أنواع تآكل الفولاذ والمعادن - الأسباب والآليات والأمثلة

قم بتنزيل الوصف بصيغة PDF

لا يُعدّ تآكل المعادن ظاهرةً واحدةً محددةً بوضوح. فبحسب نوع المادة، والبيئة، ودرجة الحرارة، ووجود الكلوريدات، والإجهاد، وتدفق السوائل، أو التلامس مع معدن آخر، قد يتخذ أشكالاً عديدةً ومختلفة. في بعض الحالات، يحدث فقدان للمادة بشكل منتظم على كامل السطح، بينما في حالات أخرى، قد يؤدي تنقر غير مرئي تقريبًا إلى ثقب المكون.
يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية، لا سيما في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل. فمصطلح "الفولاذ المقاوم للصدأ" لا يعني بالضرورة مادةً مقاومةً تمامًا للتآكل. تنبع مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ أساسًا من وجود طبقة رقيقة غنية بالكروم تتشكل على سطح المعدن. إذا تضررت هذه الطبقة موضعيًا، أو إذا حالت الظروف البيئية دون تجددها، فقد تبدأ عملية تآكل شديدة.
لذلك، يجب أن يأخذ اختيار الدرجة المناسبة - على سبيل المثال 1.4301 (AISI 304)، 1.4404 (AISI 316L)، 1.4539 (904L)، 1.4529 (UNS N08926)، 1.4547 (254 SMO)، ثنائي 1.4462 (2205)، ثنائي فائق 1.4410 (2507) أو سبائك النيكل مثل سبيكة 625 - في الاعتبار دائمًا ليس فقط "مقاومة التآكل" العامة ولكن أيضًا آلية التآكل المحددة التي تحدث في بيئة معينة.

كيف يتم تصنيف تآكل المعادن؟

يمكن تصنيف التآكل بعدة طرق. يمكن تقسيمه إلى تآكل كيميائي وكيميائي كهربائي، وتآكل منتظم وموضعي، أو تصنيفه وفقًا للآلية التي يحدث بها.
لا ينبغي الخلط بين نوع التآكل والبيئة التي يحدث فيها. فمصطلحات مثل التآكل الجوي، والتآكل البحري، وتآكل التربة، أو التآكل في الماء، تصف في المقام الأول بيئة تشغيل المادة. ومع ذلك، يمكن أن تحدث آليات مختلفة في مثل هذه الظروف، مثل: التآكل المنتظم، والتآكل النُقري، والتآكل الشقوقي، والتآكل الجلفاني، والتآكل الناتج عن الإجهاد، وغيرها.
تشمل أهم أشكال تآكل الفولاذ والمعادن الأخرى ما يلي:

تآكل منتظم – فقدان عام للسطح

يؤثر التآكل المنتظم، المعروف أيضاً بالتآكل العام، على جزء كبير من سطح المعدن. ويقل سمك المادة تدريجياً، ويمكن التعبير عن معدل هذه العملية غالباً بفقدان السمك بالمليمتر في السنة.
هذا أمر شائع في الفولاذ الكربوني غير المحمي الذي يعمل في بيئات رطبة أو مائية أو في العديد من البيئات الصناعية. ومع ذلك، يمكن أن يحدث هذا أيضًا في الفولاذ المقاوم للصدأ إذا كانت البيئة قاسية للغاية بحيث لا يستطيع الفولاذ الحفاظ على طبقة واقية.
على سبيل المثال، قد يكون الفولاذ 1.4301 مناسبًا تمامًا في العديد من البيئات المعتدلة، بينما في الوسائط الأكثر عدوانية قد يكون من الضروري استخدام فولاذ الموليبدينوم 1.4404، أو سبيكة 1.4539 عالية الجودة، أو مادة أكثر مقاومة.

تآكل التنقر – بقعة صغيرة، ضرر كبير

يُعدّ التآكل النُقري أحد أهمّ أشكال التآكل الموضعي للفولاذ المقاوم للصدأ. وتشكل البيئات التي تحتوي على أيونات الكلوريد خطراً خاصاً. ويؤدي ذلك إلى تلف موضعي للطبقة الواقية وتكوّن تجاويف صغيرة قد تتطور في أعماق المادة.
ولهذا السبب يعتبر التآكل النقطي خطيرًا بشكل خاص - فقد يبدو سطح المكون جيدًا نسبيًا، في حين أن وجود نقطة واحدة يمكن أن يؤدي إلى ثقب الجدار.
تُعزز مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ لهذا النوع من التآكل بشكل أساسي بواسطة الكروم والموليبدينوم والنيتروجين. وتُجرى مقارنة تقريبية لمقاومة الدرجات المختلفة باستخدام مؤشر برين.
يتميز الفولاذ 1.4301 (304) بمقاومة أقل بكثير للتآكل النُقري في البيئات الكلوريدية مقارنةً بالفولاذ 1.4404 (316L). وتوفر أنواع أخرى، منها 1.4539 (904L)، و1.4529 (UNS N08926)، و1.4547 (254 SMO)، والفولاذ المزدوج 1.4462 (2205)، والفولاذ المزدوج الفائق 1.4410 (2507)، مقاومةً أكبر.

تآكل الشقوق

يتطور التآكل الشقوقي في المناطق التي يكون فيها وصول الأكسجين وتبادل السوائل الحر محدودًا. وقد تشمل هذه المناطق الفراغات الموجودة أسفل الحشيات، والحلقات، والشفاه، والرواسب، ورواسب الكربون، أو غيرها من الملوثات السطحية.
داخل الشق، يتغير التركيب الكيميائي للمحلول، وينخفض ​​الرقم الهيدروجيني، وقد يزداد تركيز الكلوريد الموضعي. وتصبح الظروف أكثر قسوة بشكل ملحوظ مما هي عليه على السطح المكشوف لنفس المكون.
كما هو الحال مع التآكل النُقري، تُظهر أنواع الفولاذ التي تحتوي على كميات أكبر من الموليبدينوم والنيتروجين مقاومةً أكبر بشكل عام. وتُستخدم أنواع الفولاذ 904L و1.4529 و254 SMO والفولاذ المزدوج والفولاذ المزدوج الفائق في البيئات القاسية.

التآكل بين الحبيبات

يحدث التآكل بين الحبيبات على طول حدودها في المادة. ومن المشاكل الشائعة في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ترسب كربيدات الكروم ضمن نطاق حراري معين. وقد تُصبح المناطق المجاورة لحدود الحبيبات فقيرة بالكروم موضعياً، مما يقلل من قدرتها على التخميل.
قد تكون هذه الظاهرة ذات أهمية خاصة في المناطق المتأثرة بالحرارة بعد اللحام.
إحدى طرق تقليل هذا الخطر هي استخدام أنواع الفولاذ منخفض الكربون، مثل 1.4307 (304L) و1.4404 (316L). وثمة خيار آخر يتمثل في استخدام الفولاذ المُثبَّت، مثل الفولاذ المُثبَّت بالتيتانيوم 1.4541 (AISI 321) والفولاذ المُثبَّت بالنيوبيوم 1.4550 (AISI 347).

تشقق التآكل الإجهادي

يُعدّ التآكل الناتج عن الإجهاد آلية خطيرة بشكل خاص لأنه يمكن أن يتسبب في تشقق أحد المكونات مع فقدان ضئيل نسبيًا في المواد بشكل عام.
لكي يحدث التآكل الإجهادي، لا بد من وجود مادة قابلة للتآكل، وبيئة عدائية مناسبة، وإجهادات شد في آن واحد. قد تنشأ هذه الإجهادات من الأحمال الهيكلية أو تبقى في المادة بعد اللحام أو الثني أو التشغيل الآلي.
تُعدّ أنواع الفولاذ الأوستنيتي الكلاسيكي، مثل 304 و316، عرضةً لتشقق التآكل الناتج عن إجهاد الكلوريد، خاصةً مع ارتفاع درجة الحرارة. بينما توفر أنواع الفولاذ المزدوج 1.4462، والفولاذ المزدوج الفائق 1.4410، والفولاذ الأوستنيتي عالي السبائك 1.4529 و1.4547، بالإضافة إلى سبائك النيكل المختارة بعناية، مقاومةً أعلى بكثير للعديد من هذه الظروف.

التآكل الجلفاني – تلامس المعادن المختلفة

يمكن أن يحدث التآكل الجلفاني عندما يكون معدنان مختلفان على اتصال كهربائي مع بعضهما البعض ويكون هناك إلكتروليت بينهما، مثل مياه البحر أو مياه العمليات أو الرواسب الرطبة.
ثم يتم إنشاء خلية جلفانية. يصبح المعدن الأقل نبلاً هو المصعد، ويمكن تسريع تآكله بشكل كبير.
قد تنشأ مشاكل، على سبيل المثال، عند وصل الفولاذ المقاوم للصدأ مباشرةً بالفولاذ الكربوني أو الألومنيوم. لا يقتصر الأمر على نوع المواد فحسب، بل يشمل أيضًا نسبة سطحي المصعد والمهبط. فوجود مساحة سطح صغيرة من المعدن الأقل نبلاً ملتصقة بمساحة سطح كبيرة من المعدن الأكثر نبلاً قد يكون ضارًا للغاية.

التآكل الناتج عن التعرية

يحدث التآكل الناتج عن الاحتكاك عندما تتسارع عملية كهروكيميائية بفعل التأثير الميكانيكي للوسط المتدفق. ويمكن أن تؤدي سرعة السائل العالية، ووجود جزيئات صلبة، والاضطراب، والتغيرات المفاجئة في اتجاه التدفق إلى تدمير الطبقة السطحية الواقية.
تحدث هذه الظاهرة، من بين أمور أخرى، في خطوط الأنابيب، والمبادلات الحرارية، والمضخات، والصمامات، ومنشآت العمليات.
في البيئات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل وخصائص ميكانيكية جيدة، تُستخدم أنواع من الفولاذ المزدوج مثل 1.4462 والفولاذ المزدوج الفائق مثل 1.4410. أما في البيئات شديدة التآكل، فقد يكون من الضروري استخدام أنواع من الفولاذ الأوستنيتي عالي السبائك أو سبائك النيكل.

تآكل التجويف

يحدث التكهف في السوائل نتيجة لتغيرات مفاجئة في الضغط. تنفجر فقاعات البخار الناتجة بالقرب من سطح المعدن، مما يتسبب في تأثيرات موضعية وتدمير تدريجي للمادة.
يحدث التلف الناتج عن التكهف في أغلب الأحيان على مراوح المضخات، ومراوح السفن، والصمامات، والتوربينات، والمكونات الهيدروليكية الأخرى. كما يمكن أن يؤدي التآكل إلى تسريع التدهور الميكانيكي للسطح.

إجهاد التآكل

ينتج إجهاد التآكل عن التفاعل المتزامن بين بيئة تآكلية وإجهادات دورية متغيرة. يمكن لهذه البيئة أن تسرّع من بدء وتطور شقوق الإجهاد، مما يؤدي إلى انخفاض متانة المكون مقارنةً ببيئة محايدة.
تُعد هذه الظاهرة مهمة في عناصر الآلات، والأعمدة، والمنشآت البحرية، والمنشآت الكيميائية، والأجزاء المعرضة للاهتزازات والأحمال المتغيرة بشكل دوري.

تآكل الاحتكاك

يحدث التآكل الاحتكاكي على الأسطح التي تتعرض لحركات صغيرة ومتكررة للغاية. يؤدي هذا إلى تدمير الطبقات الواقية ميكانيكياً، ويمكن أن تؤدي نواتج التآكل الناتجة إلى تسريع تدهور السطح.
تُلاحظ هذه الظاهرة، من بين أمور أخرى، في وصلات البراغي والمحامل والأعمدة والقوابض وعناصر الآلات الأخرى المعرضة للاهتزازات.

التآكل الميكروبيولوجي

يشير مصطلح التآكل المتأثر بالميكروبات (MIC) إلى التآكل الذي يبدأ أو يتسارع بفعل نشاط الكائنات الدقيقة. تشكل البكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى أغشية حيوية وتغير الظروف الكيميائية المحلية على سطح المعدن.
يمكن أن يحدث التآكل الميكروبي على كل من الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ. وهو مشكلة شائعة في أنظمة المياه، والمبادلات الحرارية، والخزانات، والصناعات الغذائية والورقية والكيميائية، وكذلك في أنظمة مياه البحر.
في هذه الحالة، لا يكفي اختيار نوع سبيكة ذي درجة أعلى لحل المشكلة دائمًا. كما أن تصميم التركيب، والقضاء على المناطق الميتة، ومعدلات التدفق المناسبة، والتنظيف، والمراقبة الميكروبيولوجية للوسط، كلها أمور بالغة الأهمية.

التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية

يمكن أن يحدث التآكل أيضاً دون استخدام محلول إلكتروليتي سائل. عند درجات الحرارة العالية، يمكن أن يتفاعل المعدن مباشرة مع الغازات المحيطة به.
المثال الأكثر شهرة هو الأكسدة في درجات الحرارة العالية، ولكن اعتمادًا على الغلاف الجوي، قد تحدث أيضًا عمليات الكبرتة أو الكربنة أو النتردة أو تفاعل غاز الاحتراق.
في ظل هذه الظروف، تُستخدم أنواع خاصة من الفولاذ المقاوم للحرارة والزحف. ومن الأمثلة على ذلك: 1.4828، و1.4845 (AISI 310S)، و1.4841، و1.4835 (253 MA). أما في ظل ظروف حرارية وكيميائية أكثر صرامة، فتُستخدم سبائك نيكل مختارة بعناية.

تُعد البيئة بنفس أهمية نوعية الفولاذ

لا يوجد نوع واحد من الفولاذ هو الأفضل في جميع البيئات. فالمادة المقاومة لآلية تآكل معينة قد يكون أداؤها أسوأ بكثير في بيئة أخرى.
عند اختيار مادة ما، يجب مراعاة عدة أمور، من بينها:

• التركيب الكيميائي للوسط،
• تركيز الكلوريدات والأيونات العدوانية الأخرى،
• الرقم الهيدروجيني
• درجة حرارة،
• ضغط،
• وجود الأكسجين،
• سرعة تدفق متوسطة،
• إمكانية تكوّن الرواسب والشقوق،
• الإجهادات الميكانيكية وإجهادات اللحام،
• التلامس مع المعادن الأخرى،
• حالة وجودة السطح،
• ظروف اللحام والمعالجة اللاحقة.

أمثلة على درجات الفولاذ ومقاومته للتآكل

مع ازدياد نسبة عناصر السبائك المناسبة، يُمكن الحصول على أنواع من الفولاذ مصممة لتحمل بيئات أكثر قسوة. مع ذلك، لا يعني هذا إمكانية وضع معيار عالمي بسيط يُفضّل فيه نوعٌ على آخر دائمًا.

لماذا يُعدّ تحديد نوع التآكل بشكل صحيح أمراً بالغ الأهمية؟

لا يكفي مجرد القول بأن أحد المكونات "يتآكل" لاختيار المادة المناسبة. إذ تتطلب عملية التآكل السطحي المنتظم إجراءات مختلفة تمامًا، وكذلك عملية التآكل العميق، ثم إجراءات أخرى مختلفة تمامًا في حالة تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد أو التآكل الجلفاني.
على سبيل المثال، قد يكون زيادة سُمك الجدار فعالاً في تعويض التآكل المنتظم المتوقع، ولكنه لن يُسهم كثيراً في معالجة تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد. كما أن استخدام فولاذ ذي مقاومة عالية للتآكل النُقري بالكلوريد قد يُحسّن بشكل ملحوظ مقاومة التآكل النُقري بالكلوريد، ولكنه لا يضمن بالضرورة مقاومة جميع البيئات الكيميائية.
لذلك، قبل اختيار درجة الفولاذ، من الضروري تحديد ليس فقط تكوين الوسط ودرجة حرارة التشغيل، ولكن أيضًا آلية التلف الأكثر احتمالًا.
أهم أشكال تآكل المعادن هي التآكل المنتظم، والتآكل النقطي، والتآكل الشقوقي، والتآكل بين الحبيبات، والتآكل الإجهادي، والتآكل الجلفاني، والتآكل التآكلي، والتآكل التجويفي، والتآكل الناتج عن الإجهاد، والتآكل الاحتكاكي، والتآكل الميكروبيولوجي، والتآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية.
في التطبيقات الصناعية، تُعدّ ظواهر التنقر، والتشققات، والتشققات بين الحبيبات، والتشققات الناتجة عن تآكل الإجهاد، ذات أهمية خاصة بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ. ويُعدّ حدوثها أحد الأسباب الرئيسية لاستخدام المزيد من المواد المُسبّكة مثل 316L، و904L، و1.4529، و254 SMO، وثنائي الطور 2205، وثنائي الطور الفائق 2507، وسبائك النيكل.
مع ذلك، لا يمكنك اختيار مادة بناءً على اسمها أو معيار واحد فقط. فمقاومة التآكل تعتمد دائمًا على مزيج محدد من المادة والبيئة ودرجة الحرارة وتصميم المكونات وظروف التشغيل.

يمكن أن يحدث التآكل عبر آليات مختلفة، وذلك تبعاً للمادة والبيئة وظروف التشغيل. تعرف على أنواع أخرى من التآكل:

أنواع تآكل الفولاذ والمعادن

تآكل منتظم للصلب والمعادن
تآكل التنقر في الفولاذ المقاوم للصدأ
تآكل الشقوق في الفولاذ المقاوم للصدأ
تآكل بين حبيبات الفولاذ المقاوم للصدأ
تشقق التآكل الإجهادي
التآكل الجلفاني
التآكل الناتج عن التعرية
تآكل التجويف
إجهاد التآكل
تآكل الاحتكاك
التآكل الميكروبيولوجي
التآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية

تقسيم التآكل حسب البيئة

التآكل البحري – تآكل الفولاذ والمعادن في مياه البحر
Korozja atmosferyczna
التآكل الأرضي
التآكل في المياه العذبة والصناعية
التآكل في البيئات الكلوريدية
التآكل في البيئات الحمضية
التآكل في البيئات القلوية
التآكل في الغازات وغازات العادم
التآكل في أنظمة الصرف الصحي
التآكل في البيئات الكيميائية والبتروكيميائية

مواضيع ذات صلة

درجة حرارة التآكل النقطي الحرجة للفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل (CPT)
مؤشر مقاومة التآكل النقطي للفولاذ المقاوم للصدأ (PREN)
درجة حرارة التآكل الشقوقي الحرجة للفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل (CCT)