KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
METALURJİ ve MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
METALURJİ LABORATUVARI I
KOROZYON DENEYİ
Teorik Bilgi:
Korozyon, metalik malzemelerin içinde bulundukları ortamla reaksiyona girmeleri sonucu,
dışardan enerji vermeye gerek olmadan doğal olarak meydan gelen olaydır. Korozyona uğrayan
metal ya da alaşımın fiziksel, kimyasal, mekanik, elektriksel vb. özelliklerinde istenmeyen
değişiklikler olur. Doğada genellikle bileşik halinde bulunan metaller metalürjik proseslerle
enerji harcanarak saf hale dönüştürülür. Ancak metaller üretilirken almış oldukları bu enerjiyi
geri vererek kendiliğinden doğada bulundukları kararlı hale dönmek eğilimindedir. Örneğin,
doğadaki hematit ve manyetit gibi demir oksitlerinden yüksek fırında elde edilen saf demir
zamanla korozyona uğrayarak doğadaki minerallerine benzer bileşimdeki pası oluşturur.
Yüksek sıcaklıktaki oksitlenme reaksiyonları dışında tüm korozyon olayları elektrokimyasal
reaksiyonlar ile gerçekleşir. Bu reaksiyonlar metal/elektrolit ara yüzeyinde meydana gelir.
İyonik iletken olan bütün çözeltiler korozyona neden olabilir. Bir metal ne kadar aktif ise,
yani iyon haline geçme isteği ne kadar yüksek ise, o metalin korozyona uğraması da o kadar
kolaydır.
Elektrokimyasal korozyon, biri anotta oksidasyon (yükseltgenme) diğeri katotta redüksiyon
(indirgenme) şeklinde aynı anda yürüyen iki reaksiyondan oluşur. Korozyonun yürümesi için
iki ayrı metalin bulunması şart değildir. Bir metal elektrolit içinde tek başına bulunduğunda
da korozyon meydana gelebilir. Metalin yapısında veya yüzeyinde bulunan farklılıklar
(safsızlık, çapak, çatlak vb.) nedeniyle iki bölge arasında potansiyel farkı oluşabilir ve bunun
sonucunda bazı bölgeler anot, bazı bölgeler de katot olur. Böylece mikro veya makro ölçüde
korozyon hücreleri oluşur. Anot ve katot arasındaki potansiyel farkı ne kadar büyükse
korozyon hızı da o kadar fazla olur. Anodik veya katodik reaksiyonlardan herhangi birinin
engellenmesi halinde korozyon olayı durur.
Korozyon olayı metalin oksidasyonu ile anotta meydana gelir ve metal (M) elektron vererek,
aşağıdaki anot reaksiyonu sonucu, iyon halinde çözeltiye geçer.
M → M2+ + 2e-
(1)
Katot reaksiyonu ise elektrolit ortamının pH derecesine ve elektrolit içindeki çözünmüş
oksijen konsantrasyonuna bağlıdır; pH derecesinin küçük olduğu asidik ortamlarda katot
reaksiyonu hidrojen iyonu redüksiyonu ile aşağıda verilen reaksiyona göre, gerçekleşir ve
hidrojen gazı çıkışı gözlenir.
2H+ + 2e- → H2
1
(2)
Buna karşılık, içinde çözünmüş oksijenin bulunduğu nötral ve alkali çözeltilerde katot
reaksiyonu, çözünmüş olan oksijenin elektron alarak hidroksil iyonu haline dönüşmesi
şeklinde aşağıdaki reaksiyona göre yürür.
½O2 + H2O + 2e- → 2OH-
(3)
Oksijen içeren doğal ortamlarda demirin korozyona uğraması ile pas oluşumu aşağıdaki
kimyasal reaksiyonlar sonucu meydana gelir.
Anot reaksiyonu:
Katot reaksiyonu:
Toplam reaksiyon:
Fe → Fe2+ + 2e½O2 + H2O + 2e- → 2OHFe + ½O2 + H2O → Fe(OH)2
(4)
(5)
(6)
Korozyon sonucu oluşan Fe(OH)2 ortamda yeterli oksijen bulunması durumunda yeniden
oksitlenerek pas yani Fe(OH)3 haline dönüşür.
2Fe(OH)2 + ½O2 + H2O → 2Fe(OH)3
(7)
Bir metal kendi iyonlarını içeren bir çözeltiye daldırılırsa, bir süre sonra metal ve iyonları
arasında aşağıdaki dengeye ulaşılır.
M ↔ M2+ + 2e-
(8)
Denge halinde metalin oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının elektron değişimi hızı
birbirine eşittir. Bu durumda oksidasyon akım yoğunluğu (ia) ve redüksiyon akım yoğunluğu
(ic) da birbirine eşit olur ve buna “denge akım yoğunluğu” (io) adı verilir. Denge halinde
ölçülen potansiyele “denge potansiyeli” (Eo) denir.
ia = ic = io
(9)
Eğer elektroda bir dış akım (i) uygulanırsa yukarıdaki eşitlik bozulur. Devreden geçen net
akım bu ikisi arasındaki farka eşit olur ve elektrot potansiyeli de, hiç akım geçmediği (Eo)
değerinden farklı bir (Ei) değerini alır. Akım geçerken elektrot potansiyelinde meydana gelen
bu değişime “polarizasyon” denir, polarizasyon sonucu elektrotlarda bir aşırı gerilim (η)
oluşur.
η = Ei - Eo
(10)
Anodik ve katodik reaksiyonlar için aşırı gerilimler ile akımın logaritması arasında anodik ve
katodik polarizasyon eğrileri çizilerek Ecor ve bu potansiyele karşılık gelen icor değerleri
bulunabilir (Şekil 1). Korozyona uğrayan ve denge halinde bulunan böyle bir elektroda bir dış
akım uygulanması halinde elektrot potansiyelinde meydana gelen değişmeler ise Şekil 2’de
görülmektedir. Denge halinde iken anodik ve katodik akım yoğunlukları (x) birbirine eşittir ve
devreden net bir akım geçmez. Bu noktada katodik akım (y) ile anodik akım (z) birbirine
eşittir. Elektroda anodik yönde bir dış akım uygulandığında anot potansiyeli (CD) pozitif
yönde artış gösterir. Katodik yönde akım uygulanması halinde de elektrot potansiyeli (AB)
negatif yöne doğru kayar. Şekil 2’de görüldüğü gibi, uygulanan dış akım korozyon akımından
daha büyük olacak şekilde belirli bir değere ulaştıktan sonra polarizasyon eğrileri hafifçe
bükülerek (E - log i) değişimi lineer hale gelmektedir, bu bölgelere “Tafel bölgesi” denir.
2
Tafel doğrusunun eğimi deneysel olarak elde edilerek korozyon hızının belirlenmesinde
kullanılır.
Şekil 1. Korozyon reaksiyonunda karma potansiyelin oluşumu
Şekil 2. Anodik ve katodik polarizasyon eğrileri
Korozyon hızının belirlenmesinde en basit yöntem ağırlık kaybı yöntemidir. Bu yöntemde
korozyon hızı ölçülecek olan metal, korozif ortam içinde belli süre bekletilerek bu süre içinde
meydana gelen ağırlık kaybı belirlenir. Korozyon hızı, birim yüzeyde ve birim zamanda
meydana gelen ağırlık kaybı olarak verilir. Ancak bu yöntemin başlıca iki sakıncası vardır;
birincisi çok uzun bir zamana ihtiyaç duyulması, ikincisi ise elde edilen korozyon hızı
değerinin o andaki korozyon hızını değil, başlangıçtan itibaren geçen uzun bir zaman
diliminin ortalamasını vermesidir.
Elektrokimyasal tekniklerin gelişmesi ile birlikte korozyon hızının belirlenmesinde
polarizasyon eğrileri kullanılmaya başlanmıştır. Metalin belli bir elektrolit içindeki
polarizasyon eğrileri potansiyostatik yöntem veya galvanostatik yöntem ile çizilmektedir
(Şekil 3).
Potansiyostatik yöntem ile elektrot bir potansiyostat yardımı ile sabit bir potansiyelde belirli
süre tutularak, bu potansiyele karşılık gelen akım değerleri ölçülmektedir. Potansiyeli yavaş
3
olarak değiştirerek, belli bir tarama hızında (örneğin 10mV/s) olacak şekilde akım ölçümü
yapılan potansiyodinamik yöntem de aynı amaçla kullanılmaktadır.
Şekil 3. Potansiyostatik yöntem ile korozyon hızı belirlenmesi düzeneği
Galvanostatik yöntemde elektroda anodik veya katodik yönde sabit bir akım uygulanır ve bu
akım altında elektrodun potansiyeli ölçülür. Uygulanan akım yoğunluğuna karşı ölçülen aşırı
gerilimler grafiğe geçirilir.
Deneyin Yapılışı:
Deney numunesinin (çalışma elektrodu) iletkenliğini sağlayabilmek için arka yüzeyine bakır
tel lehimlenerek sadece elektrolit ile temasta olan yüzeyi açıkta kalacak şekilde epoksi ile
kaplanır. Numune yüzeyi parlatılmış olmalıdır. Deney hücresi içerisine, çalışma elektrodu
olarak deney numunesi, karşı elektrot görevini yapan platin elektrot ve referans elektrot olarak
da doygun kalomel elektrot (SCE) yerleştirilir (Şekil 3). Deneyde, öncelikle sistemden akım
geçmeksizin, korozif çözeltinin içine çalışma elektrodunun ve referans elektrodun
daldırılmasından itibaren ikisi arasındaki korozyon potansiyellerinin mV olarak değişimi
zamana karşı ölçülür. Denge potansiyeline ulaştıktan sonra polarizasyon eğrileri katodikten
anodik yöne doğru kaydedilir. Tafel eğrilerinden korozyon potansiyeli (Ecor) ve korozyon
akım yoğunluğu (icor) hesaplanır.
4
Download

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ METALURJİ