نگاهی بر انواع تست های خوردگی

در یک نگاه کلی، می‌توانیم آزمایش‌های خوردگی را در چهار گروه کلی قرار دهیم:

1. مطالعات آزمایشگاهی شامل آزمایش‌های رد یا قبول مواد (Reliability)
2. آزمایش‌های پایلوت پلانت (Pilot-plant) که در شرایط واقعی کار ولی در مقیاس کوچک‌تر انجام می‌شوند.
3. آزمایش‌هایی که در شرایط کاملا واقعی انجام می‌شوند (Reproducibility)
4. آزمایش‌های علمی (Field tests)

فرض کنید که قصد داشته باشید به عنوان یک مهندس خوردگی برای انتخاب مواد و تجهیزات مورد نیاز برای یک کارخانه مشاوره دهید. در چنین شرایطی ابتدا باید بر روی نمونه‌های کوچکی از جنس‌های مختلف آزمایش خوردگی را انجام دهید. با انجام این مرحله گروهی از مواد به سرعت از پیشنهادهایتان حذف می‌شوند!

در مرحله بعد با شبیه‌سازی تمامی شرایط واقعی در مقیاسی کوچک تر، موادی که در مرحله قبل رد نشده‌اند، مورد آزمایش قرار می گیرند. در پایان این مرحله احتمالا یک یا چند نوع ماده مشخصی را انتخاب خواهید کرد. بر اساس این مواد انتخابی، کارخانه ساخته می‌شود و تجهیزات آن راه‌اندازی راه اندازی خواهند شد. در این مرحله‌ نیز باید با انجام آزمایش‌های خوردگی حین کار، ارزیابی خود را ادامه دهید. چرا که ممکن است بتوانید مواد و پارامترهای انتخابی را بهینه کنید. در تصویر می‌توانید مسیری که برای انتخاب یک ماده پیش رو دارید، مشاهده کنید.

چرا باید از آزمون های خوردگی استفاده کنیم؟

می توانیم هدف از انجام تست های خوردگی را در 4 مورد کلی خلاصه کنیم:

1. ارزیابی فلزات و آلیاژها به منظور تعیین محیط‌های مناسب استفاده آن‌ها
2. ارزیابی یا انتخاب مواد مناسب برای استفاده در یک محیط معین
3. کنترل و پایش خوردگی فلزات در یک محیط
4. مطالعه مکانیزم‌های خوردگی در مواد

مراحل کلی در اجرای تست خوردگی

1) آماده سازی نمونه های آزمایش

اولین مرحله در تمامی آزمون‌های خوردگی، آماده‌سازی نمونه‌های آزمایش است. نمونه‌های آزمون می‌توانند به صورت مربع، مستطیل و یا دیسکی باشند. اما برای راحتی بیشتر، معمولا نمونه ها به صورت دیسکی در نظر گرفته می شوند. از نظر ابعادی، نمونه‌هایی با ضخامت 1⁄6 (یک ششم) تا 1⁄8 (یک هشتم) اینچ و با عرض 1 اینچ و طول 2 اینچ یا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

پس از تهیه نمونه ها، نوبت به آماده سازی اولیه سطح آن ها می رسد که این کار با عملیات سمباده زنی، سنگ زنی، اسیدشویی و … انجام می شود.

2) قد و وزن کردن نمونه ها

پس از آماده سازی اولیه نمونه ها، باید سطح و وزن آن ها به دقت اندازه گیری شوند. در واقع دقت آزمایش تا حد زیادی بستگی به به دقت اندازه گیری اولیه نمونه ها دارد. توجه داشته باشید که نمونه نمی تواند به هر اندازه ای مورد آزمایش گیرد. بلکه باید سطح نمونه مورد آزمایش با حجم محلول مورد استفاده متناسب باشد.

3) چربی‌زدایی نمونه‌ها

سطح نمونه های مورد آزمایش باید عاری از هر گونه چربی و آلودگی خارجی باشند. این کار معمولا با استفاده از استون و برخی مواقع استفاده از دستگاه التراسونیک انجام می شود. در صورتی که بلافاصله آزمایش پس از این مرحله انجام نشود، باید نمونه‌ها تا زمان انجام آزمایش در دسیکاتور قرار گیرند.

4) قرار دادن نمونه در شرایط آزمایش

پس از آماده سازی کامل نمونه ها، نوبت به شبیه سازی خوردگی نمونه ها در شرایط آزمایشی می رسد. جهت قرار دادن نمونه ها در محلول خورنده به موارد زیر توجه داشته باشید:

• محیط خورنده باید در تماس کامل با نمونه باشد.
• اگر برای نگهداری نمونه در محلول از گیره استفاده می‌کنید، نباید در زمان اجرای آزمایش از بین برود.
• تمامی نقاطی که امکان برقراری اتصال بین دو فلز وجود دارد را عایق کنید.
• برحسب این که نمونه ها در شرایط عملی تحت چه محیطی قرار می گیرند (برای مثال غوطه‌وری کامل یا قرار گرفتن در بخار محلول خورنده) آن ها را به طور صحیح در شرایط مورد نظر قرار دهید.
• نمونه‌ها باید به آسانی قابلیت تهیه و آزمایش را داشته باشند.

محاسبه مدت زمان لازم برای اجرای آزمون خوردگی

هر نمونه ای که جهت تست خوردگی انتخاب می شود، باید حداقل 2 بار مورد آزمایش قرار گیرد. زمان مورد نیاز برای انجام آزمایش به سرعت خوردگی نمونه ها وابسته است. برای آزمون‌هایی که در مقیاس کوچک در آزمایشگاه انجام می‌شوند، زمان تقریبی مورد نیاز آزمایش از فرمول تقریبی زیر محاسبه می شود:

توجه داشته باشید که در برخی موارد ممکن است زمان آزمایش بسیار طولانی شود. برای مثال بررسی خوردگی یک نمونه فلزی را در خاک ممکن است به ماه ها زمان نیاز داشته باشد، بنابراین صبور باشید!

هوادهی و هوازدایی محلول

میزان اکسیژن حل شده در محلول خورنده یکی از پارامترهای بسیار مهمی است که باید به درستی تعیین شود. حضور اکسیژن می تواند خوردگی فلزات را تشدید کرده یا کاهش دهد. بنابراین برای انجام برخی آزمایش‌ها نیاز است محلول اولیه را هوادهی یا هوازدایی کنید.

5) تمیز کردن نمونه ها پس از آزمایش

یکی دیگر از مراحل مهم در اجرای تست خوردگی، تمیز کردن نمونه بعد از انجام آزمون است. در برخی روش‌ها مانند آزمون کاهش وزن، وزن نهایی نمونه بسیار اهمیت دارد. در صورتی که بعد از آزمون نمونه تمیز نشود، ممکن است در اثر وجود محصولات خوردگی وزن آن بیشتر از مقدار واقعی اندازه گیری شود. برخی از روش‌های پاک‌سازی سطح عبارت اند از: برس زدن سطح، روش‌های شیمیایی، استفاده از مواد ساینده مثل ماسه و….

نگاهی بر متداول ترین تست های خوردگی

پیش از انتخاب یک روش تست خوردگی، باید هدف از اجرای آن مشخص شود. به عبارت ساده تر، باید به طور دقیق بدانید که به دنبال چه چیزی هستید و بر مبنای آن روش آزمون را انتخاب کنید. برخی آزمون ها امکان محاسبه پارامترهایی مانند جریان و سرعت خوردگی را فراهم می کنند، در حالی که برخی دیگر امکان مطالعه خوردگی به صورت کیفی را فراهم می کنند. برخی آزمون ها نیز برای مطالعه مکانیزم‌ها و واکنش‌های خوردگی کاربرد دارند.

بیشتر آزمون‌های خوردگی متداول خوردگی یکنواخت را در محاسبات در نظر می‌گیرند. آزما‌یش‌هایی که برای مطالعه خوردگی‌های موضعی ابداع شده‌اند، عموما مقایسه‌ای و کیفی هستند، گرچه با انجام آزمون‌های الکتروشیمیایی و تحلیل‌های پیچیده‌تر نیز می‌توان این نوع خوردگی را مورد مطالعه قرار داد. در یک نگاه کلی می‌توانید این آزمون ها را در تصویر زیر مشاهده کنید:

بررسی تست های غیر الکتروشیمیایی خوردگی

این آزمون ها قادر هستند تا سرعت خوردگی را بر مبنای میزان فلز از دست رفته در واحد زمان محاسبه کنند. متداول‌ترین آزمون‌های غیرالکتروشیمیایی برای تعیین نرخ خوردگی آزمون‌های کاهش/افزایش وزن و آنالیز شیمیایی محلول هستند.

آزمون غوطه‌وری کاهش / افزایش وزن

آزمون غوطه‌وری یکی از ساده‌ترین روش‌ها برای تعیین سرعت خوردگی‌ یک فلز در محیط است. در این آزمایش نمونه‌های تهیه شده در محلول‌های خورنده قرار داده شده و در بازه‌های زمانی گوناگون، خارج شده و وزن می شوند. در نهایت با توجه به کاهش یا افزایش وزن ایجاد شده در هر بازه زمانی، نمودار کاهش یا افزایش وزن بر حسب زمان رسم شده و از روی شیب آن، سرعت خوردگی محاسبه می شود.

اما یکی از مشکلات بزرگی که در این روش وجود دارد، خطای احتمالی بالای آن است!

برای مثال، نمودار زیر نتایج مربوط به یک آزمون کاهش وزن را نشان می‌دهد. ممکن است برایتان سوال پیش آید که چرا چنین نموداری از مرکز نمی‌گذرد یا به عبارتی دیگر، پس از گذشت سه ساعت، کاهش وزن شروع شده است؟!

علت این است که در زمان شروع آزمایش، اکسیدهای سطحی بر روی فلز وجود دارند که از بین رفتن آن ها نیاز به گذشت زمان دارد. به این زمان، زمان خفتگی می گویند.

آزمون غوطه وری و آنالیز شیمیایی محلول

زمانی که یک فلز در داخل یک محلول دچار خوردگی می‌شود، کاتیون‌های آن فلز وارد محلول می‌گردند که با گذشت زمان مقدار آن ها افزایش می یابد. با اندازه گیری غلظت کاتیون محلول بر حسب زمان غوطه وری می توان سرعت خوردگی نمونه را محاسبه کرد. نمودار زیر نتایج مربوط به آزمون آنالیز شیمیایی محلول را نشان می‌دهد.

آزمون‌های الکتروشیمیایی

روش‌های الکتروشیمیایی بر مبنای الکترون آزاد شده در واکنش آندی خوردگی، سرعت خوردگی را مشخص می کنند. در این قسمت به معرفی این آزمون ها خواهیم پرداخت.

آزمون پتانسیومتری

هدف از آزمون پتانسیومتری بررسی تغییرات پتانسیل بر حسب زمان است. اما شاید این سوال برایتان مطرح شود که اندازه گیری پتانسیل یک سیستم در گذر زمان چه اهمیتی دارد؟ برای درک بیشتر به رابطه زیر دقت کنید:

این رابطه، رابطه نرنست (Nernst) است. با نگاهی دقیق تر به این رابطه می توان دریافت که مقدار پتانسیل تعادلی در یک سیستم، تابعی از پتانسیل استاندارد و اکتیویته اجزا است. از آن ‌جایی که پتانسیل استاندارد سیستم همواره ثابت است، کوچکترین تغییری در غلظت اجزا منجر به تغییر پتانسیل تعادلی سیستم خواهد شد.

از کاربردهای این آزمون می‌توان به بررسی وضعیت قطعات گالوانیزه اشاره کرد. هرگونه تغییر ناگهانی در پتانسیل، نشان‌دهنده شروع تخریب پوشش گالوانیزه است. این روش در تشخیص مکانیزم‌های خوردگی که در شیب تافل آندی و کاتدی تغییر ایجاد می‌کنند، بسیار مفید است. مثلا اگر در محیطی باکتری خاصی وجود داشته باشد که با تغییر شیب تافل کاتدی، فرآیند خوردگی را تشدید کند، با افزایش ناگهانی پتانسیل خوردگی ما متوجه حضور آن خواهیم شد.

تصاویر زیر نمونه‌ای از نتایج به دست آمده از این آزمون را برای یک فولاد زنگ نزن نشان می‌دهند. در تصویر اول، پتانسیل سیستم با گذشت زمان کوتاهی افزایش یافته و در نمونه یک حفره ایجاد شده است. اما با گذشت زمان مجددا پتانسیل سیستم کاهش می‌یابد و به میزان تعادلی خودش نزدیک شده است. توجیه این امر این است که در ابتدا لایه پسیو در اثر ایجاد حفره دچار آسیب موضعی شده و مجددا شروع به بازیابی خود کرده است.

این روش یکی از روش‌های پایش خوردگی نیز به حساب می‌آید. مزیت این آزمون سادگی و دینامیکی بودن آن است.

آزمون کرونوآمپرومتری

کرونوآمپرومتری یک تکنیک الکتروشیمیایی مشابه با آزمون پتانسیومتری است، با این تفاوت که در این آزمون یک پله پتانسیل (پتانسیل ثابت) اعمال شده و تغییرات جریان بر حسب زمان اندازه گیری می‌شود.

طبق این آزمون، تغییرات جریان با زمان توسط رابطه ای به نام رابطه کاترل مرتبط می شود. بر اساس این رابطه می توان اطلاعات مفیدی در خصوص جریان حدی خوردگی، ضریب نفوذ و ضخامت لایه نفوذی در سیستم خوردگی به دست آورد.

آزمون پلاریزاسیون خطی (LSV)

پلاریزاسیون به معنای افزایش یا کاهش پتانسیل الکترود در اثر عبور جریان در آن است. اصول این آزمون به این صورت است که با تغییر پتانسیل سیستم، جریان اندازه گیری می شود. با استفاده از این مقادیر می توان شاخه آندی و کاتدی نمودار را رسم کرده و شیب هر کدام از شاخه ها را در ناحیه خطی رسم نمود. از تقاطع شیب های اندازه گیری شده می توان جریان خوردگی را محاسبه نمود.

پیشنهاد می‌کنیم:

آموزش تست پلاریزاسیون در خوردگی مواد (آزمون تافل) شروع یادگیری

آزمون ولتامتری چرخه‌ای (CV)

روش ولتامتری چرخه‌ای یکی از آزمون‌های پرکاربرد در مطالعه واکنش‌های الکتروشیمیایی خوردگی است. این روش با تمرکز بر واکنش‌هایی که بر سطح فلز اتفاق می‌افتند، بسیاری از مکانیزم‌های خوردگی را مشخص می کند.

در این روش با اعمال یک ولتاژ سیکلی کوچک با دامنه پایین، جریان سیستم اندازه گیری شده و نمودار ولتاژ بر حسب جریان رسم می شود. با اندازه گیری میزان جریان و پتانسیل در نقاط پیک آندی و کاتدی و تحلیل آن ها می‌توان به اطلاعات بسیار ارزشمندی در خصوص مکانیزم‌ها و نوع واکنش‌هایی که در هنگام خوردگی به وقوع می پیوندند، دست یافت.

از کاربردهای این روش می توان به سنسورهای الکتروشیمیایی 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 اشاره کرد.

آزمون امپدانس الکتروشیمیایی

آزمون امپدانس الکتروشیمیایی یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری جریان خوردگی در پیل‌های الکتروشیمیایی است. در این روش یک سیگنال تحریک متناوب که عموما از نوع پتانسیل است ((E=A sin (wt)، به نمونه داده می‌شود. نمونه با سیگنال ورودی تحریک شده و به آن پاسخ می‌دهد. بر مبنای تحلیل این پاسخ، اطلاعات بسیار مفیدی از رفتار خوردگی یک ماده می‌توان به دست آورد.

بر خلاف روش پلاریزاسیون، سیگنال پتانسیل اعمالی در این روش در حدی است که نمونه پلاریزه نمی‌شود، زیرا پلاریزه شدن باعث تغییر در مشخصات ماده می شود. پاسخ سیستم در مقابل سیگنال پتانسیل داده شده از نوع جریان متناوب است ((I=B cos (wt). در نهایت بر مبنای پاسخ گرفته شده و پتانسیل اعمال شده، میزان مقاومت یا امپدانس سیستم تعیین می‌گردد.

پیشنهاد می‌کنیم:

آموزش آزمون طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در نرم افزار Zview شروع یادگیری

در این آزمون با مشخص کردن مدار الکتریکی معادل (شامل خازن و مقاومت‌ها و …) برای سیستم مورد مطالعه و در نهایت رسم نمودارهای نایکوئیست، بد و بدفاز می‌توان میزان مقاومت‌ها را محاسبه کرده و از روی آن سرعت خوردگی را محاسبه نمود.

.

آزمون نویز الکتروشیمیایی

هر واکنش‌ یا پدیده‌ای که در سطح یک فلز اتفاق می‌افتد، منجر به تولید یا مصرف الکترون می‌شود. همان‌طور که گفتیم، در آزمون‌های پلاریزاسیون و امپدانس یک سیگنال تحریک وجود دارد و در مقابل یک سیگنال پاسخ بر اساس آن اندازه گرفته می‌شود. اما در آزمون نویز الکتروشیمیایی هیچ سیگنال تحریکی وجود ندارد و مجموعه پاسخ‌های فلز در برابر واکنش‌های خوردگی که در حال وقوع هستند، ثبت می‌شود. نتایج این آزمون به صورت نمودار نویز بر حسب جریان و پتانسیل بر حسب زمان نمایش داده می‌شود.

سختی این آزمون به خاطر شرایط خاص انجام آن است. این آزمون باید در اتاقکی انجام شود که هیچ گونه نویز خارجی در آن وجود نداشته باشد. مزیت این آزمون بر روش‌های پلاریزاسیون و امپدانس این است که دو روش قبلی در خصوص خوردگی یکنواخت قضاوت می‌کنند، اما با این آزمون می‌توان خوردگی موضعی را مورد بررسی قرار داد. در این روش با محاسبه پارامتری تحت عنوان مقاومت نویز، در نهایت دانسیته جریان خوردگی محاسبه می‌شود. با انجام محاسبات دیگر در این روش می‌توان محاسبه کرد که چه سهمی از خوردگی مربوط به خوردگی موضعی و چه سهمی مربوط به خوردگی یکنواخت بوده است.

آزمون‌ های کیفی خوردگی موضعی

سنجش خوردگی شیاری

خوردگی شیاری در فلزات را می‌توان به صورت کیفی و یا با کمک آزمون‌های الکتروشیمیایی بررسی ارزیابی نمود. برای بررسی میزان خوردگی شیاری در نمونه‌های فلزی معمولا از طریق روش‌های گوناگونی اقدام به ایجاد شیار بر روی آن می‌کنند. یکی از روش‌های ایجاد شیار استفاده از واشر و یا چوب پنبه و اتصال آن با پیچ و مهره و روش‌های دیگر بر روی سطوح نمونه است. این نمونه‌ها در محلول‌های خورنده غوطه‌ور شده و پس از گذشت مدت زمان مشخصی، سطح خورده شده، اندازه عمق حفرات ایجاد شده و وضعیت واشرها به طور کیفی مورد بررسی قرار می گیرد.

برای بررسی خوردگی شیاری از آزمون‌های الکتروشیمیایی نیز می‌توان استفاده کرد. تصاویر زیر نمودارهای جریان-زمان و ایوانس را برای نمونه‌ای که در شرایط خوردگی شیاری قرار داشته نشان می‌دهند. بر اساس این نمودارها می‌توان تغییرات جریان خوردگی را در حضور شیار بررسی کرد.

سنجش خوردگی حفره‌دار شدن

روش‌های مختلفی برای برای گزارش میزان مقاومت یک فلز در برابر خوردگی حفره‌دار شدن وجود دارد. یکی از این روش‌ها استفاده از نمودار پتانسیل بر حسب زمان برای تعیین پتانسیلی است که در آن حفره‌دار شدن شروع می‌شود. به تصویر زیر نگاه کنید:

بر اساس این تکنیک می‌توان پتانسیل لازم برای شروع تشکیل حفرات را در ساختار فلزی که بر روی آن لایه پسیو ایجاد شده است، تخمین زد. همچنین با برگرداندن پتانسیل (پلاریزاسیون سیکلی) و محاسبه نقطه تقاطع آن با نمودار اولیه می‌توان پتانسیل حفاظت از حفره دار شدن را نیز محاسبه نمود. در پتانسیل‌های پایین‌تر از این مقدار، حفره‌دار شدن اتفاق نخواهد افتاد.

سنجش خوردگی مرزدانه‌ای

برای مطالعه خوردگی مرزدانه‌ای دو آزمون معروف وجود دارد:

• آزمون استرایکر
• آزمون وارن

در آزمون استرایکر بر روی نمونه مورد نظر که عموما از جنس فولاد زنگ نزن است، یک خط جوش عرضی ایجاد می‌شود تا نمونه حساس شود. سپس با برش نمونه در جهت عمود بر خط جوش و با اچ کردن آن در محلول اگزالیک اسید سطح آن توسط میکروسکوپ مشاهده و به صورت کیفی میزان خوردگی مرزدانه‌ای را بررسی می‌شود.

در روش وارن، نمونه‌های مورد نظر در یک کوره حساس می‌شوند و برای 5 دوره نیم ساعته در محلول خورنده غوطه‌ور می‌شوند. در این روش پس توزین نمونه ها و محاسبه سرعت خوردگی، اگر نسبت سرعت خوردگی نمونه حساس شده به سرعت خوردگی نمونه حساس نشده کمتر از 1.5 اندازه گیری شود، فولاد در برابر خوردگی مرزدانه‌ای مقاوم است.

یکی دیگر از روش های پر کاربرد در این زمینه، انجام پلاریزاسیون سیکلی برای نمونه‌های حساس شده است. در این روش با رسم نمودار‌های رفت و برگشت در شاخه آندی نسبت چگالی جریان دماغه‌ها محاسبه شده و عدد به دست آمده به عنوان درجه حساسیت گزارش می‌شود.

سنجش خوردگی مکانیکی

برای مطالعه خوردگی تحت تنش، معمولا با خم کردن نمونه‌ها در آن‌ها تنش کششی ایجاد می شود. نمونه‌های خم شده با پیچ و مهره در بخار محیط خورنده قرار داده می‌شوند. در نهایت با بررسی کیفی و میکروسکوپی ترک‌های ایجاد شده و همچنین انجام آزمون‌های پتانسیومتری و پلاریزاسیون می‌توان خوردگی را بررسی نمود.

محاسبه تنش ایجاد شده در نمونه به واسطه خم شدن از طریق رابطه اویلر انجام می شود.

منابع

کتاب  techniques for corrosion monitoring اثر یانگ

کتاب corrosion engineering  ، اثر  فونتانا ، ویرایش سوم، سال 1374

کتاب introduction to corrosion science   ، اثر مک کافرتی، سال