آنالیزهای شناسایی خوردگی

آنالیز های خوردگی یکی از ابزارهای مهم و کاربردی برای مهندسان خوردگی می باشند که با پیش­بینی رفتار خوردگی مواد در محیط های مختلف خورنده، مقاومت خوردگی آن ها را در شرایط محیطی واقعی ارزیابی می­کنند. از آنجا که خوردگی یکی از مهم­ترین دغدغه های مهندسان است، روش های شناسایی و آنالیز آن نیز از اهمیت برخوردار است. هدف این مقاله ارائه آنالیز های مختلف برای تشخیص خوردگی است.

آنالیزهای شناسایی خوردگی روش هایی برای ارزیابی کیفیت و مقاومت مواد هستند. اهدافی که در این آنالیزها دنبال می­شوند، متفاوت هستند. این اهداف می­توانند کمی یا کیفی باشند یا به منظور اندازه گیری یک ویژگی خاص مانند سرعت خوردگی یا مطالعه مکانیزم‌ها انجام شوند. بیشتر آنالیزهای خوردگی، برای خوردگی یکنواخت طراحی شده اند. آزما‌یش‌هایی که برای مطالعه خوردگی‌های موضعی طراحی شده اند، به صورت مقایسه‌ای و کیفی هستند، اما می توان با انجام آزمون‌های الکتروشیمیایی و بررسی های پیچیده‌تر به شکل کمی مورد بررسی قرار داد.

آنالیزهای خوردگی

در آزمون های خوردگی معمولا دو مفهوم کلی مورد اندازه ­گیری قرار می­ گیرند. یکی سرعت و مکانیزم خوردگی و دیگری بررسی کیفی خوردگی های موضعی است. هر کدام از این بررسی ها  اطلاعات مفیدی را در اختیار اپراتور قرار می­دهند.  

انجام تست آنالیز خوردگی

روش های آنالیز خوردگی با جزئیات بیشتر، در ادامه لیست شده اند.

ارزیابی سرعت و مکانیزم

غیر الکتروشیمیایی

• غوطه وری
• آنالیز شیمیایی محلول

الکتروشیمیایی

• آزمون پتانسیومتری
• آزمون کرونوآمپرومتری(پتانسیواستات)
• آزمون ولتامتری چرخه‌ای
• آزمون پلاریزاسیون خطی
• آزمون امپدانس الکتروشیمیایی
• آزمون نویز الکتروشیمیایی

بررسی کیفی خوردگی های موضعی

آزمون خوردگی شیاری

آزمون خوردگی مرز دانه ای

• استرایکر
• وارن

آزمون خوردگی حفره دار شدن

آزمون خوردگی مکانیکی

در ادامه به بررسی و تعریف این آزمون ها پرداخته می­شود.

آزمون ها با هدف ارزیابی سرعت و مکانیزم

این آزمون ها با هدف اندازه­ گیری سرعت خوردگی و شناسایی مکانیزم های دزگیر در واکنش انجام می­ شوند. آزمون های خوردگی که ارزیابی سرعت و مکانیزم را انجام می­دهند، به دو دسته الکتروشیمیایی و غیر الکتروشیمیایی تقسیم می شوند.

آنالیزهای غیر الکتروشیمیایی خوردگی

این آزمون ها با هدف اندازه­ گیری سرعت خوردگی بر مبنای میزان فلز از بین رفته در واحد زمان انجام می­شوند. از مهم ترین آزمون‌های غیرالکتروشیمیایی می­توان به آزمون‌های کاهش/افزایش وزن و آنالیز شیمیایی محلول اشاره کرد.

آزمون غوطه‌وری کاهش / افزایش وزن

از ساده‌ترین و قابل دسترس ترین روش‌ها برای تعیین نرخ خوردگی‌ یک فلز در محیط خاص است. برای انجام این آزمایش ابتدا نمونه‌ها را در محلول‌های خورنده که طبق استاندارد های خاصی انتخاب می­شوند، قرار داده و در بازه‌های زمانی مختلف، نمونه ها را خارج کرده و وزن می­کنیم. با توجه به کاهش یا افزایش وزنی که ثبت کرده ایم در هر بازه زمانی، نمودار کاهش یا افزایش وزن بر حسب زمان را رسم می­کنیم و از روی شیب آن، سرعت خوردگی را محاسبه می­کنیم. مشکل بزرگی که در این روش وجود دارد، خطای احتمالی بالای آن است. برای مثال، ممکن است نمودار رسم شده از مبدا مختصات نگذرد. یکی از علت ها این است که در زمان شروع آزمایش، حضور اکسیدهای سطحی بر روی فلز که از بین رفتن آن ها نیاز به گذشت زمان دارد، باعث گذشت زمان بدون تغییر در مقدار وزن میشود. به این زمان، زمان خفتگی می­گویند. 

آزمون آنالیز شیمیایی محلول

راه دیگری که می­توان نرخ خوردگی را محاسبه نمود، اندازه گیری غلظت کاتیون های تولید شده از فلز در محلول مورد نظر است. با رسم نمودار غلظت یون بر حسب زمان غوطه وری می توان سرعت خوردگی نمونه را محاسبه کرد.

آزمون‌های الکتروشیمیایی

در این آزمون ها مبنای کار محاسبه الکترون آزاد شده در واکنش آندی خوردگی است، که خود مبنایی برای تعیین سرعت خوردگی است. انواع مختلف آزمون های زیر مجموعه آزمون الکتروشیمیایی شامل آزمون پتانسیومتری،آزمون کرونوآمپرومتری (پتانسیواستات)، آزمون ولتامتری چرخه‌ای، آزمون پلاریزاسیون خطی، آزمون امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون نویز الکتروشیمیایی هستند. در ادامه به بررسی این آزمون ها پرداخته می­شود.

آزمون پتانسیومتری

این آزمون بر اساس قانون نرنست طراحی شده است، و هدف آن اندازه گیری تغییرات پتانسیل بر حسب زمان است.

طبق این رابطه با گذشت زمان، که غلظت یا اکتیویته واکنش دهنده ها و فراورده ها تغییر می کند، پتانسیل تعادلی نیز تغییر می­کند. یکی از کاربردهای این آزمون بررسی وضعیت قطعات با پوشش گالوانیزه است. با مشاهده تغییر ناگهانی در پتانسیل، می­توان نتیجه گرفت که پوشش گالوانیزه در حال تخریب است. در شکل زیر نمونه‌ای از آنالیز انجام شده مشاهده می­شود. این آزمون برای یک فولاد زنگ نزن انجام شده است. همانطور که مشخص است، پتانسیل سیستم با گذشت زمان کوتاهی افزایش یافته، اما با گذشت زمان مجددا پتانسیل کاهش یافته است. می­توان چنین استنباط کرد که در ابتدا لایه پسیو دچار آسیب شده است، اما مجدد شروع به بازیابی خود کرده است.

شکل۱ : نمودار حاصل از آزمون پتانسیومتری.

از این روش‌ برای پایش خوردگی و مطالعه پیوسته مرحله خوردگی می­توان بهره برد. از مزیت های این آزمون سادگی بهره­گیری از آن و دینامیکی بودن آنالیز است.

آزمون کرونوآمپرومتری(پتانسیواستات)

کرونوآمپرومتری آزمونی مشابه آزمون پتانسیومتری است، تنها تفاوت این است که یک پتانسیل ثابت اعمال شده و تغییرات جریان بر حسب زمان اندازه گیری می‌شود. درواقع در این آزمون پلاریزاسیون غلظتی در نظر گرفته می­شود. رابطه­ ی حاکم در این آزمون رابطه کاترل است. طبق رابطه زیر می­توان هر یک از پارامتر های جریان حدی خوردگی، ضریب نفوذ و ضخامت لایه نفوذی در سیستم خوردگی محاسبه نمود.

شکل ۲: نمودار حاصل از آزمون پتانسیواستات.

آزمون پلاریزاسیون خطی (LSV)

آزمون پلاریزاسیون خطی (LSV) پلاریزاسیون به معنای افزایش یا کاهش پتانسیل الکترود در اثر عبور جریان در هنگام خوردگی است. این آزمون بر مبنای رسم نمودار تافلی که با اندازه گیری تغییر جریان سیستم، با تغییر پتانسیل رسم می­شود، انجام می­شود. برای این کار پتانسیلی اعمال می­شود و تغییرات  جریان ثبت می­شود. این پتانسیل اعمالی در حدی است که نمونه پلاریزه می‌شود. با استفاده از این نمودار می توان شاخه آندی و کاتدی نمودار را تشخیص داده و شیب هر کدام از خطوط را تعیین نمود . تقاطع خطوط رسم شده جریان خوردگی را تعیین می­کند. می­توان با استفاده از مقدار جریان خوردگی، نرخ خوردگی را تعیین نمود.

شکل ۳: نمودار حاصل از آزمون پلاریزاسیون خطی.

آزمون ولتامتری چرخه‌ای (CV)

روش ولتامتری چرخه‌ای، آزمونی‌ است که به مطالعه واکنش‌های الکتروشیمیایی می­پردازد و در واقع مکانیزم های خوردگی را تعیین می­کند. در این روش نیز با اعمال یک ولتاژ متناوب کوچک با دامنه کم، تغییر جریان سیستم ثبت می­شود، و با رسم نمودار ولتاژ بر حسب جریان در نقاطی پیک آندی و کاتدی خواهیم داشت که با بررسی آن ها می‌توان به مکانیزم‌ها و نوع واکنش‌هایی که در هنگام خوردگی به وقوع می­ پیوندند، پی­برد.

شکل ۴: نمودار حاصل از آزمون ولتامتری چرخه­ای

در سنسورهای الکتروشیمیایی از این روش برای تعیین غلظت یک ماده، محاسبات پارامترهای فیزیکی مانند ضریب نفوذ و ضریب الکتیویته یک جزء در سیستم الکتروشیمیایی، محاسبات سینتیکی و محاسبه پارامترهای خوردگی مانند مقاومت پلاریزاسیون استفاده می­شود.

آنالیز ولتامتری چرخه ای CV

آزمون امپدانس الکتروشیمیایی

ابتدا یک پتانسیل متناوب که به شکل سینوسی تغییر می­کند، اعمال می­شود. نمونه توسط سیگنال تحریک شده و به آن پاسخ می‌دهد. پاسخ نمونه به سیگنال پتانسیل داده شده از نوع جریان متناوب است ،که از پاسخ نمونه می­توان اطلاعات مفیدی را استخراج کرد. در این روش، پتانسیل اعمالی نمونه را پلاریزه نمی­کند. پس از ثبت اطلاعات، با اندازه گیری اختلاف فاز بین پتانسیل و جریان مطالعه و همچنین رسم نمودارهای نایکوئیست، بد و بدفاز می‌توان میزان مقاومت‌ها را محاسبه نمود و طبق فرمول زیر به نرخ خوردگی دست یافت. از این آزمون برای اندازه‌گیری جریان خوردگی در پیل‌های الکتروشیمیایی استفاده می­شود.

آزمون امپدانس الکتروشیمیایی

آزمون نویز الکتروشیمیایی

همواره در واکنش‌­ها ، تولید یا مصرف الکترون به شکل ماکروسکوپی(الکتروشیمیایی)و میکروسکوپی(شیمیایی) انجام می­شود. برخلاف آزمون‌های قبل که یک پتانسیل تحریک وجود دارد و پاسخی دریافت می‌شود، در این آزمون پتانسیل تحریکی وجود ندارد و مجموعه پاسخ‌های فلز در برابر واکنش‌های خوردگی هستند،که ثبت می‌شود. نتایج این آزمون به صورت نمودار جریان و پتانسیل بر حسب زمان که نویز دار هستند، نمایش داده می‌شود. محاسبه به این صورت است که ، با بدست آوردن پارامتری تحت عنوان مقاومت نویز، دانسیته جریان خوردگی محاسبه می‌شود. با استفاده از محاسبات دیگر می‌توان تعیین نمود که چه سهمی از خوردگی مربوط به خوردگی موضعی و چه سهمی مربوط به خوردگی یکنواخت است.

از معایب این روش می­توان به شرایط خاص انجام آن اشاره کرد. نمونه باید در اتاقکی قرار گیرد که هیچ گونه نویز خارجی در آن نباشد. مزیت این روش بر روش‌های قبل که فقط خوردگی یکنواخت را در نظر می­گیرند، این آزمون می‌تواند علاوه بر آن، خوردگی موضعی را نیز بررسی کند. 

آزمون‌ های کیفی در خوردگی موضعی

این آزمون ها با هدف مقایسه کیفی خوردگی ها مورد استفاده قرار می­گیرد. بیشتر برای خوردگی هایی که موضعی هستند، استفاده می­شود. از انواع این آزمون ها می­توان به سنجش خوردگی شیاری،سنجش خوردگی حفره‌دار شدن،سنجش خوردگی مرزدانه‌ای و سنجش خوردگی مکانیکی اشاره نمود.

سنجش خوردگی شیاری

خوردگی شیاری را می‌توان به صورت کیفی ارزیابی نمود. برای اینکه میزان خوردگی شیاری را به صورت کیفی تعیین کنند، باید در ابتدا شرایط را برای ایجاد شیار و خوردگی شیاری را در نمونه ایجاد کنند. این کار را به روش­های گوناگونی انجام می­دهند. یکی از این روش ها استفاده از واشر و چوب پنبه که توسط پیچ و مهره بر روی سطوح نمونه متصل می­شود، است. این نمونه‌ها باید در محلول‌های خورنده غوطه‌ور شوند تا شرایط خوردگی برقرار شود. پس از گذشت زمان معینی، به بررسی عمق حفرات ایجاد شده و خوردگی واشرها به طور کیفی می­پردازند. برای بررسی خوردگی شیاری می­توان از آزمون‌های الکتروشیمیایی استفاده کرد. نمودارهای جریان-زمان و ایوانس را برای نمونه‌ای که در شرایط خوردگی شیاری قرار داشته در تصویر زیر مشاهده می­کنیم. بر اساس این نمودارها می‌توان تغییرات جریان خوردگی را در اثر خوردگی شیاری بررسی کرد.

سنجش خوردگی حفره‌دار شدن

روشی است که مقاومت یک فلز در برابر خوردگی حفره‌دار شدن را نشان می­دهد. در این روش از نمودار پتانسیل بر حسب لگاریتم جریان برای تعیین پتانسیل یا دانسیته جریانی که در آن حفره‌دار شدن شروع می‌شود، استفاده می­شود. بر این اساس می‌توان پتانسیل لازم برای شروع تشکیل حفرات را که بر روی آن لایه پسیو ایجاد شده است، پیش بینی کنیم. همچنین با برگرداندن پتانسیل (پلاریزاسیون سیکلی) و محاسبه نقطه تقاطع آن با نمودار اولیه می‌توان پتانسیل حفاظت از حفره دار شدن را تخمین زد. در پتانسیل‌های پایین‌تر از این مقدار، حفره‌دار شدن اتفاق نخواهد افتاد.

سنجش خوردگی مرزدانه‌ای

آزمون های متداول

• آزمون استرایکر
• آزمون وارن

آزمون استرایکر

نمونه از جنس فولاد زنگ نزن است.برای ایجاد شرایط خوردگی مرزدانه ای، یک خط جوش عرضی در نمونه ایجاد می­شود، تا نمونه در محدوده دمایی حساس شدن(500-700درجه سانتی گراد) حساس شود. سپس نمونه را در جهت عمود بر خط جوش برش داده و با قرار دادن آن در محلول اگزالیک اسید شرایط خوردگی را فراهم می­کنند. برای بررسی کیفی میزان خوردگی مرزدانه‌ای، سطح آن توسط میکروسکوپ مشاهده می‌شود.

آزمون وارن

نمونه‌های فولادی در یک کوره با قرار گرفتن در دمای حساس شدن ، حساس می‌شوند و 5 مرحله در محلول خورنده قرار می­گیرند که مدت زمان هر مرحله تقریبا 30 دقیقه است. سپس توسط آزمون کاهش وزن و محاسبه سرعت خوردگی، اگر نسبت سرعت خوردگی نمونه حساس شده به سرعت خوردگی نمونه حساس نشده کمتر از 1.5 باشد، فولاد در برابر خوردگی مرزدانه‌ای مقاوم است.

سنجش خوردگی مکانیکی

برای مطالعه خوردگی همراه با تنش، معمولا با خم کردن نمونه‌ها تنش کششی را اعمال می­کنند. این نمونه‌ها در بخار محیط خورنده قرار داده می‌شوند. سپس بررسی کیفی و میکروسکوپی ترک‌های انجام می­شود. همچنین آزمون‌های پتانسیومتری و پلاریزاسیون برای بررسی خوردگی انجام می­شود. محاسبه تنش ایجاد شده در نمونه به واسطه خم شدن از طریق رابطه اویلر انجام می­شود.

نکاتی مربوط به انجام آنالیز خوردگی

• مدت زمان لازم برای آزمون خوردگی: هر نمونه ای باید حداقل 2 بار مورد آزمایش قرار گیرد. زمان مورد نیاز برای انجام آزمایش به سرعت خوردگی نمونه ها بستگی دارد، و نمونه ها با سرعت خوردگی بیشتر باید در زمان کمتری تحت آزمایش قرار گیرند. زمان تقریبی مورد نیاز آزمایش از فرمول تجربی بدست آمده در پایین می توان زمان را محاسبه نمود:
• هوادهی و هوازدایی محلول: در بسیاری از موارد در محلول مورد استفاده ممکن است مقداری اکسیژن حل شده وجود داشته باشد که وجود آن می تواند خوردگی فلزات را تشدید کرده یا کاهش دهد. بنابراین برای انجام آزمایش‌ها باید مقدار اکسیژن به درستی تعیین شود و با توجه به نیاز، محلول اولیه را هوادهی یا هوازدایی کنید.
• روش انتخاب: برای  انتخاب یک روش آنالیزخوردگی مناسب، ابتدا باید هدف از اجرای آن مشخص شود تا  بر مبنای آن روش آزمون مناسب را انتخاب کرد .

پارامتر های مورد بررسی در آزمون ها

1. جریان و سرعت خوردگی
2. مطالعه خوردگی به صورت کیفی
3. مطالعه مکانیزم‌ها و واکنش‌های خوردگی

به منظور جلوگیری از خوردگی، داشتن دانش کافی از انواع خوردگی، روش های جلوگیری از آنها و همچنین توانایی پیش بینی آنها با استفاده از آنالیزها و آزمون های مختلف الزامی است. در این مقاله به بحث درباره خورگی و انواع آن و در نهایت روش­های شناسایی خوردگی پرداخته شد. انواع روش ها نام برده شدند و ویژگی های هر کدام با نحوه انجام آنها بازگو شد. از هر کدام از روش ها با توجه به نیاز و هدف انجام آنالیز، می­توان استفاده نمود.