التآكل الاحتكاكي

التآكل الاحتكاكي هو عملية تدهور للمواد ناتجة عن التأثير المشترك للتآكل والتآكل الكيميائي . ^{[ 1 ]} ويعكس مصطلح "التآكل الاحتكاكي" فرعي علم الاحتكاك وعلم التآكل الكيميائي . يهتم علم الاحتكاك بدراسة الاحتكاك والتشحيم والتآكل الكيميائي (اسمه مشتق من الكلمة اليونانية "tribo" التي تعني الاحتكاك)، بينما يهتم علم التآكل الكيميائي بالتفاعلات الكيميائية والكهربائية بين المادة، وعادةً ما تكون معدنًا، وبيئتها. يُعد التآكل الاحتكاكي مجالًا بحثيًا حديثًا نسبيًا، إلا أن ظواهره موجودة منذ بدء استخدام الآلات والمنشآت.

التآكل هو عملية تدهور ميكانيكية تحدث على أسطح الاحتكاك أو التصادم، بينما ينطوي التآكل الكيميائي على تفاعلات كيميائية أو كهروكيميائية للمادة. قد يُسرّع التآكل الكيميائي من التآكل، وقد يُسرّع التآكل الكيميائي من التآكل. ^{[ 2 ]} تندرج كلتا الظاهرتين، بالإضافة إلى تآكل الاحتكاك (الناتج عن تذبذبات صغيرة السعة بين الأسطح المتلامسة)، ضمن فئة أوسع تُعرف بالتآكل الاحتكاكي. يُعدّ التآكل الناتج عن الاحتكاك ظاهرة أخرى من ظواهر التآكل الاحتكاكي، إذ تتضمن تأثيرات ميكانيكية وكيميائية: حيث تُؤدي الجسيمات أو السوائل المتصادمة إلى تآكل سطح صلب عن طريق الكشط أو التكسر أو الإجهاد، بينما يتآكل السطح في الوقت نفسه. ^{[ 3 ]}

يحدث التآكل الاحتكاكي في العديد من المجالات الهندسية. فهو يُقلل من عمر الأنابيب والصمامات والمضخات، ومحارق النفايات ، ومعدات التعدين، والغرسات الطبية ، وقد يؤثر على سلامة المفاعلات النووية وأنظمة النقل. من ناحية أخرى، يمكن الاستفادة من ظاهرة التآكل الاحتكاكي، على سبيل المثال في التسوية الكيميائية الميكانيكية للرقائق في صناعة الإلكترونيات ^{[ 4 ]} أو في طحن المعادن وقطعها في وجود مستحلبات مائية. بناءً على ذلك، يمكننا تعريف التآكل الاحتكاكي بشكل عام، بغض النظر عن مفهوم الفائدة أو الضرر أو نوع التفاعل الميكانيكي: التآكل الاحتكاكي هو التحول غير القابل للانعكاس للمواد أو وظيفتها نتيجة للتفاعلات الميكانيكية والكيميائية/الكهروكيميائية المتزامنة بين الأسطح المتحركة.

يُعنى علم التآكل الحيوي الاحتكاكي بدراسة التحولات السطحية الناتجة عن تفاعلات الأحمال الميكانيكية والتفاعلات الكيميائية/الكهروكيميائية التي تحدث بين عناصر النظام الاحتكاكي المعرضة للبيئات البيولوجية. ^{[ 5 ]} وقد دُرِسَ هذا العلم في سياق المفاصل الاصطناعية. ومن المهم فهم عمليات تدهور المواد المستخدمة في زراعة المفاصل لتحقيق عمر خدمة أطول وتحسين معايير السلامة لهذه الأجهزة.

على الرغم من أن ظاهرة التآكل الاحتكاكي قد تؤثر على العديد من المواد، إلا أنها تُعدّ بالغة الأهمية للمعادن، وخاصةً المعادن المقاومة للتآكل والتي تُعرف باسم المعادن الخاملة . وتندرج الغالبية العظمى من المعادن والسبائك المقاومة للتآكل المستخدمة في الهندسة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والألومنيوم ) ضمن هذه الفئة. تكون هذه المعادن غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا في وجود الأكسجين أو الماء، وتستمد مقاومتها للتآكل من وجود طبقة رقيقة من الأكسيد على سطحها، تُسمى الطبقة الخاملة ، والتي تعمل كحاجز واقٍ بين المعدن وبيئته. ^{[ 6 ]} عادةً ما تكون الطبقات الخاملة بسماكة بضع طبقات ذرية فقط. ومع ذلك، فإنها توفر حماية ممتازة ضد التآكل، لأنها في حال تعرضها للتلف عرضيًا، تُرمم نفسها تلقائيًا عن طريق أكسدة المعدن.

مع ذلك، عندما يتعرض سطح معدني للاحتكاك الشديد أو لتدفق من الجسيمات المتصادمة، قد يصبح تلف طبقة الحماية مستمرًا وواسع النطاق. وقد لا تكون عملية الترميم الذاتي فعالة، بالإضافة إلى أنها تتطلب معدلًا عاليًا من أكسدة المعدن. بعبارة أخرى، سيتآكل المعدن الأساسي بشدة قبل أن تتشكل طبقة الحماية، إن تشكلت أصلًا. في مثل هذه الحالة، سيكون إجمالي فقدان المادة الناتج عن التآكل الاحتكاكي أعلى بكثير من مجموع التآكل والتآكل الكيميائي الذي يُقاس في التجارب التي تُجرى على نفس المعدن حيث يحدث التآكل فقط أو التآكل الكيميائي فقط.

يوضح هذا المثال أن معدل التآكل الاحتكاكي ليس مجرد مجموع معدل التآكل ومعدل التآكل، بل يتأثر بشدة بالتأثيرات التآزرية والتضادية بين الآليات الميكانيكية والكيميائية. لدراسة هذه التأثيرات في المختبر، تُستخدم غالبًا أجهزة اختبار التآكل الميكانيكي المزودة بخلية كهروكيميائية. ^{[ 7 ]} يتيح ذلك التحكم بشكل مستقل في المعايير الميكانيكية والكيميائية. على سبيل المثال، بتطبيق جهد معين على المعدن المُحتك، يمكن محاكاة جهد الأكسدة للبيئة، بالإضافة إلى أن تدفق التيار، في ظل ظروف معينة، يُعد مقياسًا لمعدل التآكل اللحظي. يمكن قياس فقدان الحجم الناتج عن الذوبان الكهروكيميائي باستخدام قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي ، وطرحه من إجمالي فقدان الحجم في التآكل الاحتكاكي، ومن ثم حساب مجموع فقدان التآكل الميكانيكي والتأثيرات التآزرية. ^{[ 8 ]} لفهم أعمق، تُستكمل تجارب التآكل الاحتكاكي بدراسات مجهرية وتحليلية مفصلة للأسطح المتلامسة.

عند درجات الحرارة المرتفعة، يؤدي التكوّن السريع للأكسيد نتيجةً لتأثير الحرارة والاحتكاك أثناء التآكل الانزلاقي إلى تكوين طبقات أكسيد مقاومة للتآكل تُعرف باسم " الطلاءات ". في مثل هذه الظروف، يمكن الاستفادة من التآكل الاحتكاكي بطريقة مفيدة.

التآكل الناتج عن التعرية هو تدهور سطح المادة بسبب التأثير الميكانيكي، وغالبًا ما يكون ذلك بسبب اصطدام السوائل، أو الاحتكاك الناتج عن مادة طينية، أو الجسيمات العالقة في سائل أو غاز سريع التدفق، أو الفقاعات أو القطرات، أو التكهف ، وما إلى ذلك . ^{[ 9 ]} يمكن وصف الآلية على النحو التالي:

• التآكل الميكانيكي للمادة، أو طبقة الأكسيد الواقية (أو الخاملة) على سطحها،
• زيادة تآكل المادة، إذا كان معدل تآكل المادة يعتمد على سمك طبقة الأكسيد.

إن آلية التآكل الناتج عن التعرية، والمواد المتأثرة به، والظروف التي يحدث فيها تختلف بشكل عام عن آلية التآكل الناتج عن التدفق المتسارع ، على الرغم من أن الأخير يصنف أحيانًا كنوع فرعي من التآكل الناتج عن التعرية.