الاختبارات الكهروكيميائية

الاختبار الكهروكيميائي هو طريقة شائعة الاستخدام لتقييم مقاومة المعادن والسبائك للتآكل، بناءً على سلوكها الكهروكيميائي في البيئات المسببة للتآكل. يُجرى عادةً في خلية كهروكيميائية مُتحكم بها باستخدام تكوين قياسي بثلاثة أقطاب كهربائية.

هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لتقييم المكونات المعرضة لظروف بيئية قاسية أو كيميائية. في ظل ظروف مختبرية خاضعة للرقابة، يوفر الاختبار الكهروكيميائي نتائج سريعة ودقيقة وموثوقة. اختبار التآكل طريقة للحصول على بيانات كمية حول سلوك تحلل المعادن.

 

كيف تعمل الاختبارات الكهروكيميائية؟

أثناء الاختبار الكهروكيميائي، يُستخدم نظام متخصص يتضمن إلكتروليتًا، وقطبًا مرجعيًا للحفاظ على جهد ثابت، وقطبًا مضادًا، ومادة الاختبار، المعروفة باسم القطب العامل. تتصل هذه الأقطاب الثلاثة بجهد كهربي ثابت. لا يشارك القطب المرجعي نفسه في التفاعل، بل يُستخدم فقط للحفاظ على جهد مرجعي ثابت.

التفاعل الأنودي

عادةً ما يكون الأنود هو المكون الذي يُجرى عليه الاختبار. عند تطبيق جهد كهربائي، يتأكسد، ويبدأ المعدن بالانتقال إلى المحلول. التفاعل العام هنا هو:

م (معدن)→مⁿ⁺ + ني^-

التفاعل الكاثودي

في التفاعل الكاثودي، يحدث اختزال للأقطاب المضادة أو المناطق المجاورة. يحدث هذا الاختزال باستهلاك الإلكترونات المنبعثة من الأكسدة في تفاعل الأنود. لا يتضمن هذا التفاعل تحلل المعدن، ولكنه يُعزز التآكل باستقبال الإلكترونات. من التفاعلات الكاثودية الشائعة، خاصةً في البيئات المتعادلة أو القاعدية حيث يوجد الأكسجين، ما يلي:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

في البيئات الحمضية، قد يكون التفاعل بدلاً من ذلك:

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

تلك هي تفاعلات اختزال الأكسجين النموذجية التي تحدث في اختبار التآكل الكهروكيميائي.

تقنيات اختبار التآكل الكهروكيميائي

الاستقطاب الجهدي الديناميكي (PDP)

في هذه التقنية، يُدرس سلوك تآكل المعدن بتغيير الجهد ودراسة تياره. تُغمر عينة معدنية في محلول تآكلي وتُوصل بنظام ثلاثي الأقطاب. يُنقل الجهد عادةً من اتجاه الكاثود إلى اتجاه الأنود، ويُقاس التيار الناتج. وأخيرًا، يُقدم منحنى الاستقطاب المعلومات اللازمة حول معاملات التآكل.

يخبرك عن:

• إمكانية التآكل (Ecorr): يشير إلى مدى تعرض المادة للتآكل.
• كثافة تيار التآكل (Icorr): مرتبطة بشكل مباشر بمعدل التآكل.
• سلوك التخميل: يوضح ما إذا كانت طبقة أكسيد واقية تتشكل ومدى استقرارها.
• احتمالية التآكل أو الانهيار: النقطة التي يبدأ عندها التآكل الموضعي مثل التآكل.

مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS)

اختبار التآكل باستخدام مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية هو في الأساس تقنية غير تدميرية. هنا، يتم قياس مقاومة سطح المعدن للتيار المتردد عبر نطاق ترددات مختلفة. وأخيرًا، تُقاس المعاوقة عند كل تردد. تُرسم البيانات الناتجة على مخطط نيكويست أو بود، كاشفةً عن سلوك النظام كهروكيميائيًا.

تمنحك هذه التقنية معلومات حول:

• أداء الطلاء: يكتشف العيوب والتدهور وامتصاص الماء.
• خصائص الحاجز: مقاومة عالية = حماية جيدة.
• مقاومة نقل الشحنة: تشير إلى مقاومة التآكل عند واجهة المعدن/المحلول.
• سعة الأغشية أو الطلاءات الواقية

مراقبة جهد الدائرة المفتوحة (OCP)

في هذه التقنية من الاختبارات الكهروكيميائية، لا يُطبّق أي تيار أو جهد خارجي. هنا، تُوضع العينة في محلول الإلكتروليت، وتُقاس الجهد بمرور الوقت بمساعدة قطب مرجعي.

تعطي هذه التقنية معلومات حول:

• الميل إلى التآكل: عادةً ما يعني المزيد من الإمكانات السلبية ارتفاع خطر التآكل.
• استقرار الفيلم: قد تشير التقلبات إلى انهيار أو تخميد الطبقات الواقية.

قياس الجهد الدوري

قياس الجهد الدوري (CV) هو تقنية يتم فيها تحريك جهد العينة ذهابًا وإيابًا بين حدين محددين. ويتم هنا رصد التفاعلات الكهروكيميائية العكسية وغير العكسية. ويتم الحصول على منحنى جهد تيار يشير ذروته إلى أحداث كهروكيميائية محددة.

ويحكي عن:

• سلوك الأكسدة والاختزال للمعادن والطلاءات
• تكوين وتحلل الطبقات السلبية
• آليات التآكل مثل التآكل الحفري أو التآكل الشقوقي
• قابلية عكس التفاعلات الكهروكيميائية

تطبيقات الاختبارات الكهروكيميائية

تقييم الأجهزة الطبية

يتم استخدام الاختبار الكهروكيميائي لتقييم التآكل في مناطق مثل الشقوق في الغرسات والأدوات الطبية.

اختيار المواد

كما أنه يساعد المهندسين على تحديد ومقارنة مقاومة التآكل لمختلف المواد الأساسية قبل استخدامها في البيئات الحرجة.

تقييم معالجة السطح

تساعد تقنية الاختبار هذه في تحديد كيفية تأثير المعالجات السطحية مثل التخميل أو الطلاء على مقاومة المادة للهجوم التآكلي.

تحليل تأثير التصنيع

يساعدك الاختبار الكهروكيميائي أيضًا على مراقبة كيفية تأثير خطوات المعالجة المختلفة على أداء المادة في التآكل.

طرق الاختبار الكهروكيميائية ASTM

ASTM G59

يوفر معيار ASTM G59 طريقة اختبار قياسية لإجراء قياسات مقاومة الاستقطاب الجهدي الديناميكي. في هذه الطريقة، يُقاس الاستقطاب الخطي للمعادن للتحقق من معدل التآكل. تُعرف هذه الطريقة بتوفيرها رؤى قيّمة حول سلوك التآكل العام.

ASTM G85

تُوفر هذه الطريقة ممارسةً قياسيةً لاختبار رذاذ الملح المُعدّل (الضباب). وتُحاكي بيئات التآكل المُتسارع باستخدام تنويعات مثل التعرض الدوري، أو المحاليل المُحمضة، أو إثراء ثاني أكسيد الكبريت. ويُفضل استخدام هذه الطريقة لتقييم متانة الطلاءات الواقية.

ASTM G6

لتحديد التآكل الموضعي، تُطبّق طريقة الاختبار الكهروكيميائي ASTM G6. يساعد هذا الاختبار على تحديد قابلية سبائك الحديد أو النيكل أو الكوبالت للتآكل النقطي والشقوقي. في هذه الطريقة، يُحلّل شكل منحنيات الاستقطاب وهستيريسيسها للحصول على النتائج.

ASTM G69

يُستخدم هذا الأسلوب لقياس جهد التآكل (Ecorr) لسبائك الألومنيوم في المحاليل المائية. ويُتيح تصنيف السبائك بناءً على سلوكها الكهروكيميائي. وبمساعدة هذه الطريقة، يُمكن التنبؤ بالتفاعلات الجلفانية.

ASTM G71

تُوفر لك هذه الطريقة دليلاً لإجراء وتقييم الاختبارات بين المعادن المختلفة في البيئات التحليلية. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية عند اقتران معادن مختلفة في بيئة تآكلية. كما يُساعد في تقييم خطر التآكل الجلفاني ومدى حدوثه.

ASTM G150

يركز هذا البرنامج على اختبار درجة حرارة التآكل الكهروكيميائية الحرجة (CPT) للفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك ذات الصلة. ويحدد هذا البرنامج أدنى درجة حرارة يبدأ عندها تآكل التآكل المستقر، وهو أمر أساسي لتأهيل الفولاذ المقاوم للصدأ للبيئات المحتوية على الكلوريد.

لماذا يفضل إجراء اختبار التآكل الكهروكيميائي؟

السرعة واكتساب البيانات في الوقت الفعلي

يُفضّل المهندسون إجراء الاختبارات الكهروكيميائية للتحقق من مقاومة المواد للتآكل، إذ تُوفّر تحليلاً فورياً وسريعاً. وعلى عكس اختبارات الغمر طويلة الأمد، يُمكنك الحصول عليها في غضون ساعات.

متطلبات حجم العينة الصغيرة

لا يقتصر الاختبار الكهروكيميائي على السرعة فحسب، بل يتطلب أيضًا عددًا صغيرًا من مكونات العينة. هذا يجعله فعالًا من حيث التكلفة وعمليًا، خاصةً عند اختبار مكونات عالية القيمة أو عندما تكون العينات المتوفرة محدودة.

حساسية عالية لمراحل التآكل المبكرة

بمساعدة اختبار التآكل الكهروكيميائي، يُمكنك اكتشاف نشاط التآكل قبل ظهور علاماته البصرية بوقت طويل. يُعدّ هذا الكشف المُبكر بالغ الأهمية لتحديد نقاط الضعف في المواد أو الطلاءات، كما يُساعدك على تحديد الأعطال طويلة الأمد ومنعها، خاصةً في البيئات الحرجة.

مناسب للطلاءات والسبائك ومناطق اللحام

يتميز الاختبار الكهروكيميائي بمرونة عالية، ويمكن تطبيقه على مجموعة واسعة من أنواع العينات وظروفها. يمكنك تقييم الطلاءات الواقية، ومقارنة مقاومة التآكل في السبائك، أو تحليل سلامة لحام المكونات. توفر هذه الطرق رؤى دقيقة ومفصلة مصممة خصيصًا للتطبيقات العملية.

حدود الاختبارات الكهروكيميائية

يقتصر على المواد الموصلة

الطبيعة قصيرة المدى

نظرًا لأن الاختبارات الكهروكيميائية تتطلب تسريع النتائج، فقد تتمكن من الحصول على نتائج دقيقة لسلوك التآكل على المدى الطويل.

حساسية تحضير السطح

من أبرز عيوب الاختبارات الكهروكيميائية حساسيتها. فإذا لم تُنظف سطح المكونات جيدًا، فقد يؤدي التلوث البسيط إلى نتائج خاطئة.

تعقيد التفسير

يتطلب تحليل البيانات في الاختبارات الكهروكيميائية، مثل استقراء تافل، ومنحنيات الاستقطاب، وأطياف المعاوقة، خبرةً واسعة. قد يؤدي سوء التفسير إلى استنتاجات غير دقيقة حول معدلات التآكل أو آلياته.

 

الأسئلة الشائعة

1. ما هي العوامل التي تؤثر على سلوك التآكل الكهروكيميائي؟

في اختبار التآكل الكهروكيميائي هناك عدد من العوامل التي تؤثر على التآكل:

• تكوين الخامات
• حالة السطح،
• كيمياء الإلكتروليت
• درجة الحرارة
• ظروف التدفق

2. ما هي أنواع المواد التي يمكن اختبارها باستخدام الطرق الكهروكيميائية؟

يمكن تطبيق اختبار التآكل الكهروكيميائي على المواد الموصلة مثل المعادن والسبائك والتي تشمل:

• فولاذ مقاوم للصدأ
• الامونيوم
• التيتانيوم
• المواد المطلية