط الآكال سوف يتغير الوزن للسبيكة ومع مرور الزمن نحصل على وزن ثابت تقريبا بسبب تكون طبقة خارجية والتي تمنع تفاعل السبيكة مع الوسط الآكال .
v هنالك انواع رئيسية للتآكل تتخذ أشكالا مختلفة تعتمد على نوع وظروف الوسط [2].
2. طرائق تصنيف التآكل-: methods classified of corrosion
ا-التآكل الكيميائي المباشر (التآكل الجاف)
Direct chemical corrosion (Dry corrosion)
ب التآكل الكهروكيميائي (التآكل الرطب)
Electrochemical corrosion (wet corrosion)
فالتآكل الجاف يحدث بوجود وسط غازي محيط بالمعدن ويترافق دائما مع درجات الحرارة العالية . أما التآكل الرطب فيكون الوسط المحيط محاليل مائية أو الالكتروليتات وناتج التآكل في التفاعل الكهروكيميائي يكون أكثر خطورة من ناتج التآكل في التفاعل الجاف [1]
أن نواتج التآكل لها تأثير كبير على معدل التآكل فهي تحدد أستمرار أو توقف التآكل أذ أنها تكون بمرور الزمن طبقة كثيفة على المعدن [2] .
وفيما يلي شرحا مفصلا عن كلا النوعين :-
أ- التآكل الكيميائي المباشر direct chemical corrosion
يحدث هذا التفاعل من تفاعل كيميائي أعتيادي بين الوسط والسطح ويتم به تبادل الجذور بينهما بحيث يكون ناتج التآكل مادة جديدة تذوب في الوسط الآكال ، وقد يكون يشكل مادة غازية متطايرة أو قد تكون مادة لاتذوب في الوسط ولكن يكون الناتج مادة هشة غير ملتصقة على سطح المعدن بشكل جيد بحيث تسمح للوسط الآكال بالوصول الى طبقات جديدة من السطح.
أن من التآكلات الكيميائية النقية الشائعة هي التآكلات التي تحصل بسبب تكون ايونات معقدة بين المعدن المأكول والوسط الآكال وكما هو معروف أن جميع المركبات المعقدة تكون آيونات ذائبة في الماء ، ومن أمثال هذه المعقدات معقدات الامونيا مع النحاس ، أذ تتفاعل الامونيا مع النحاس أو السبائك التي يتواجد بها مكونا مركبات أمونيات النحاسيك أو النحاسوز وكلاهما ذائبان في الماء [2].
ب- التآكل الكهروكيميائي Electro chemical corrosion
هذا النوع من التآكل يتسبب عن تفاعل كيميائي حقيقي بين الوسط والمعدن أو التركيب مصحوبا بأنتقال الالكترونات بين موقعين على السطح أحدهما ذو كثافة الكترونية عالية وموقع آخر ذو كثافة واطئة أو بين نقطتين أحدهما ذات جهد كهربائي واطيء والاخرى ذات جهد كهربائي عال ووجود محيط أو محيط الكتروليتي هو المحيط الآكال .
في هذا النوع من التآكل يتحول المعدن الى آيوناته ويذوب في المحيط (عند الآنود ) طبقا للتفاعل الاتي ]1[:-
M M +n +ne ــ ……………………………(2)
تنتقل الالكترونات الناتجة الى منطقة الكاثود أذا تكتسب آيونات المعدن أو آيونات الهيدروجين الالكترونات المتجمعة عند الكاثود وتختزل عند سطحه فيتحرر الهيدروجين أو تترسب المعادن أو يختزل غاز الاوكسجين كما في المعادلات التالية[1]:-
H+ +e ـــ 1/2 H 2 ………………… ……(3)
M +n +neــ M ……………… ……………(4)
O2+2H2O + 4e 4OH ………………………(5)
معدل التفاعل الآنودي والكاثودي يجب أن يتساوى طبقا الى قانون فراداي (Faraday s Law) وممكن تخمينها بواسطة السريان الكلي للالكترونات والذي يدعى بتيار التآكل (corrosion current ) أذ أن أغلب تفاعلات التآكل هي كهروكيميائية في طبيعتها . كما يبدو أن عملية التآكل الكهروكيميائي تتكون من ثلاث مقومات مهمة هي الآنود والكاثود والوسط الناقل للشحنات الآيونية والالكترونات ويجب أن تتكامل هذه الاضلاع الثلاثة لكي يحصل التآكل الكهروكيميائي[1] .
3. أنواع التآكل : Types of corrosion
هنالك أنواع رئيسية للتآكل تتخذ أشكال مختلفة تعتمد على نوع وظروف الوسط ولكل نوع سبب يختلف عن بقية الانواع ]1[. والشكل (1) يبين انواع التآكل المختلفة :-
الشكل (1) يبين انواع التآكل المختلفة.
أ- التآكل المنتظم uniform corrosion
أن هذا النوع من التآكل هو أكثر الانواع شيوعا . أذ يحصل فيه تآكل لجميع أجزاء سطح المعدن بنفس المعدن تقريبا ، أذ من الممكن أن يحدث هذا التآكل في الظروف الرطبة أو الظروف الجافة.
هذا النوع من التآكل أقل خطورة من بقية الانواع من الناحية التكنولوجية أذ أنه بالامكان تقدير عمر القطعة المعدنية أو الجزء الذي يتعرض للتآكل بدقة والامثلة على هذا النوع متعددة منها انحلال الفولاذ الكاربوني في حامض الهيدروكلوريك المخفف (Hcl) وفقدان فلز الفضة لبريقه وعملية أظهار البنية المجهرية (Etching) .[2] وكما موضح في الشكل (1) .
ب- التآكل النقري pitting corrosion
هو عبارة عن تآكل موضعي شديد يؤدي الى حصول حفر أو ثقوب في سطح المعدن مما يؤدي خشونة السطح . يعد هذه النوع من التآكل خطيرا بسبب صعوبة الكشف عن النقر لصغر حجمها أضافة الى تغطيتها بنواتج التآكل مثل تنقر الالمونيوم والفولاذ المقاوم للصدأ في محاليل الهالوجينات بتأثير الكلورين . وكما موضح في الشكل (2) .
الشكل (2) التآكل النقري في الفولاذ المقاوم للصدأ في محلول كلوريد حامضي
ج- التآكل الكلفاني ( التآكل بين معدنين) Galvanic corrosion
هذا النوع من التآكل هو تآكل موضعي يعود سببه الى وجود معدنين مختلفين يكونان على تماس مع بعضهما من وجود وسط ناقل للكهربائية في هذه الحالة يزداد معدل تآكل احدهما ويقل معدل تآكل الاخر وذلك بالنسبة اى معدل تآكل كل منهما عندما يتعرضان منفردين الى هذا الوسط ويكون المعدن الذي يزداد معدل تآكله بعد التماس مصعدا (انود) والمعدن الذي انخفض معدل تآكله بعد التماس مهبطا(كاثودا) ويصبح معدل تآكل المهبط في هذه الحالة منخفضا جدا او معدوما ان وجود فرق في الجهد الكهربائي بين المعدنين يؤدي الى نشوء التيار الكلفاني المسبب لهذا النوع من التآكل .تؤثر مساحة المصعد والمهبط في هذا النوع من التآكل لذا يفضل ان تكون مساحة المهبط صغيرة جدا بالنسبة لمساحة المصعد .يمكن ملاحظة الفعل الكلفاني (Galvanic-Action)وذلك بحدوث زيادة واضحة في معدل التآكل بالقرب من الوصلات بين فلزين مختلفين [2]
د- التآكل بين الحبيبات Intergranular corrosion هو نوع من انواع التآكل الموضعي الذي يحصل على طول منطقة حدود الحبيبات يحصل هذا النوع من التآكل نظرا لوجود اختلاف في الخواص الميتالورجية لهذه المنطقة عن المناطق الأخرى فتكون حدود الحبيبات اكثر نشاطا للتفاعل مع الوسط من مناطق الحبيبات نفسها.
هـ- التآكل الفجوي (التصدعي ) crevice corrosion
هو تآكل موضعي شديد يتراوح من نخر الى منطقة متآكلة واسعة ينشأ هذا النوع من التآكل بسبب التصميم غير الجيد مع وجود اختلاف في طبيعة الوسط في المنطقة المتآكلة عن بقية أجزاء سطح المعدن مسببانشوء خلايا تركيزية متباينة ينشأ عنها قطبا التآكل من المعدن نفسه. ومثال ذلك تآكل المنطقة المغطاة أو الترسبات على بعض المعادن .الشكل (3) يوضح هذا النوع من التآكل
الشكل (3) التآكل الفجوي (التصدعي)
و- التآكل بالنزع الانتقائي Selective leaching Corrosion
هو انحلال احدى مكونات السبيكة وهو العنصر الاكثر نشاطا وبقاء العنصر أو العناصر الأخرى وهذا يؤدي الى فشل موضعي . ومثال ذلك ازالة الخارصين من سبيكة البراص وبقاء النحاس وتدعى هذه الظاهرة عندئذ الأزالة الخارصينية (De-Zincification).
المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .