شبیه سازی خوردگی حفره ای هنگامی که یک قطره آب به یک سطح فلزی متصل می شود، ممکن است خوردگی عمومی آغاز شود. در برخی موارد و در صورت وجود زمان تماس کافی، ممکن است در اثر این خوردگی گودال بسیار کوچکی در سطح فلزی ایجاد شود. شرایط در چنین گودالی ممکن است در طول زمان ایجاد شود به طوری که کف گود به یک سطح خالص آندی قطبی تبدیل شود، در حالی که ناحیه دور از دهانه گودال به عنوان یک سطح کاتدی خالص عمل می کند. این امر باعث تسریع خوردگی در کف گودال می شود و ممکن است یک گودال بزرگ تشکیل شود. مدل‌سازی خوردگی حفره‌ای به این منظور است که بفهمیم چگونه یک ماده خاص یا یک طرح خاص ممکن است تحت شرایط خاص در برابر خوردگی حفره‌ای حساس باشد. این پست وبلاگ نشان می دهد که مدلی برای مطالعه شبیه سازی خوردگی حفره ای ممکن است چگونه باشد.

مقدمه ای بر فرآیندهای خوردگی

خوردگی گالوانیکی توسط تماس الکترونیکی و یونی دو فلز با شباهت های متفاوت به الکترون ها ایجاد می شود. اگر دو فلز از این قبیل با یک الکترولیت در تماس باشند، لایه های دوگانه باردار در سطح خود در برابر الکترولیت تشکیل می دهند. ولتاژ روی این لایه دوگانه شارژ شده برای دو فلز متفاوت است. این منجر به هدایت الکترون ها از فلز کمتر نجیب به فلز نجیب تر می شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.در ادامه در مورد  شبیه سازی خوردگی حفره ای بیشتر برای شما عزیزان توضیح داده ایم. در ادامه آموزش شبیه سازی خوردگی حفره ای را برای شما عزیزان توضیح دادیم.

آموزش کامسول در سطح فلز نجیب، این الکترون ها ممکن است در یک واکنش انتقال بار شرکت کنند، که در فلز نجیب، یک واکنش کاهش خالص (واکنش کاتدی) است. در فلزات کمتر نجیب، الکترون گرفته می شود، و این واکنش انتقال بار ممکن است منجر به انحلال فلز کمتر نجیب در یک واکنش آندی خالص شود.

هنگامی که به واکنش های شکل 1 اجازه داده شد تا مدتی ادامه یابد، آنگاه فلز کمتر نجیب (آهن در این مورد) ممکن است نزدیک به سطح تماس با فلز نجیب تر حل شده باشد، همانطور که در شکل 2 در زیر نشان داده شده است.

اکنون می توانیم به یک قطره آب روی سطح یک فلز نگاه کنیم. شکل 3 را ببینید. ساختار میکروسکوپی ممکن است دارای نواحی با فازهای فلزی متفاوت باشد که ممکن است پیوندهای الکترونی کمی متفاوت داشته باشند. این بدان معناست که برای مثال، واکنش‌های کاتدی ممکن است در بلورهای فلزی رخ دهد، در حالی که واکنش‌های آندی ممکن است در نواحی بین دانه‌ای رخ دهد.

در شکل 2، هیدروکسید آهن ممکن است نزدیک به سطحی که آهن آزاد می شود تشکیل شود. این یکی از اجزای زنگ زدگی است. در شکل 3، تشکیل زنگ ممکن است در سراسر سطح رخ دهد، زیرا نواحی بین دانه ای به طور مساوی توزیع شده اند. معمولاً به آن خوردگی عمومی گفته می شود.

اجازه دهید اکنون به شکل 4 نگاه کنیم، جایی که فرآیند در شکل 3 اجازه ادامه یافتن دارد. انتقال اکسیژن به سطح کریستالیت در وسط قطره در مقایسه با لبه ها طولانی تر است، جایی که طول انتشار اکسیژن کمتر است. سطح فلز در وسط قطره از اکسیژن تهی می شود که پتانسیل این ناحیه را در مقایسه با نواحی در لبه های قطره کاهش می دهد. این باعث کاهش پتانسیل زیر پتانسیل غیرفعال شدن آهن می شود که ممکن است لایه محافظ اکسید آهن را بی ثبات کند. در نهایت، بلورهای وسط سطح ممکن است به عنوان آند خالص، به دلیل کاهش اکسیژن، عمل کنند. این منجر به راه اندازی یک گودال از طریق انحلال آهن در وسط قطره می شود. تولید یون‌های آهن نیز واکنشی با آب ایجاد می‌کند، جایی که پروتون‌ها تشکیل می‌شوند، بنابراین pH در چاله کاهش می‌یابد. کاهش pH منجر به سرعت خوردگی بیشتر می شود. این فرآیند به عنوان آزمایش قطره ایوانز (مرجع 1) به نام دانشمندی که اولین بار این فرآیند را توضیح داده و بازتولید کرده است، نامیده می شود.

راه اندازی یک گودال ممکن است با مکانیسم های دیگر رخ دهد. به عنوان مثال، فرورفتگی‌های مکانیکی یا ناخالصی‌های سطح فلز ممکن است اکسیدهایی را که تا حدی از سطح آهن در برابر خوردگی بیشتر محافظت می‌کنند، ضعیف کند. فولاد ضد زنگ به ویژه دارای یک لایه اکسید محافظ است که ممکن است از نظر مکانیکی یا شیمیایی آسیب ببیند.

آموزش کامسول مدل سازی خوردگی حفره ای

مدل در این پست وبلاگ با گودالی که از قبل تشکیل شده است شروع می شود. همچنین فرض می‌کنیم که یک ناحیه بسیار بزرگ خارج از دامنه مدل‌سازی شده داریم، که پتانسیل ترکیبی پایداری را ارائه می‌دهد که تحت تأثیر جریان محلی به میزان بیشتری قرار نمی‌گیرد. این همچنین پتانسیل الکترولیت ثابتی را به دور از گودال می دهد.  همچنین میتوانید در اینجا آموزش شبیه سازی ترمودینامیک با کامسول مطالعه کنید.

واکنش انحلال فلز در سراسر مرز مشخص شده “سطح الکترود آهن” در شکل 5 در بالا تعریف شده است. سرعت واکنش آندی متناسب با غلظت پروتون در نظر گرفته می شود. این برای شرایط اسیدی در حضور کلرید معتبر است (مرجع 2). واکنش انحلال آهن با جابجایی مرز با استفاده از مش متحرک جفت می شود.

همانطور که در بالا ذکر شد، ما واکنش کاهش اکسیژن را مدل نمی کنیم. در عوض، ما یک پتانسیل الکترولیت ثابت را دور از گودال در یک موقعیت افقی قرار می دهیم که آن را “مرز الکترولیت حجیم” نشان می دهیم. در این مرز، غلظت یون سدیم، کلرید و آهن را نیز تعیین می کنیم.

در حوزه الکترولیت، از جمله گودال، ما فرض می‌کنیم که هم واکنش‌های اتوپروتولیز آب و هم واکنش‌های هیدروکسید آهن رخ می‌دهند. توجه داشته باشید که از آنجایی که هیدروکسید از طریق تولید Fe(OH)2 (s) مصرف می شود، این امر باعث کاهش pH نیز می شود که قبلا در شکل 4 ذکر شد.

غلظت اولیه گونه ها و پتانسیل اولیه الکترولیت با حل مسئله برای هندسه اولیه با فرض اینکه فرآیند در حالت شبه ثابت است محاسبه می شود. این بدان معنی است که مشکل برای یک هندسه ثابت، با شرایط مرزی ذکر شده در بالا، با استفاده از یک حل کننده ثابت حل می شود. این منجر به یک پروفایل ترکیب خاص و توزیع پتانسیل الکترولیت در حال حاضر در t = 0. این راه حل شرط اولیه برای مطالعه وابسته به زمان است.

نتایج

حالت شبه پایدار اولیه به نظر می رسد یک فرض معقول باشد، زیرا تغییر در ترکیب الکترولیت و پتانسیل در ابتدا نسبتا کند است، بین 0 تا 1 روز.

پشکل 6 زیر رشد گودال را طی 30 روز نشان می دهد. گرادیان پتانسیل الکترولیت در داخل گودال زیاد است. پتانسیل الکترولیت بین 0.43 میلی ولت و 16.5 میلی ولت در چاله تغییر می کند، در حالی که پس از 30 روز از 0 میلی ولت تا 0.43 میلی ولت در خارج از چاله تغییر می کند. توجه داشته باشید که انتقال در حفره کندتر است، زیرا ما یک محیط متخلخل با خواص انتقال موثر کمتر در مقایسه با الکترولیت خارج فرض می‌کنیم. توزیع پتانسیل کیفی یکسانی در کل دوره زمانی مدل‌سازی شده مشاهده می‌شود با مشاهده اینکه کف گودال سریع‌تر از دهانه گودال رشد می‌کند. این منجر به یک مسیر نسبتاً باریک تر برای جریان در دهانه گودال می شود و در نتیجه شیب های بزرگتری در پتانسیل الکترولیت در دهانه ایجاد می شود. توجه داشته باشید که در سطح صاف مقداری خوردگی دریافت می کنیم. در طی 30 روز، جابجایی سطح حدود 0.35 میکرومتر است، در حالی که همین جابجایی برای کف گودال 1.45 میکرومتر است.