سوال تخصصی مهندسی خوردگی کارشناسی ارشد

پاسخ به سؤال الف:

آخال‌های غیرفلزی موجود در فولاد ساده کربنی می‌توانند در جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای نقش مهمی ایفا کنند. از جمله این آخال‌ها، آخال‌های اکسیدی (مانند اکسید آهن و اکسید منگنز) و آخال‌های سولفیدی (مانند سولفید منگنز) از مؤثرترین آخال‌ها هستند.

به‌ویژه، آخال‌های سولفید منگنز (MnS) نقش کلیدی در فرآیند جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای دارند، زیرا:

ساختار غیریکنواخت آنها باعث ایجاد تمرکز تنش و ناپیوستگی‌های میکروسکوپی در سطح فولاد می‌شود.

این آخال‌ها معمولاً به‌عنوان مناطق کاتدی یا آندی عمل کرده و می‌توانند اختلاف پتانسیل ایجاد کنند.

MnS به‌آسانی حل می‌شود و محیطی غنی از سولفید فراهم می‌کند که خوردگی را تشدید می‌کند.

---

پاسخ به سؤال ب:

دانشمندان با استفاده از روش‌های تجربی و مکانیزم‌های الکتروشیمیایی پی برده‌اند که آخال‌ها مناطق مستعد خوردگی هستند. این بررسی‌ها شامل موارد زیر می‌شوند:

1. ریزنگاری (Metallography) و میکروسکوپ الکترونی (SEM/EDX):

بررسی ساختار میکروسکوپی فولاد نشان داد که آخال‌های سولفیدی یا اکسیدی در مناطق مرزی دانه‌ها تجمع دارند.

استفاده از طیف‌سنجی پراش انرژی ایکس (EDX) برای شناسایی ترکیب شیمیایی این آخال‌ها.

2. تکنیک‌های الکتروشیمیایی:

انجام آزمایش‌های پتانسیودینامیک برای شناسایی نواحی فعال و پتانسیل‌های خوردگی.

بررسی رفتار خوردگی با استفاده از آزمون‌های پلاریزاسیون تافل و تعیین نقاط آندی و کاتدی.

3. مطالعات موضعی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM):

با استفاده از AFM، تغییرات توپوگرافی در اطراف آخال‌ها در اثر خوردگی به‌صورت محلی مورد بررسی قرار گرفته است.

4. آزمون‌های شبیه‌سازی محیطی:

قرار دادن فولاد در محلول‌های کلریدی (مانند NaCl) و مشاهده رشد خوردگی حفره‌ای در نواحی حاوی آخال.

اندازه‌گیری تغییرات PH و غلظت یون‌ها در اطراف آخال‌ها، که نشان می‌دهد آنها محیط‌های موضعی اسیدی ایجاد می‌کنند.

5. شواهد مکانیکی و شیمیایی:

مشخص شده که انحلال موضعی آخال‌های MnS سبب کاهش pH و افزایش غلظت کلریدها در مجاورت این آخال‌ها می‌شود، که این شرایط ایده‌آل برای جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای است.

در نتیجه، دانشمندان از طریق ترکیب تحلیل‌های میکروسکوپی و الکتروشیمیایی به این نتیجه رسیده‌اند که آخال‌ها نقاط اصلی برای شروع خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی هستند.

لف. آخال‌های مؤثر در جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی

در فولاد ساده کربنی، برخی از آخال‌ها یا ناخالصی‌های غیر فلزی که در حین فرآیند ساخت ایجاد می‌شوند، به‌عنوان نقاط مستعد خوردگی حفره‌ای عمل می‌کنند. آخال‌های سولفیدی (مانند MnS) یکی از انواع آخال‌ها هستند که به دلیل اختلاف در ساختار و واکنش‌پذیری نسبت به ماتریس فولاد، بیشتر از سایر آخال‌ها در جوانه‌زنی و گسترش خوردگی حفره‌ای مؤثرند. این آخال‌ها در حضور محیط‌های خورنده (به‌ویژه کلریدها) به‌عنوان نقاط آندی عمل می‌کنند و خوردگی موضعی و تسریع‌شده‌ای را در سطح فولاد آغاز می‌کنند.

ب. آزمایش‌ها و مکانیزم‌های شناسایی تأثیر آخال‌ها بر خوردگی حفره‌ای

دانشمندان برای بررسی نقش آخال‌ها در جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای از ترکیبی از آزمایش‌های زیر استفاده کرده‌اند:

1. آزمایش‌های الکتروشیمیایی:
   • ولتاژگذاری متناوب (Potential Dynamic Polarization): برای تعیین نقاط آغازی خوردگی حفره‌ای، دانشمندان از روش ولتاژگذاری استفاده می‌کنند و با بررسی تغییرات جریان در نقاط مختلف ولتاژ، به وجود حفره‌ها و آخال‌های فعال در خوردگی پی می‌برند.
   • اندازه‌گیری پتانسیل شکست (Breakdown Potential): این آزمایش نشان می‌دهد که خوردگی حفره‌ای در چه ولتاژهایی شروع می‌شود و غالباً در حضور آخال‌ها این پتانسیل شکست کاهش می‌یابد.
2. آنالیزهای سطحی و میکروسکوپی:
   • میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM): دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و بررسی سطح مقاطع فولاد، مکان‌هایی را که حفره‌ها و خوردگی اولیه شکل گرفته است، مشاهده می‌کنند. در این بررسی‌ها آخال‌های سولفیدی به‌وضوح به‌عنوان مراکز جوانه‌زنی خوردگی دیده می‌شوند.
   • آنالیزهای EDX و XPS: این روش‌ها برای تعیین ترکیب شیمیایی دقیق آخال‌ها استفاده می‌شود. در فولادهای حاوی آخال سولفیدی، این آخال‌ها با حضور کلریدها به‌شدت مستعد خوردگی موضعی‌اند و این روش‌ها به اثبات آن کمک کرده است.
3. طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS):
4. با استفاده از EIS، می‌توان تغییرات مقاومت و ظرفیت سطحی ناشی از خوردگی را بررسی کرد. آخال‌ها نواحی با امپدانس پایین ایجاد می‌کنند که در نتیجه به‌راحتی قابل شناسایی به‌عنوان نقاط ضعف در سطح فولاد هستند.

این ترکیب از آزمایش‌ها و روش‌های تحلیلی به دانشمندان این امکان را می‌دهد که مکانیزم‌های خوردگی حفره‌ای و نقش خاص آخال‌ها در فولاد ساده کربنی را با دقت مشخص کنند.

پاسخ بخش الف:

در فولادهای ساده کربنی، آخال‌های غیرفلزی مانند سولفید منگنز (MnS) به‌عنوان موثرترین نوع آخال‌ها برای جوانه‌زنی خوردگی حفره‌ای شناخته می‌شوند. این آخال‌ها به دلایل زیر مستعد ایجاد خوردگی حفره‌ای هستند:

1. ناهمگنی ترکیب شیمیایی: سولفید منگنز، که یک آخال غیرفلزی است، نسبت به ماتریس فولاد محیطی ناهمگن ایجاد می‌کند که باعث تمرکز اختلافات شیمیایی و الکتروشیمیایی در مرزهای آخال و ماتریس فولاد می‌شود.
2. واکنش‌پذیری بالا در محیط‌های خورنده: این آخال‌ها در محیط‌های خورنده مانند کلریدی (نمک‌دار) به‌راحتی حل می‌شوند و نقاطی با ویژگی‌های الکتروشیمیایی متفاوت را به وجود می‌آورند که آغازکننده خوردگی حفره‌ای است.
3. کاهش پایداری فیلم محافظ سطحی: حضور آخال‌های سولفیدی می‌تواند باعث ضعیف شدن فیلم اکسیدی محافظ روی فولاد شود و نقاط مناسبی برای شروع خوردگی ایجاد کند.

پاسخ بخش ب:

دانشمندان با استفاده از چندین روش تجربی و مکانیزم‌های تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی به این نتیجه رسیده‌اند که آخال‌ها به‌عنوان نقاط شروع خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی عمل می‌کنند. این روش‌ها و مکانیزم‌ها شامل موارد زیر است:

1. مشاهده میکروسکوپی با SEM و EDS:
   • با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، دانشمندان می‌توانند سطوح فولاد را بعد از قرار گرفتن در محیط خورنده بررسی کنند و نقاط شروع خوردگی حفره‌ای را شناسایی کنند.
   • همچنین با استفاده از طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDS)، ترکیب شیمیایی نقاطی که خوردگی شروع شده است، آنالیز شده و مشخص می‌شود که آیا این نقاط شامل آخال‌های غیرفلزی مانند سولفید منگنز هستند یا خیر.
2. آزمون‌های الکتروشیمیایی (مانند پلاریزاسیون سیکلی و آزمون‌های ولتامتری):
   • این آزمون‌ها میزان خوردگی حفره‌ای و تمایل به ایجاد خوردگی را در حضور آخال‌ها اندازه‌گیری می‌کنند.
   • با استفاده از این آزمون‌ها، دانشمندان می‌توانند ولتاژ یا شرایطی را که در آن خوردگی حفره‌ای آغاز می‌شود، شناسایی کنند و تاثیر آخال‌ها را در ایجاد آن به‌طور دقیق بررسی کنند.
3. آزمون پراکندگی انرژی و آنالیز سطحی (AFM و XPS):
   • میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) می‌توانند ویژگی‌های سطحی و تغییرات در ساختار شیمیایی و الکتروشیمیایی سطح فولاد در نقاط حاوی آخال را بررسی کنند.
   • این ابزارها به محققان اجازه می‌دهند ساختار و شیمی سطح اطراف آخال‌ها را پیش و پس از قرار گرفتن در معرض محیط خورنده بررسی کنند.

نتیجه‌گیری

ترکیبی از این آزمایشات نشان داده است که آخال‌های غیرفلزی، به‌خصوص سولفید منگنز، باعث ایجاد شرایط الکتروشیمیایی مناسب برای شروع خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی می‌شوند. این آخال‌ها، به دلیل تفاوت در ترکیب و ساختار شیمیایی، مکان‌های مناسبی برای شروع خوردگی هستند و با فراهم کردن شرایط الکتروشیمیایی نامتعادل، به عنوان نقاط جوانه‌زنی برای خوردگی حفره‌ای عمل می‌کنند.

4o

الف. کدامیک از آخال‌ها در جوانه زنی خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی مؤثرتر هستند؟

آخال‌ها (Inclusions) ناخالصی‌هایی هستند که در حین فرآیند تولید فولاد در ساختار آن باقی می‌مانند. این ناخالصی‌ها می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر خواص مکانیکی و خوردگی فولاد داشته باشند.

• سولفیدهای آهن (FeS): این آخال‌ها به دلیل هدایت الکتریکی پایین و تمایل به ایجاد سلول‌های گالوانیک، نقاط مناسبی برای آغاز خوردگی هستند.
• اکسیدهای آهن: اکسیدهای آهن به ویژه اکسید آهن (II) می‌توانند به عنوان کاتالیزور عمل کرده و سرعت خوردگی را افزایش دهند.
• شامل‌های غیرفلزی: این شامل‌ها مانند سیلیس و آلومینا می‌توانند به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و در نتیجه ترک‌خوردگی و خوردگی را تسریع کنند.
• ذرات خارجی: ذرات خارجی مانند شن و ماسه نیز می‌توانند به عنوان نقاط شروع خوردگی عمل کنند.

• نوع آخال: ترکیب شیمیایی و اندازه آخال‌ها بر شدت خوردگی تأثیر می‌گذارد.
• توزیع آخال‌ها: توزیع نامنظم آخال‌ها در ساختار فولاد می‌تواند باعث ایجاد نواحی با حساسیت بالای خوردگی شود.
• محیط خورنده: ترکیب شیمیایی و دمای محیط خورنده نیز بر سرعت و نوع خوردگی تأثیرگذار است.

ب. دانشمندان از طریق انجام چه آزمایشاتی و با چه مکانیزم‌هایی پی بردند که این آخال‌ها، نقاط و محل‌های مناسبی برای بوقوع پیوستن خوردگی حفره‌ای در فولاد ساده کربنی هستند؟

دانشمندان از روش‌های مختلفی برای مطالعه و بررسی نقش آخال‌ها در خوردگی حفره‌ای استفاده کرده‌اند. برخی از این روش‌ها عبارتند از:

• میکروسکوپ نوری و الکترونی: با استفاده از این میکروسکوپ‌ها، محققان می‌توانند آخال‌ها را با دقت بالا مشاهده کرده و توزیع آن‌ها را در ساختار فولاد بررسی کنند.
• آنالیز شیمیایی: با استفاده از روش‌هایی مانند طیف‌سنجی نشر اتمی (AES) و طیف‌سنجی جرمی (MS)، می‌توان ترکیب شیمیایی آخال‌ها را تعیین کرد.
• آزمایش‌های خوردگی شتاب‌دار: این آزمایش‌ها در محیط‌های خورنده مصنوعی انجام می‌شوند تا سرعت خوردگی را افزایش داده و تأثیر عوامل مختلف بر خوردگی را بررسی کنند.
• مدل‌سازی کامپیوتری: با استفاده از مدل‌های کامپیوتری می‌توان فرآیند خوردگی در اطراف آخال‌ها را شبیه‌سازی کرده و مکانیسم‌های مختلف خوردگی را بررسی کرد.

• سلول‌های گالوانیک: تفاوت در پتانسیل الکترودی بین آخال و ماتریس فولاد باعث ایجاد سلول‌های گالوانیک می‌شود که در نتیجه آن، خوردگی در اطراف آخال متمرکز می‌شود.
• تمرکز تنش: آخال‌ها می‌توانند به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل کرده و باعث ایجاد ترک‌های ریز شوند. این ترک‌ها می‌توانند به عنوان مسیرهای نفوذ محیط خورنده به داخل فلز عمل کنند.
• کاتالیز واکنش‌های خوردگی: برخی از آخال‌ها می‌توانند به عنوان کاتالیزور عمل کرده و سرعت واکنش‌های خوردگی را افزایش دهند.

آخال‌ها به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی که نسبت به ماتریس فولاد دارند، به عنوان نقاط ضعف در ساختار فولاد عمل کرده و باعث ایجاد خوردگی حفره‌ای می‌شوند. با درک بهتر نقش آخال‌ها در خوردگی، می‌توان روش‌های تولید فولاد را بهبود بخشید و فولادهایی با مقاومت خوردگی بالاتر تولید کرد.