دانلود مقاله خوردگی در سازه های فلزی

1مقدمه :

   خوردگی عامل بخش عمده ای از شکست سازهای فلزی است و اهمیت آن نه تنها از ایننظر است که شکست در بیشتر موارد ناگهانی است بلکه بیشتر به علت حضور و تاثیر همه جانبه آن می باشد خوردگی  عبارت است از تخریب ناخواسته یک ماده بر اثر واکنش آن با محیط اطرافش تعریف کلی است و تمام موارد از جمله فلزات، سرامیک ها، و پلاستیک ها را در بر می گیرد. در اینجا بحث درباره خوردگی فلزات می باشد. فلزات می باشد. فلزات قابلیت هدایت الکتریکی زیادی دارند و فرایند خوردگی در آن ها از نوع الکتروشیمیایی می باشد در حالی که برای مواد غیر هادی از نوع شیمیایی است و اصول شیمی فیزیکی درباره آن ها مطرح می شود.

   بهبود رفتار خوردگی فلزات از نظر اقتصادی و پیشرفت جامعه اهمیت بسزایی دارد و لذا آموزش و گردآوری اطلاعات در این زمینه بسیار مفید می باشد.

در عمل با انجام فرآیندهای بر روی فلز یا محیط اطراف آن و یا هر دو خوردگی کنترل می شود

کنترل محیط ممکن است شامل کنترل ترکیب شیمیایی محیط اطراف فلز کاهش رطوبت اتمسفر هوازدایی الکترولیت تبخیر دادن PH به میزان مجاز حذف باکتری ها، کاهش دما واضافه کردن مواد شیمیایی برای کاهش سرعت خوردگی باشد این ها عملیات های مهم برای کاهش خوردگی بخصوص از طریق ایجاد پوشش مهمترین عاملی است که در اینجا به آن می پردازیم.

  از نظر تولید باید فلز یا آلیاژی را تهیه کرد که به هنگام ساخت سازه در محیط های مختلف دارای مقاومت به خوردگی باشد مثلا اضافه کردن 1% قطع به آلیاژ های 30-70 و 40 و 60 مس و روی مقاومت به خوردگی را در محیط های دریایی افزایش می دهد همچنین می توان مقدار کمی مس و کروم را به فولادهای ساختمانی کم کربن یا کربن متوسط اضافه نمود. افزودن کروم و نیکل به فولادهای کم کربن و ایجاد فولادهای زنگ نزن برنج های قلع دار و فولادهای (Con-Ten) نمونه هایی از روش هایی هستند که می توان با ان ها مقاومت به خوردگی را بهبود بخشید بدون آنکه در خواص مکانیکی آلیاژ تغییری ایجاد شود. همچنین از عملیات سطحی نیز می توان برای بهبود مقاومت به خوردگی استفاده نمد. به این صورت که فلز یا الیاژ نسبتا ارزانی مانند فولاد ماده کربنی را انتخاب نمود و فلزات گران تر مانند کروم یا قلع را برای ایجاد خواص سطحی بر روی آن پوشش داد انتخاب مواد پوشش دهند به ظاهری که از قطعه انتظار می رود همچنین به میزان سادگی اعمال پوشش و محل و شرایط کاربرد آن بستگی دارد اگر هدف از حفاظت از جلوگیری از تشکیل محصول ناخواسته ناشی از خوردگی باشد و تکمیل فلزی و سطح غیر ضروری باشد آن گاه پوشش های غیر فلزی مناسب تر خواهد بود. رنگ پوشش تکمیل کننده ارزانی است و به آسانی می توان آن را تجدید کرد ولی اگر غیر قطعه پوشش شونده بیش از بیست سال باشد استفاده از یک پوشش اولیه داخلی ضروری خواهد بود.

1-2-نظریه الکترولیز

   آبکاری الکترولیکی فلزات فرایندی الکتروشیمیایی است در حین این فرآیند واکنش های شیمیایی در فصل مشترک الکترود و الکترلیت انجام می شود که منجر به اکسیداسیون و احیاء می شود اگر بخواهیم واکنش مورد نظر را در جهت تصحیح انجام شود باید از برق D.C استفاده کنیم اثرهای متعددی در کاتد،آند، و الکترولیت به وجود می آیند که همه آنها خود به خود و با هم همزمان هستند و سیستم در تمام مدت در حالت تعادل می ماند مثل الکترولیزنمک با آند حل شونده یا الکترولیز نمک با آندهای غیر محلول یا الکترولیز اسید با آند غیر محلول.

عوامل زیادی بر حرکت یون ها و واکنش آنها در الکترودها اثر می گذارد یکی از این عوامل قابلیت هدایت الکترولیتی است که تحت تاثیر درجه تفکیک الکترولیت سرعت مهاجرت یون های مختلف دمای الکترولیت و غلظت آن قرار می گیرد. ابتدا به شرح مهمترین عامل در آبکاری یعنی پلاریزاسیون می پردازیم.

1-3-پلاریزاسیون

    اختلاف پتانسیل یک الکترود را بین حالت مدار باز و حالتی که جریان می گذرد پلاریزاسیون می گویند پلاریزاسیون با عبور جریان مخالفت می کنند و نقش کنترل کننده خوردگی را دارد عوامل موثر بر واکنش هایی که در الکترودها رخ می دهد موجب پلاریزاسیون می شود این پددیه مهمترین عامل در آبکاری است به طور کلی سه نوع پلاریزاسیون فعال سازی (A)، غلظتی (C) ومقاومتی (R) وجود دارد.

1-3-1 پلاریزاسیون فعالسازی:

   برای انجام هر واکنش شیمیایی و یا الکترود شیمیایی به به مینیمم انرژی معینی بر سیم و یا به عبارت دیگر انرژی متوسط واکنش انرژی فعالسازی آن است و باید هر یون هر عامل واکنش کننده به حد انرژی فعالیت خود برسند تا واکنش دما مقدار آن کم می شود بعد از قطع جریان در چند میلی ثانیه لاریزاسیون فعالسازی از بین می رود.

1-3-2 پلاریزاسیون غلظتی:

بر اثر اختلاف غلظت در اطراف الکترودها، در مقایسه با حجم محلول محلول حاصل می شود این اختلاف غلظت در حین الکترولیز به وجود می آید زیرا سرعت مهاجرت یون ها در محلول با سرعت حل شدن آن ها یا سرعت رسوب آن ها بر روی الکترودها برابر نیست لذا همواعره در اطراف الکترودها غلظت تغییر می‌کند و پتانسیل بیشتری برای الکترلیز لازم می شود.

   با به هم زدن محلول می توان پلاریزاسیون غلظتی و لایه نفوذی را تغییر داد با افزایش دما نیز پلاریزاسیون غلظتی کم می وشد اگر جریان قطع می شود سن از چند ثانیه پلاریزاسیون غلظتی از بین می رود با تلاطم نیز محلول لایه نفوذی کوچکتر می شود و لذا پلاریزاسیون غلظتی کم می شود و لذا پلاریزاسیون غلظتی کم می شود.

1-3-3 پلاریزاسیون مقاومتی:

   علت این نوع پلاریزاسیون ایجاد مقاومت اهمی در سیستم است که باعث افت پتانسیل اهمی می شود. مقاومت الکترولیت و یا تشکیل فیلم روی سطح الکترد باعث افت ولتاژ می گردد (رابطه بین تغییر پتانسیل و مقاومت جریان) ZR=R.I

که R مقاومت فیلم تشکیل شده  و I جریان (A) می باشد. پس از چند میکرو ثانیه بعد از قطعه جریان پلاریزاسیون مقاومتی از بین می رود برای جلوگیری از این نوع پلاریزاسیون باید در حین اندازه گیری پتانسیل نوک پل نمکی را تا جائی که ممکن است نزدیک الکترود قرار دارد.

   انواع پلاریزاسیون های دکر شده در آبکاری اتفاق می افتد و چگونگی آنها به نوع الکترولیت و شرایط کار بستگی دارد مثلا در الکترولیت هایی که یون های فلزی هیدراته می شوند ولی کمپلکش نیستند غلظت یون فلزی به اندازه کافی زیاد است و پلاریزاسیون غلظتی کم می باشد و برعکس در الکترولیت های سیاتیدی پلاریزاسیون غلظتی قابل ملاحظه است زیرا اکثریت یون ها به صورت کمپلکس هستند و فعالیت یون آزاد کم می باشد.

چگالی جریان A/cm2

شکل 1-1 اثر دما روی شکل منحنی های چگالی جریان- پتانسیل

چگالی جریان A/cm2

شکل 2-1- منحنی های چگالی جریان پتانسیل برای الکترولیت های مختلف

1-4- منحنی های چگالی جریان کاتدی- پتانسیل

   برای دانستن رفتار یک الکترولیت نه تنها مقدار ولتاژ پلاریزاسیون بلکه سایر عوامل موثر را هم باید بدانیم این عوامل از روی منحنی های چگالی جریان- پتانسیل معلوم می شوند این منحنی ها نشان دهنده آند و کاتدند و برای هر الکترود منحنی جداگانه رسم می شود بر طبق قرارداد بین المللی ولتاژ مثبت را با محور عمودی جریان را با محور افقی نشان می دهیم. چگالی جریان آندی را در سمت راست و کاتدی را در سمت چپ رسم می کنیم.

   در حمام سیانیدی مس، رسوب مس پلاریزاسیون زیادی توام است و بر طبق شکل 1-1 مقدار پلاریزایسون با افزایش دما کم می شود. فلزات و الکترولیت های مختلف منحنی ها متعددی دارند در شکل 1-2 برخی از منحنی های عملی دیده می شود این منحنی ها تغییرات پتانسیل- چگالی جریان کاتدی را در حمام های آبکاری مس اسیدی، مس سیانوری، وات نیکل و نقره سیانوری نشان می دهند.

1-4-1 ولتاژ اضافی:

   در هر الکترولیت، یون های هیدروژن و یون ها فلز وجود دارد و چون یون های هیدروژن نسبتا نجیب ترند لذا باید در محلول های اسیدی، هیدروژن قبل از فلزات رسوب کند ولی در عمل این طور نیست مثلا فلز روی را می توان از محلول های اسیدی نشست داد با وجود آنکه روی فعال تر از هیدروژن است این مقدار ولتاژ اضافی را پتانسیل اضافی هیدروژن می نامیم هیدروژن طی مراحل مختلفی متصاعد می شود که کندترین مرحله کنترل کننده سرعت تصاعد می باشد PH، ترکیب شیمیایی و دمای الکترولیت در پتانسیل اضافی تاثیر دارند ولتاژ اضافی در دماهای بالا کمتر است و با گذشت زمان الکترولیز افزایش می یابد و پس از مدتی به مقدار ماکزیمم می رسد فرکانس جریان ولتاژ اضافی با جریان متناوب کمتر است.

   کشش سطحی، نور ماوراء بنفش، فشارهای خارجی روی سیستم و میزان ناخالصی های موجود در الکترولیت یا فصل مشترک الکترود و الکترولیت از دیگر عامل های موثر بر ولتاژ اضافی است فلزات نرم با نقطه ذوب پائین مثل Bi, Zn, cd بیشترین ولتاژ اضافی هیدروژن را دارند در حالی که در مورد فلزاتی با نقطه ذوب بالا ولتاژ اضافی نسبتا کمتر است.