Korozyon Nedir? Nasıl Oluşur? Korozyonu Önlemek, Yapı Güvenliği İçin Neden Önemlidir?

Korozyon, metallerin çevre ile yaptığı elektrokimyasal tepkimeler sonucunda metalik özelliklerini kaybetmeleri olayıdır. Bu, metal malzemelere zaman içerisinde en çok hasar veren olaylardan birisidir. Korozyon sebebiyle, yaptığımız köprüler ve binalar çökebilmekte, boru hatlarımız hasar görebilmektedir. Metallerin kullanıldığı herhangi bir tasarım yaparken korozyon, göz önünde bulundurulması gereken önemli bir etkendir; çünkü yapı güvenliğini ve yapının ömrünü doğrudan ilgilendirmektedir.

Kısa zaman dilimleri içerisinde korozyonun etkisini gözlemek zordur; fakat zaman ölçeği arttıkça, korozyon dolayısıyla oluşan tahribatı çok daha net bir şekilde görmek mümkün olmaktadır: Bunun en meşhur örneği, kuşkusuz ABD'nin New York Şehri'nde bulunan Özgürlük Heykeli'dir. Özgürlük Heykeli, Fransa tarafından ABD'ye hediye edildiği zamanlarda aslen kahverengimsi bir renge sahipti. Ancak metal heykel, zamanla korozyonun etkisiyle, bugün bildiğimiz ve heykeli meşhur yapan yeşile benzer rengine bürünmüştür.

DailyMail

Kullandığımız metallerin birçoğu doğada, sülfür veya oksijen ile bağlanmış halde bulunur; çünkü bu form, kimyasal bileşiklerin en kararlı hallerinden ikisidir. Bu bileşikleri bu formdan çıkarmak ve "saf metal" haline getirmek için, çok yüksek sıcaklıklarda enerji kullanılması gerekir. Sülfürlü ve oksitli metal bileşikleri, stabil ve hareketsizdirler; ancak yüksek enerji verilerek saflaştırılmış metaller çok daha hareketlidirler ve yapılarındaki bu enerjiyi dışarı vererek, o eski daha kararlı hallerine dönmeye çalışırlar. İşte yapılarımızda kullandığımız metallerin aşınmasının temel sebebi de budur.

Metallerin korozyona uğrama kolaylığı, elementten elemente farklılık göstermektedir; ancak genel olarak bir metal ne kadar aktifse, o kadar kolay aşınır. Metal yüzeyi pasifleşmediği sürece, korozyon aktifliğini standart elektrot potansiyellerine bakarak belirleyebiliriz.

İyonik bütün çözeltiler ve doğal sular, elektrolit (serbest iyon içeren ve iletken ortamlar) olarak korozyona sebep olabilirler. Ayrıca nemli havadaki su buharı, metallerin yüzeyinde yoğunlaşarak korozyon için elverişli ortam oluştur.

Elektrokimyasal Korozyon

Özünde korozyonu, daha önceden detaylarını anlattığımız galvanik pile (veya galvanik hücreye) benzetebiliriz. Hatırlayacak olursanız galvanik hücreler, temel olarak, kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üretebilen pillerdir. Galvanik hücrede gerçekleşen indirgenme ve yükseltgenme tepkimeleri sayesinde elektrik akımı elde edilir.

Elektrokimyasal korozyon durumunda ise bir metalin farklı kısımları anot ve katot görevi görür. Yani aynı maddenin bir kısmı anot özelliği gösterirken, bir diğer kısmı katot özelliği gösterir ve bu iki parça arasında redoks tepkimesi yaşanır. Bu olay sonucunda metalin anot görevi görüp yükseltgenen veya katot görevi görüp indirgenen kısımlarının yapısı bozulur. Örneğin yükseltgenme, aşağıdaki formülle gösterilebilir:

$X\to X^{n+}+n{e}^{-}$

İndirgenmenin gerçekleştiği "yarı hücre" olan katotta ise iki farklı ihtimal vardır:

1. Ortam asidikse (pH<7) hidrojen indirgenmesi görülür:
2. 2H⁺ + 2e^- $\to$ H₂
3. Ortam nötr ve ortamda çözünmüş oksijen bulunuyorsa, oksijen elektron alarak hidroksil oluşturur:
4. ½O₂ + H₂0 + 2e^- $\to$ 2OH^-

Göller, akarsular ve denizler gibi doğal su birikintileri genellikle baziktirler ve elektrolit özelliği taşıdıkları için metalle temas ettikleri zaman uzun vadede ciddi korozyona sebep olabilirler.

Cathwell

Yukarıda görülen korozyon hücresinde aynı metalin farklı bölgeleri hem anot hem de katot görevi görmüştür. Anotta metal çözünürken, katotta ise hidroksil iyonu açığa çıkıyor. Daha sonra demir, açığa çıkan hidroksil iyonuyla buluşup daha kararlı olan demir hidroksit (Fe(OH)₂) oluşturuyor.

• Anot olarak davranan kısımda gerçekleşen tepkime: Fe $\to$ Fe²⁺ + 2e^-
• Katot olarak davranan kısımda gerçekleşen tepkime: ½O₂ + H₂0 + 2e^-→ 2OH^-
• Net tepkime: Fe + ½ O₂ + H₂O → Fe(OH)₂

Ortamda yeterli oksijenin bulunması durumunda demir(II) hidroksit, demir(III) hidroksit geline gelir.

2Fe(OH)₂ + ½O₂ + H₂O → 2Fe(OH)₃

Korozyon İstemliliği

Korozyonun istemli olarak gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini önceden belirlemek için, her olayda olduğu gibi, termodinamik yasalarından yardım alabiliriz. Bunun için de Gibbs serbest enerjisindeki değişimi hesaplamamız gerekiyor. Gibbs serbest enerjisindeki değişim ($\Delta$G) eğer sıfırdan küçükse, olayın istemli olarak gerçekleşebileceğini, sıfırdan büyükse de gerçekleşmeyeceğini söyleyebiliriz.

Korozyonun gerçekleştiği zemini bir elektrokimyasal hücre olarak kabul ettiğimiz için kullanacağımız ifade şudur:

$\Delta G=-nF{E}_{\text{pil}}$

Hücremiz standart koşullarda olmadığı için (0^oC, 1 atm), hücre potansiyelini Nernst eşitliğini kullanarak hesaplamamız gerekiyor.

$E=E^0-\genfrac{}{}{0ex}{}{RT}{nF}\ast lnQ$

Bu eşitlikten yararlanarak hücre potansiyelini hesapladıktan sonra Gibbs serbest enerji değişimi bulduğumuzda, korozyonun gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini öngörebiliyoruz.

Korozyon Türleri

Korozyon da oluş şekline göre farklı türlere ayrılmaktadır. Bu kısımda, adım adım bu türleri inceleyeceğiz.

Üniform (Tek Tip, Düzenli) Korozyon

Üniform korozyon, metalin her bölgesinde aynı hızla gerçekleşen bir korozyon türüdür. Bu korozyon türü, diğerlerine oranla biraz daha kolay ölçülüp öngörülebildiğinden dolayı, nadiren büyük çaplı sorunlara sebep olur. Çoğu durumda, yalnızca görünüş açısından sorun yaratacaktır.

Çukur Korozyonu

Korozyon sebebiyle metal yüzeyden oyuklar meydana geliyorsa bu, çukur korozyonu (İng: "pitting") adını alır. Bu tip korozyon, üniform korozyonun aksine yüzeyin her bölgesinde aynı hızda gerçekleşmez. Anot ve katot, birbirinden kesin olarak ayrı konumdadırlar. Anot, yani yükseltmenin gerçekleştiği yarı-hücre çukurun içiyken, çukurun dış kısmında kalan alan da katot görevi görür. Genelde yüzey koruma tabakası hasar gördüğünde veya çatladığında metalin bir kısmı katot haline gelir. Metali tamamen delebilecek potansiyele sahip olduğu için çok tehlikeli bir türdür.

ResearchGate

Çukur korozyonuna şunlar sebep olabilir:

• Türbülanslı sıvı akışı
• Düzgün olmayan koruyucu kaplama
• Koruyucu kaplamada çatlaklar
• Koruyucu kaplamanın güçlü bir kimyasala maruz kalması
• Düzgün olmayan basınç
• Çizikler, sıyrıklar ve küçük talaşlar

Galvanik Korozyon

Galvanik korozyon, iki farklı metalin birleştirilmesi veya aynı elektrolit içerisinde yer alması sebebiyle oluşan bir korozyon çeşididir. Bu hücrede elektronegatif potansiyele sahip metal (veya her ikisi de elektronegatif ise daha fazla elektronegatif olan metal) anot görevi görür. Buna örnek olarak, galvanik pillerdeki elektrot aşınması olayını düşünebiliriz. Galvanik korozyon için şu üç şart aynı anda gerçekleşmelidir:

• Değişik türde metaller: Galvanik korozyon iki farklı metal türü temas halinde olduğunda mümkündür.
• Elektrolitin varlığı: İyonik iletimi sağlamak için temas alanı sulu bir sıvı ile ıslatılmalıdır. Aksi takdirde galvanik korozyon olası olmayacaktır.
• İki metal arasındaki elektriksel süreklilik: Metaller arasındaki elektriksel süreklilik, doğrudan temasla veya cıvata gibi iki metal arasındaki olan bir bağlantıyla sağlanabilir.

Çatlak Korozyonu

Metal yüzeyinde oluşan çatlaklar veya boşluklardan dolayı iyon konsantrasyonunda bir farklılık olması sebebiyle çatlak korozyonu oluşabilir. Genellikle oksijenin konsantrasyonundaki bir farkla başlama fitili ateşlenir. Çatlak korozyonu, çukur korozyonundan daha düşük sıcaklıklarda meydana gelebilir. Uygun bağlantı tasarımı, çatlak korozyonunu en aza indirmede faydalı bir önlemdir.

MarkTool

Taneler Arası Korozyon

Mikroskobik düzeyde, metaller ve alaşımlar, "tanecik" adı verilen küçük, ayırt edilebilir bölgelere sahiptir. Bu tanecikler arasında bulunan saf olmayan bölgeler, ısıl işlem ve kaynak, metal bileşiminde değişikliklere, bu da taneler arası korozyona sebep olabilir. Buna örnek olarak, alüminyum içerisinde bulunan demir taneleri verilebilir.

Taneler arası korozyonun en yaygın örneklerinden biri de paslanmaz çeliklerde görülmektedir. Paslanmaz çelik 500-800 C⁰ arasındaki sıcaklıklarda korozyona duyarlı hale gelir.

Erozyonlu Korozyon

Korozif özelliğe sahip bir akışkanın metal yüzeyinde akışı sonucu erozyonlu korozyon gerçekleşir. Akış sürekli olduğu için oluşan ürünler akış tarafından sürüklenir ve metalin yüzeyi sürekli olarak korozif akışkana maruz kalır. Aşınmanın miktarı akış hızıyla doğrudan ilişkilidir.

Stres Korozyonu

Stres korozyonu, genellikle yüksek sıcaklıklarda var olan çekme gerilimi ve aşındırıcı ortamın birleşiminin bir sonucudur. Aynı zamanda soğuk şekillendirme, kaynak, talaşlı imalat, taşlama vb. gibi imalat sürecinde uygulanan gerilmeden de kaynaklanabilir. Bunun sonucunda da metal yüzeyinde çatlaklar oluşup korozyonu hızlandırır.

Korozyon Hızının Ölçümü

Korozyon hızının ölçümü, korozyondan korunmak ve oluşabilecek hasarları öngörmek için önemlidir. Birim yüzey alanından birim zamanda uzaklaşan metal kütlesi olarak tanımlanır. Bunun için de genel olarak, yıl başına desimetrekare başına gram ( $\genfrac{}{}{0ex}{}{g}{d{m}^2\times yıl}$) birimi kullanılır. Bir başka birim olarak, belli bir süre içindeki metal kalınlığı azalışı ($\genfrac{}{}{0ex}{}{mm}{yıl}$) da kullanılabilmektedir.

Korozyon Nasıl Önlenir?

Korozyonu önlemek veya korozyon hızını düşürmek bazı önlemlerle mümkündür. Bunun için de temel olarak yüzeyin oksijen ve korozif maddelerle olan etkileşimini kesmemiz gerekir. Bunlardan bazıları:

• Boyama
• Yağlama
• Plastik kaplama

Bir diğer yöntem ise, feda edilecek başka bir metal kullanmaktır. Bu yöntemde yüzey, daha reaktif olan bir diğer metal ile kaplanır. Daha reaktif metal daha kolay oksitlenir, bu nedenle ana metal korunarak, bir diğer metal kurban edilmiş olur. Bu sayede, korunmak istenen malzeme ve yapı, aşınmamış olur.

Sonuç

Korozyon, yapı güvenliğini tehdit eden en yıkıcı ve önemli doğal olaylardandır. Bu sebeple herhangi bir yapı inşa edilirken kullanılan malzemenin korozyona uğrama hızı, aktifliği ve dış etkenlere karşı nasıl korunacağı göz önünde bulundurulması gereken temel sorulardır.