خوردگی فولاد: 7 چیزهای مهمی که باید درک کنید

فولاد یکی از پرکاربردترین مصالح مهندسی در ساخت و ساز است, تولید, حمل و نقل, و زیرساخت. محبوبیت آن ناشی از ترکیبی از قدرت است, تطبیق پذیری, و مقرون به صرفه بودن که مواد کمی می توانند مطابقت داشته باشند.

از قاب ها و پل ها تا ماشین آلات و خطوط لوله, فولاد همچنان به عنوان ستون فقرات صنعت مدرن عمل می کند.

اما فولاد در برابر خوردگی مصون نیست. در واقع, خوردگی یکی از مهم ترین عواملی است که تعیین می کند یک قطعه فولادی تا چه مدت می تواند سالم بماند, کاربردی, و مقرون به صرفه در سرویس.

درک روشن از خوردگی برای مهندسان ضروری است, سازندگان, پیمانکاران, و مدیران دارایی به طور یکسان.

هر چه بهتر بفهمید که فولاد چگونه خورده می شود, بهتر می توانید نمره مناسب را انتخاب کنید, سیستم حفاظتی مناسب, و استراتژی تعمیر و نگهداری صحیح.

در اینجا هفت نکته کلیدی وجود دارد که هر کاربر فولادی باید بداند.

1. فولاد به طور طبیعی در برابر خوردگی مقاومت نمی کند

دشت فولاد کربنی یک ماده مقاوم در برابر خوردگی نیست. جزء اصلی آن آهن است, و آهن به راحتی با اکسیژن و رطوبت واکنش نشان می دهد.

وقتی در معرض جو قرار می گیرد, فولاد شروع به اکسید شدن و تشکیل زنگ می کند, که عمدتاً از اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن هیدراته تشکیل شده است, از جمله اکسید آهن هیدراته (Fe2O3⋅nH2O), اکسی هیدروکسید آهن (FeO(اوه)) و هیدروکسید آهن (Fe(اوه)3).

برخلاف فیلم‌های اکسید پایداری که روی برخی فلزات تشکیل می‌شوند, زنگ متخلخل است, ضعیف, و غیر محافظ.

سطح را آب بندی نمی کند. در عوض, این اجازه می دهد تا اکسیژن و آب همچنان به فلز زیرین برسد.

در نتیجه, خوردگی همچنان در حال گسترش است, افشای فولاد تازه بیشتر و تسریع از دست دادن مواد در طول زمان.

به همین دلیل است که نمی توان تصور کرد که فولاد محافظت نشده در محیط های بیرونی یا مرطوب بادوام باقی می ماند.

بدون پوشش مناسب یا استراتژی کنترل خوردگی, خوردگی امکان پذیر نیست; این نتیجه طبیعی است.

2. آلیاژسازی می تواند تا حد زیادی مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشد

چرا فولاد ساده آسیب پذیر است؟

فولاد پایه عمدتاً آهن است, و آهن در حضور اکسیژن و رطوبت از نظر شیمیایی فعال است. این بدان معناست که فولاد بدون آلیاژ یا کم آلیاژ شده هیچ محافظ داخلی در برابر خوردگی ندارد.

هنگامی که لایه سطحی شکسته می شود, خوردگی می تواند به پیشرفت خود ادامه دهد زیرا لایه زنگ تشکیل شده روی فولاد معمولی شل است, متخلخل, و قادر به جداسازی بستر از محیط نیست.

این دلیل اساسی است که چرا طراحی آلیاژ در مهندسی فولاد اهمیت زیادی دارد. مقاومت در برابر خوردگی فقط یک مسئله سطحی نیست; با شیمی داخلی فلز شروع می شود.

چگونه آلیاژسازی رفتار فولاد را تغییر می دهد

با افزودن عناصر آلیاژی انتخاب شده, فولاد را می توان از یک ماده مستعد خوردگی به یک ماده مقاوم در برابر خوردگی تبدیل کرد.

ایده اصلی این است که عناصر خاصی تشکیل یک لایه سطحی پایدارتر را ترویج می کنند, بهبود مقاومت فولاد در برابر رسانه های تهاجمی, یا سرعت واکنش های الکتروشیمیایی که منجر به اتلاف فلز می شود را کاهش دهند.

آلیاژسازی در هر محیطی خوردگی را از بین نمی برد, اما می‌تواند فولاد را از ماده‌ای که باید به شدت محافظت شود به ماده‌ای که می‌تواند خدمات طولانی مدت با تعمیر و نگهداری بسیار کمتر را دوام بیاورد تغییر دهد..

کروم: پایه فولاد ضد زنگ

کروم مهمترین عنصر آلیاژی است که مقاومت در برابر خوردگی هدف است.

زمانی که کروم کافی در فولاد وجود داشته باشد, با اکسیژن واکنش می دهد و یک ماده بسیار نازک را تشکیل می دهد, متراکم, و فیلم اکسید پایدار روی سطح.

این فیلم منفعل دلیل اصلی است فولاد ضد زنگ به طور موثر در برابر زنگ زدگی مقاومت می کند.

فیلم فقط یک مانع نیست. همچنین خود ترمیم می شود. اگر سطح خراشیده یا آسیب دیده باشد, کروم می تواند به سرعت دوباره با اکسیژن واکنش داده و لایه محافظ را بازسازی کند.

این رفتار خود ترمیمی همان چیزی است که فولاد ضد زنگ را از فولاد کربنی در سرویس متفاوت می کند.

نیکل: بهبود ثبات و استحکام

نیکل اغلب به فولاد ضد زنگ برای تثبیت ساختار آستنیتی و بهبود چقرمگی کلی اضافه می شود, شکل پذیری, و رفتار خوردگی.

در بسیاری از درجه های ضد زنگ, نیکل به مواد کمک می کند در طیف وسیعی از محیط ها پایدار بماند و عملکرد را در طول شکل دهی بهبود می بخشد, جوشکاری, و سرویس در دمای پایین.

نیکل جایگزین نقش کروم نمی شود. در عوض, این سیستم کلی مقاوم در برابر خوردگی را با کمک به فولاد برای حفظ ریزساختار مطلوب تر تقویت می کند.

مولیبدن: تقویت مقاومت در کلریدها

مولیبدن به ویژه در محیط های حاوی کلرید مانند جوهای دریایی ارزشمند است, قرار گرفتن در معرض آب دریا, پردازش شیمیایی, و تنظیمات صنعتی غنی از نمک.

این به فولاد ضد زنگ در برابر خوردگی حفره و شکاف کمک می کند, که یکی از خطرناک ترین اشکال خوردگی هستند زیرا می توانند به صورت موضعی ایجاد شوند و با هشدار کمی قابل مشاهده به عمق نفوذ کنند..

به همین دلیل است که گریدهای حاوی مولیبدن اغلب زمانی انتخاب می شوند که فولاد ضد زنگ معمولی کافی نباشد. در عمل, این عنصر اغلب بین خدمات قابل قبول و غیر قابل اعتماد در محیط های تهاجمی تفاوت ایجاد می کند.

سایر عناصر آلیاژی مفید

سایر عناصر آلیاژی نیز به مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد خدمات کمک می کنند:

منگنز می تواند تعادل آلیاژ را پشتیبانی کند و به جایگزینی نیکل در برخی گریدها کمک کند.

نیتروژن می تواند استحکام را بهبود بخشد و مقاومت در برابر خوردگی موضعی را در فولادهای ضد زنگ خاص افزایش دهد.

سیلیکون می تواند مقاومت اکسیداسیون را در کاربردهای با دمای بالا بهبود بخشد.

مس می تواند مقاومت را در برخی رسانه های خورنده خفیف بهبود بخشد و در برخی از درجه های تخصصی استفاده می شود.

هر عنصر نقش متفاوتی دارد, اما ایده گسترده تر یکسان است: مقاومت در برابر خوردگی مهندسی شده است, تصادفی نیست.

آلیاژسازی بهبود می یابد, اما فولاد را شکست ناپذیر نمی کند

حتی فولاد ضد زنگ بسیار آلیاژی نیز محدودیت هایی دارد. اسیدهای قوی, غلظت کلرید بالا, شرایط شکاف, پرداخت ضعیف سطح, و مناطق جوش متاثر از حرارت همگی می توانند عملکرد را به خطر بیندازند.

آلیاژسازی مقاومت را بهبود می بخشد, گاهی به طور چشمگیری, اما محیط همچنان نتیجه نهایی را کنترل می کند.

به همین دلیل است که انتخاب مواد باید همیشه با شرایط خدمات مطابقت داشته باشد.

درجه ای که در داخل خانه عملکرد خوبی دارد ممکن است در آب دریا ناکافی باشد, و درجه ای که در آب دریا کار می کند ممکن است در یک سیستم به شدت اسیدی یا ضعیف حفظ شود.

3. محیط های غنی از کلرید به خصوص تهاجمی هستند

یکی از مخرب ترین محیط ها برای فولاد قرار گرفتن در معرض کلرید است.

نمک پاش, آب دریا, نمک های یخ زدایی, و برخی از سیالات فرآیند صنعتی همگی می توانند به فیلم های اکسید محافظ حمله کرده و باعث خوردگی موضعی شوند.

یون های کلرید به ویژه خطرناک هستند زیرا با غیرفعال شدن تداخل می کنند و می توانند باعث ایجاد خوردگی حفره ای و شکاف شوند..

به جای ایجاد صاف, از دست دادن یکنواخت فلز, کلریدها اغلب کوچک ایجاد می کنند, مکان های خوردگی عمیق که تشخیص آنها بسیار سخت تر و برای یکپارچگی سازه خطرناک تر است.

به همین دلیل است که فولادهای ضد زنگ معمولی ممکن است در خدمات دریایی یا ساحلی با مشکل مواجه شوند, در حالی که گریدهای مولیبدن دار مانند 316 اغلب برای مقاومت بهتر در برابر کلرید انتخاب می شوند.

در شرایط بسیار شدید, حتی فولاد ضد زنگ باید با پوشش مناسب جفت شود, جزئیات طراحی, و طرح نگهداری.

4. مناطق جوش داده شده اغلب آسیب پذیرترین هستند

اتصال جوش داده شده به ندرت مانند فلز پایه اطراف آن است. جوشکاری یک ناحیه متاثر از حرارت با ریزساختار تغییر یافته ایجاد می کند, استرس پسماند, و گاهی اوقات مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می دهد.

در فولاد ضد زنگ, یکی از مسائل کلاسیک حساسیت است, جایی که کاربیدهای کروم می توانند در نزدیکی مرزهای دانه تشکیل شوند و کروم موجود برای غیرفعال شدن را کاهش دهند..

این می تواند ناحیه جوش داده شده را در برابر خوردگی بین دانه ای یا ترک خوردگی تنشی مستعدتر کند., به خصوص اگر حرارت ورودی خیلی زیاد باشد یا از مواد پرکننده اشتباه استفاده شود.

حتی زمانی که خود جوش قوی باشد, رفتار خوردگی موضعی ممکن است ضعیف تر از حد انتظار باشد.

به همین دلیل است که جوشکاری ضد زنگ فقط یک عملیات اتصال نیست. این یک فرآیند متالورژیکی کنترل شده است که باید انتخاب پرکننده را در نظر بگیرد, ورودی حرارت, تمیز کردن پس از جوش, و, جایی که نیاز است, درمان پس از جوش.

5. آلودگی ناشی از آهن معمولی می تواند به فولاد ضد زنگ آسیب برساند

فولاد ضد زنگ اگر بخواهد طبق برنامه عمل کند باید تمیز بماند. تماس با ابزار فولاد کربن معمولی, ذرات آهنی, یا سطوح کار آلوده می توانند آهن آزاد را روی سطح ضد زنگ وارد کنند.

این آلودگی می تواند فیلم غیرفعال را مختل کند و لکه های زنگ موضعی یا مناطق مستعد خوردگی ایجاد کند..

این همان خوردگی گالوانیکی بین دو فلز غیرمشابه نیست; مشکل آلودگی است.

حتی تماس کوتاه با ابزار کثیف یا گرد و غبار سنگ زنی فولاد می تواند ذرات را در سطح باقی بگذارد..

اگر آن ذرات اکسید شوند, آنها باعث می شوند فولاد ضد زنگ به نظر برسد که گویی در حال خوردگی است, حتی اگر مشکل از آلودگی شروع شد.

به همین دلیل, ساخت ضد زنگ نیاز به نظم و انضباط فروشگاهی دقیق دارد. ابزارهای اختصاصی, مناطق کار تمیز, و تمیز کردن سطح مناسب اختیاری نیست; آنها بخشی از کنترل خوردگی هستند.

6. خوردگی یکنواخت معمولاً کمتر از حمله موضعی خطرناک است

همه خوردگی ها به یک شکل عمل نمی کنند. خوردگی یکنواخت مواد را کم و بیش به طور یکنواخت در سراسر سطح حذف می کند, که اغلب از نظر بصری ناخوشایند اما نسبتاً قابل پیش بینی است.

زیرا آسیب گسترده است, بازرسی آسان تر است, اندازه گیری, و مدیریت کنید.

در مقابل, خوردگی موضعی مانند خوردگی حفره ای یا شکافی می تواند بسیار جدی تر باشد.

ممکن است روی سطح جزئی به نظر برسد در حالی که نفوذ عمیقی در زیر سطح ایجاد می کند.

در کاربردهای ساختاری یا حاوی فشار, این نوع آسیب پنهان می تواند منجر به شکست ناگهانی شود.

این بدان معناست که ظاهر به تنهایی برای قضاوت در مورد ریسک کافی نیست.

در صورتی که خوردگی یکنواخت و تحت نظارت باشد، ممکن است هنوز زمانی برای یک سطح زنگ زده باقی بماند, در حالی که اگر محیط شدید باشد و درجه انتخاب مناسبی نداشته باشد، یک جزء ضد زنگ تمیز ممکن است همچنان دارای حمله موضعی پنهان باشد..

7. فولاد را می توان با چندین سیستم کنترل خوردگی محافظت کرد

کنترل خوردگی یک سیستم است, نه یک محصول

خوردگی فولاد با یک راه حل جهانی مدیریت نمی شود.

در عمل, مقاومت در برابر خوردگی با ترکیب به دست می آید انتخاب مواد, حفاظت از سطح, جزئیات طراحی, انزوای محیطی, و استراتژی نگهداری.

به همین دلیل است که فولاد همچنان یک ماده مهندسی پرکاربرد است: حتی اگر به راحتی خورده شود, همچنین می توان به روش های مختلف به طور موثر محافظت کرد.

مهمترین ایده این است که حفاظت در برابر خوردگی باید با محیط خدمات مطابقت داشته باشد.

خط لوله مدفون, یک سکوی دریایی, یک قاب دستگاه داخلی, و یک مخزن فرآوری غذا همگی به استراتژی های متفاوتی نیاز دارند. آنچه برای یک برنامه کاربردی کار می کند ممکن است برای دیگری ناکارآمد یا حتی نامناسب باشد.

سیستم های پوشش: اولین و رایج ترین دفاع

سیستم های پوشش رایج ترین راه برای محافظت از فولاد کربنی هستند. هدف آنها جداسازی سطح فولاد از اکسیژن است, رطوبت, نمک, و مواد شیمیایی.

مسیرهای پوشش معمولی عبارتند از:

حفاظت فداکاری: استفاده از فلز فعال تر برای محافظت از فولاد

یکی از قوی ترین روش های کنترل خوردگی برای فولاد است حفاظت فداکاری.

در این رویکرد, یک فلز واکنش پذیرتر در تماس با فولاد قرار می گیرد تا فلز محافظ ابتدا خورده شود.

شناخته شده ترین مثال این است روی. روی فعالتر از آهن است, بنابراین زمانی که هر دو در یک محیط خورنده قرار می گیرند, روی تمایل به خوردگی ترجیحی دارد و از زیرلایه فولادی محافظت می کند.

این اصل پشت گالوانیزه و بسیاری از سیستم های حفاظتی مبتنی بر روی است.

حفاظت فداکاری به ویژه در محیط های بیرونی ارزشمند است زیرا حتی اگر پوشش خراشیده یا آسیب دیده باشد به کار خود ادامه می دهد.. این باعث می شود که در بسیاری از شرایط مزرعه از یک پوشش سدی صرفا تزئینی قوی تر باشد.

حفاظت کاتدی: برای فولاد مدفون و زیر آب ضروری است

برای خطوط لوله زیرزمینی, تانک ها, ساختارهای دریایی, و اجزای زیر آب, حفاظت کاتدی اغلب استفاده می شود.

این روش رفتار الکتروشیمیایی فولاد را تغییر می دهد تا خود فولاد به کاتد محافظت شده در مدار خوردگی تبدیل شود..

دو شکل اصلی وجود دارد:

حفاظت کاتدی آند قربانی

یک فلز فعال تر مانند روی, منیزیم, یا آلومینیوم به سازه فولادی متصل می شود. آند به جای فولاد خورده می شود.

حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر

یک منبع تغذیه خارجی جریان محافظ را به داخل سازه هدایت می کند, آن را کاتدی می کند و خوردگی را سرکوب می کند.

حفاظت کاتدی به ویژه برای سازه های بزرگ که پوشش به تنهایی کافی نیست موثر است.

در بسیاری از سیستم ها, همراه با پوشش استفاده می شود, زیرا پوشش تقاضای فعلی را کاهش می دهد و سیستم کاتدی از هر ناحیه در معرض محافظت می کند.

آلیاژی: ایجاد مقاومت در خود فلز

یکی دیگر از راه های کنترل خوردگی استفاده از آلیاژی است که ذاتاً مقاوم تر از فولاد کربنی ساده است..

فولاد ضد زنگ نمونه کلاسیک آن است, اما فولادهای هوازدگی و سایر گریدهای کم آلیاژ نیز نشان می دهند که چگونه ترکیب می تواند رفتار خوردگی را تغییر دهد.

آلیاژسازی قدرتمند است زیرا فقط از سطح محافظت نمی کند; خود مواد را تغییر می دهد. در فولاد ضد زنگ, کروم یک لایه غیرفعال ایجاد می کند که در برابر زنگ زدگی مقاومت می کند.

در سایر خانواده های فولادی, افزودنی های انتخاب شده می توانند مقاومت اکسیداسیون را بهبود بخشند, حفظ قدرت, یا رفتار در محیط های خاص.

این امر آلیاژسازی را به ویژه در مواقعی که تعمیر و نگهداری مکرر دشوار است یا زمانی که قطعه باید برای مدت طولانی در یک محیط سخت کار کند مفید است..

8. نتیجه گیری

فولاد یکی از سازگارترین موادی است که تاکنون ساخته شده است, اما خوردگی محدودیت اصلی آن در بسیاری از محیط ها باقی می ماند. فولاد کربنی ساده به راحتی زنگ می زند مگر اینکه محافظت شود.

فولاد ضد زنگ با تشکیل یک فیلم غیرفعال خود ترمیم شونده در برابر خوردگی مقاومت می کند, اما هنوز هم می تواند در شرایط غنی از کلرید شکست بخورد, در اتصالات جوش داده شده, یا زمانی که توسط آهن معمولی آلوده شده باشد.

مهمترین درس این است که خوردگی یک مشکل واحد با یک راه حل نیست. این یک تعامل مواد و محیط است.

عملکرد خوردگی خوب ناشی از انتخاب صحیح آلیاژ است, تمرین ساخت صدا, درمان سطحی مناسب, و سیستم حفاظتی مناسب برای محیط خدمات.

برای مهندسان و سازندگان, درک این هفت نکته تفاوت بین انتخاب فولادی است که صرفاً امروزه کار می کند و انتخاب فولادی که سال ها عملکرد قابل اعتماد دارد..

 

سوالات متداول

آیا تمام فولاد زنگ می زند؟?

بله, تمام فولادها در شرایط مناسب می توانند خورده شوند. میزان و نوع خوردگی به آلیاژ و محیط بستگی دارد.

فولاد ضد زنگ ضد زنگ است?

خیر. فولاد ضد زنگ در برابر خوردگی مقاوم است, ضد خوردگی نیست.

چرا فولاد ضد زنگ بعد از جوشکاری زنگ می زند؟?

زیرا جوشکاری می تواند ریزساختار را تغییر دهد, کاهش در دسترس بودن کروم در منطقه متاثر از گرما, و تنش پسماند را معرفی کنید.

چرا محیط های کلرید به فولاد ضد زنگ آسیب می زند؟?

یون های کلرید می توانند لایه اکسید محافظ را بشکنند و باعث خوردگی موضعی مانند سوراخ شدن و حمله شکاف شوند..

ساده ترین راه برای محافظت از فولاد کربن چیست؟?

از پوشش ها استفاده کنید, گالوانیزه کردن, یا سیستم حفاظتی دیگر در برابر خوردگی متناسب با محیط.