پایان نامه - مقاله - تحقیق

مواد پرتوزای طبیعی از بدو تشکیل کره زمین در آن وجود داشته است. ولی با توسعه فن­آوری و بهره­برداری انسان از آن، منابع پرتوزای ساخت دست بشر، در محیط زیست رو به افزایش گذاشته و مواد پرتوزای مصنوعی که در نتیجه­ی فعالیت­های بشری در رشته­های گوناگون هسته ای        می باشد، به محیط زیست وارد شده، و به نحوی جزء آلاینده های غذایی، آشامیدنی و هوای تنفس موجودات زنده و به ویژه انسان محسوب می­گردند.

به منظور حفاظت رادیولوژیکی محیط زیست و به تبع آن حفاظت رادیولوژیکی موجودات زنده به ویژه انسان، شناسایی توام اکوسیستم (مناطق خاص زندگی که در آن گیاهان و جانواران محیط اطراف خود را تقسیم می­کنند) و منابع پرتوزا و نحوه عملکرد، جابجایی، توزیع و رفتار هسته های پرتوزا در اجزای اکوسیستم، ضروری است.

به طور کلی هدف از حفاظت رادیولوژیکی، پایش انسان و محیط زیست در برابر عملکرد مواد پرتوزای طبیعی و مصنوعی موجود در محیط می­باشد و منظور از تحقیقات در این زمینه،        پیش­بینی مسیرهای راه­یابی مواد پرتوزا به محیط زیست و تخمین میزان دز دریافتی توسط مردم در مناطق مختلف است تا بتوان میزان خطر ناشی از پرتوگیری­های داخلی و خارجی را تعیین کرد.

بنابراین مطالعات و بررسی مداوم، جهت تعیین عملکرد مواد پرتوزا در محیط زیست مورد نیاز می باشد، تا نتیجه مطلوب و اطلاعات مورد نظر حاصل شود. بدین ترتیب حفاظت رادیولوژیکی محیط زیست به عنوان یک ضرورت اجتناب­ناپذیر جهت تنظیم اکوسیستم و جلوگیری از پرتوگیری ناخواسته مطرح می باشد.

یکی از این منابع پرتوزایی ساخت بشر، راکتورهای هسته­ای هستند که در خلال کار عادی، کسر کوچکی از مواد پرتوزا را از طریق هوا به محیط زیست وارد می­کنند.

انرژی هسته ای در سال های اخیر به دلایل زیر تبدیل به یک منبع مهم انرژی شده است:

• تقاضای رو به رشد برای توان الکتریکی
• افزایش رقابت جهانی برای سوخت های فسیلی
• نگرانی درباره تابش گازهای گلخانه ای و تاثیر آن روی گرمایش زمین
• نیاز برای استقلال انرژی

بنابراین در عصر حاضر انرژی هسته‌ای لازمه پیشرفت و خودکفایی هر کشوری است و در این بین ایران نیز از این قائده مستثنی نیست. از

 این­رو، گسترش علوم و فنون هسته‌ای و بومی­سازی این فناوری، از اولویت‌های نظام جمهوری اسلامی می‌باشد. با توجه به نیاز کشور به تولید رادیوایزوتوپ‌ها و رادیوداروها جهت درمان بیماران و همچنین تولید برق، ساخت راکتورهای تحقیقاتی و نیروگاه‌های هسته‌ای در کنار راکتورهای موجود، ضروری به نظر می‌رسد. بدین منظور و در راستای سندهای چشم انداز توسعه کشور، ساخت راکتورهای هسته‌ای تا توان2000 مگا وات در دستور کار قرار گرفته است.

اگرچه یک نیروگاه هسته ای، یک منبع خوب انرژی است و عمدتا تهدیدی برای محیط زیست به شمار نمی آید، ولی چنان­چه حادثه ای مهم برای راکتور رخ دهد، می­تواند منجر به یک فاجعه بشری شود. بنابراین خطر آزادسازی تصادفی مواد رادیواکتیو به محیط زیست می­تواند پیامد مهم استفاده از نیروگاه‌های هسته ای باشد.

موارد متعددی از حوادث راکتورهای هسته ای وجود دارد، مانند:

• چاک ریور[1] در کانادا (1952)
• آیداهو فالا[2] در آمریکا (1957)
• تری مایل آیلند[3] در آمریکا (1979)
• چرنوبیل در اوکراین (1986)

از بین این حوادث، حادثه چرنوبیل به طور کلی ادراک بشر را از ریسک تابشی[4] دگرگون کرد. در 26 آوریل 1986 در اوکران حادثه ای مهم رخ داد که در نتیجه­ی آن یک مقدار زیادی ماده رادیواکتیو به اتمسفر آزاد شد که این مواد رادیواکتیو در شمال و جنوب اروپا و همچنین در کانادا و ایالات متحده آمریکا حس شد. تنها نیمه­ی جنوبی کره زمین آلوده نشد. این حادثه نشان داد که در صورت وقوع یک حادثه مهم و بزرگ هسته ای، نه تنها مکانی که در آن حادثه رخ داده است، بلکه اطراف آن نیز می تواند تحت تاثیر قرار گیرد.

 به هر حال راکتور‌های هسته ای، ذرات رادیواکتیو مایع و گازی ساطع می­کنند و از آن جائی­که اثرات تابش­ها به طور خاص یک نگرانی مهم برای مردم و کشور است، ایمنی هسته­ای و محافظت انسان و طبیعت در برابر اشعه یونیزان موضوع مهمی است. البته قابل ذکر است که راکتورهای هسته­ای به گونه­ ای کاملا دقیق طراحی، ساخت و مانیتور می­ شوند که تا حد امکان از آزادسازی مواد رادیواکتیو جلوگیری شود.

راکتورهای هسته‌ای به طور معمول و یا در اثر نقص سیستم‌های ایمنی و همچنین در اثر سوانح هسته‌ای و بلایای طبیعی، رادیونوکلوئیدهایی را از طریق سیستم تهویه در محیط آزاد می­کنند و موجب افزایش دز محیط اطراف راکتور می‌شوند. پارامترهای مختلفی در میزان توزیع و نحوه انتشار مواد رادیواکتیو خروجی از راکتورها نقش دارند؛ شکل و حالت مواد رادیواکتیو خروجی، کیفیت فیلترهای جذب و سیستم‌ تهویه، ارتفاع دودکش، سرعت باد، میزان بارندگی سالیانه منطقه، شرایط آب و هوایی محیط، ارتفاع ساختمان‌های ساکنین اطراف راکتور از آن جمله‌اند.

هدف در طراحی راکتورهای هسته ای، کنترل کردن واکنش های زنجیره ای و همچنین اطمینان از وجود تغییرات کم در توان خروجی و یا تغییرات مجازی که در زمان های زیاد (ده­ها ثانیه) در توان خروجی ایجاد می شوند، می باشد.

اگر نقصی در راکتور رخ دهد که تغییرات توان بسیار سریع باشد، یک حالت گذرا را در راکتور ایجاد می­کند و متاسفانه راکتورها طوری طراحی می­شوند که با افزایش زمان ناشی از تغییرات توان، ممکن است قلب راکتور ذوب شده و یا حالت یکپارچه خود را از دست دهد. انتقال سریع گرما به یک خنک­کننده[5] مایع، می­تواند موجب افزایش در فشار شود که ممکن است آسیب ساختاری شدید به راکتور (مانند حادثه چرنوبیل) را به همراه داشته باشد. بنابراین واضح است که ریسک، همواره در بهره برداری یک راکتور هسته­ای به مانند سیستم های پیچیده دیگر مثل نیروگاه­های شیمیایی و یا پالایشگاه­های نفتی، باید در نظر گرفته شود. اما آن چه راکتور هسته­ای را با دیگر نمونه های ذکر شده متفاوت می­ سازد این است که اگر نقصی در سیستم های راکتور رخ  دهد، ممکن است باعث انتشار مقادیر زیادی از مواد رادیواکتیو به محیط خارج شود و اثرات یک رویداد و یا حادثه در راکتور هسته­ای می­تواند تا هزاران کیلومتر مربع از اطراف نیروگاه را تحت شعاع خود قرار دهد، در حالی که حوادث شیمیایی، چه در بعد مسافت و چه از نظر مدت زمان و یا دوره طولانی آلودگی، اغلب نمی­توانند با حوادث هسته­ای که در راکتور هسته ای رخ می­دهد، مقایسه شوند.

ملاک ICRP برای تعیین میزان تابش­های حرفه­ ای این است که ریسک متوسط به پرتوکاران نباید بیشتر از ریسک متوسط کارکنان صنایع متعارف و امن باشد. ضمن این که حداکثر دز معادل سالانه در حد 50 میلی­سیورت است، ICRP می تواند میانگین دز معادل سالانه را برابر با یک دهم حد بالا فرض کند. کارکنان نیروگاه هسته­ ای، در حدود 5/1 میلی­سیورت در سال دریافت می­کنند که معادل ریسک سالانه ای در حدود 1 مورد در 30000 می باشد. با آمیختن تصادفات معمول و ریسک­های مربوط به اشعه، در مجموع ریسک سالانه مرگ برای کار در نیروگاه، برابر با 1 در 1200 می شود.

موارد ایمنی مربوط به حفاظت از پرتوگیری کارکنایی که در معرض مواد و پسماندهای رادیواکتیو قرار دارند، باید با دقت، کنترل و مانیتورینگ شود. بنا به توصیه 26ICRP در خصوص پرتوگیری افراد، تابش تک تک افراد جامعه و دز دسته جمعی مردم ناشی از پسماندهای رادیواکتیو باید به حدی پایین باشد که از نظر منطقی قابل دست­یابی گردد و نیز با توجه به ملاحضات اقتصادی و اجتماعی کاهش داده شود.

در سایت یک راکتور هسته­ای، نظارت و کنترل مقادیر دز مجاز در قسمت­های مختلف توسط بخش فیزیک بهداشت هم در داخل سایت و هم در خارج سایت انجام می­شود، تا اطمینان حاصل شود که عملیات نیروگاه از نظر مسائل حفاظتی مربوط به پرسنل داخل سایت و افراد جامعه در بیرون سایت به صورت امن و بی­خطر انجام می شود.

بدین منظور تحلیل حوادث احتمالی که منجر به خارج شدن مواد رادیواکتیو به محیط می­شوند، جهت به دست آوردن نحوه پخش و توزیع مواد رادیواکتیو و اندیشیدن تمهیداتی متناسب با مقادیر مختلف آلودگی در مرحله بعد از تحلیل حوادث، الزامی می باشد.

در بهره­برداری از یک راکتور هسته­ای، سیستم­های کنترلی و حفاظتی متنوعی طراحی می­شوند که در نهایت قلب راکتور به عنوان اصلی­ترین منبع رادیواکتیو، محافظت شده و از ذوب شدن آن جلوگیری خواهد شد.

در حال حاضر بیش از 300 راکتور تحقیقاتی در سراسر جهان موجود می باشند که بیش از 50 نوع آن­ها شامل راکتورهای تریگا [6] و بقیه شامل راکتورهای شناور در استخرهای آب سبک و همچنین راکتورهای آب سنگین تحت فشار با گردش جریان تحمیل شده[7] و قدرت های حرارتی در حدود ده مگاوات یا بیشتر هستند.

راکتورهای مورد مطالعه در این تحقیق یک راکتور تحقیقاتی است که قدرت حرارتی این راکتور 5 مگا­وات می باشد.

1-1- مشخصات راکتور مورد مطالعه در عملکرد عادی

راکتور مورد مطالعه در عملکرد عادی، یک راکتور تحقیقاتی 5 مگا­واتی فرضی از نوع استخری با آب سبک به عنوان کندکننده می باشد. سوخت مورد استفاده در این راکتور از نوع سوخت جامد ناهمگن است و آب در آن هم به عنوان خنک­کننده و هم حفاظ مورد استفاده قرار می گیرد. موارد استفاده این راکتور در کارهای پژوهشی، کارآموزی، آموزشی و همچنین برای تولید رادیوایزوتوپ ها می­باشد. این راکتور تحقیقاتی می‑تواند در فیزیک، شیمی، مهندسی و صنعت مورد استفاده قرار گیرد. نوع سوخت این راکتور، اورانیوم با غنای 20 درصد که به صورت پودر U3O8 در آلومینیوم خالص پخش شده است، می­باشد. سیستم خنک­کننده راکتور شامل سیستم های اولیه، ثانویه و سیستم پالایش می باشد ]1[.

یکی از نتایج توسعه شهرنشینی و صنعتی شدن، پیامدهای منفی آن بر منابع طبیعی است (Dimitrovska et al., 2012). امروزه فلزات سنگین از نگرانی‌های عمده‌ی تمامی جوامع می‌باشند  (Kalhori et al., 2012). آلودگی محیط زیست بوسیله‌ی فلزات سنگین بطور عمده به فعالیت‌های انسانی، تولیدات صنعتی، فعالیت‌های کشاورزی، سوزاندن سوخت‌های فسیلی، معدن کاری و فرآوری فلزات بستگی دارد (Pagananelli et al., 2004). نواحی اطراف معادن با غلظت‌های بالایی از فلزات سنگین غنی شده است، و می‌تواند اثرات سمی بر روی گیاهان، حیوانات و انسان‌ها بگذارد (Shikazono et al., 2008). فلزات سنگین بدلیل غیرقابل تجزیه بودن و اثرات فیزیولوژیکی مخرب بر روی موجودات و اکوسیستم‌ها حتی در غلظت‌های کم به عنوان عوامل خطرناک و مخرب برای محیط زیست به شمار آمده و اثرات کوتاه مدت و بلند مدتی را بر آن خواهند داشت. در این میان، کادمیوم و جیوه در رده‌ی اول و مس، کروم، نیکل، سرب و روی در رده‌ی دوم خطرزایی برای اکوسیستم می‌باشند (چراغی و بلمکی، 1386). خاک‌های کشاورزی به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر سلامت عمومی تأثیرگذار می‌باشند. در این خاک‌ها آلودگی فلزات سنگین ممکن است سبب دخالت در رشد گیاه و نیز آسیب به سلامت انسان‌ها از طریق ورود به زنجیره غذایی شود (شهبازی و دیگران، 1391).

همچنین آلودگی فلزات سنگین می‌تواند اثرات مضری بر روی منابع آب شیرین مانند سدها، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و آبخوان‌های زیرزمینی داشته باشد (Dong et al., 2009). امروزه در اکثر نواحی از آب‌های زیر زمینی برای مصارف گوناگون و بخصوص کشاورزی استفاده می‌شود (Ashraf et al., 2011). بنابراین در صورت آلودگی، این آب‌ها می‌توانند مشکلاتی را برای موجودات استفاده کننده از این آب‌ها به

 طور مستقیم یا غیرمستقیم ایجاد کنند. از این رو پایش آب و خاک در مناطق معدنی امری ضروری و مهم است.

از آن جا که زمین­های کشاورزی دشت لنجان در اطراف  معدن سرب و روی ایرانکوه واقع شده‌اند لذا، بررسی منابع آب و خاک این منطقه جهت ارزیابی آلودگی آن‌ها و بررسی رفتار ژئوشیمیایی فلزات سنگین ضروری است. این پژوهش به منظور نیل به این اهداف انجام شده است.

1 – 1 – 1  فلزات سنگین

به عناصر سمت چپ جدول تناوبی که معمولأ در محلول، تشکیل کاتیون می‌دهند فلز گفته می‌شود. فلزات سنگین فلزهایی با عدد اتمی 20 و بزرگتر از آن هستند. عناصر واسطه‌ی آرسنیک (As) و سلنیوم (Se) و نیز سرب (Pb)، جیوه (Hg) و کادمیوم (Cd) بیش‌ترین توجه زیست محیطی را به خود معطوف نموده‌اند (نلسون ایبای، 1390).

منشأ فلزات سنگین و خصوصیات فیزیکو شیمیایی خاک‌ها تعیین کننده‌ی اشکال شیمیایی آن‌ها در محیط می‌باشند (نلسون ایبای، 1390).

اشکال شیمیایی یک فلز رفتار آن را در محیط و همچنین ظرفیت انتقال مجدد آن را مشخص می‌کند. فاکتورهای اساسی تأثیر گذار بر روی تحرک فلزات عبارت از مقدار مواد ارگانیک، ظرفیت تبادل کاتیونی، بافت خاک،  Eh و pH می‌باشد (Kashem et al., 2011).

بسته به نوع عنصر مهم‌ترین عوامل مؤثر بر تحرک آن نیز تغییر می‌کند (نلسون ایبای، 1390).

1 – 1 – 2 فلزات واسطه‌ی سرب، روی و کادمیوم:

در شرایط قلیایی و pH بالا این عناصر اکسی هیدروکسیدهای انحلال ناپذیر و یا در حضور کربنات، کربنات‌های انحلال ناپذیر تشکیل می‌دهند. در شرایط اسیدی و pH پایین جذب سطحی این فلزات ناچیز بوده ولی با افزایش pH جذب سطحی فرایندی مهم می‌باشد که سبب خروج فلزات از محلول از راه جذب سطحی بر روی ذرات و رسوبات می‌شود. هنگام مواجهه با مواد آلی حل شده (اسیدهای هومیک) این عناصر با ماده‌ی آلی تشکیل کمپلکس می‌دهند. میزان جذب سرب در مواد هومیک بیش‌تر از روی و در روی بیش‌تر از کادمیوم است. اکسی هیدروکسیدهای آهن و منگنز نیز جاذب‌های مناسبی برای این عناصر می‌باشند. در اغلب شرایط اکسایش-کاهش، این عناصر در محلول به صورت گونه‌های کاتیونی دو یا سه ظرفیتی وجود دارند (نلسون ایبای، 1390).

1 – 1 – 3 توزیع فلزات سنگین در محیط

روش‌های متعددی برای تعیین توزیع طبیعی و انسان زاد فلزات در محیط سطحی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی از این روش‌ها، مطالعه‌ی زمین شیمیایی ناحیه‌ای است که در آن عناصر فلزی به خاک‌ها، رودها و آب زیرزمینی وارد می‌شود. هدف از این گونه مطالعات، جمع آوری اطلاعاتی در مورد غلظت زمینه‌ی فلزات و نواحی با غلظت‌های بالا و بی‌هنجار فلز است. با نمونه برداری از انواع مختلف مواد می‌توان منشأ فلزات موجود در منطقه را تعیین نمود (نلسون ایبای، 1390).

خاک‌ها به عنوان بخشی از اکوسیستم زمینی نقش اکولوژیکی قابل توجهی را در چرخه‌ی عناصر ایفا می‌نمایند. مقدار فلزات سنگین خاک تحت تأثیر چندین فاکتور می‌باشد که عبارت از ترکیب شیمیایی و کانی شناسی سنگ مادر، مقدار مواد ارگانیک، توزیع سایز ذرات، افق‌های خاک، سن، سیستم زهکشی، زندگی گیاهی، دخالت‌های انسان و ورود آئروسول‌ها به خاک است (Gnandi et al., 2002).

1 – 1 – 4 چرخه‌ی طبیعی عناصر

زمین متشکل از چهار مخزن زمین کره (زمین جامد)، آب کره (رودها، دریاچه‌ها، آب‌های زیرزمینی و اقیانوس‌ها)، هواکره (پوشش گازی) و زیست کره (جانداران) می‌باشد. برهم کنش میان این مخازن، انتقال و سرنوشت فلزات مختلف را تعیین می‌کند. به استثنای شار کیهانی بسیار فرعی، منشأ همه‌ی فلزات زمین کره است. هوا کره، زیست کره و آب کره مخازن موقت فلزات به شمار می‌آیند. از طریق فعالیت‌های آتشفشانی ذرات فلزی به صورت‌های غبار و گاز از زمین کره به هواکره وارد می‌شوند. هوازدگی شیمیایی و سیالات ماگمایی سبب ورود فلز به آب کره می‌شود. برای بیش‌تر فلزات هواکره به عنوان یک مخزن بسیار کوتاه مدت عمل می‌کند، زیرا اکسایش مهم‌ترین فرایند در هواکره است. فلزات در فواصل طولانی به شکل ذرات ریز یا هواویزهای گازی انتقال می‌یابند. فلزات در نهایت توسط بارش خشک و‌تر و یا تنفس از جو خارج می‌شوند. گیاهان و جانوران فلزات را از راه تنفس (به شکل گازی)، بلع (خوردن) و جذب عناصر در طی رشد گیاه به دست می‌آورند. فلزات توسط فساد مواد آلی، رسوب گذاری و دفع از زیست کره خارج می‌شوند. سیالات ماگمایی و هوازدگی، دفع توسط گیاهان و جانوران و بارش خشک و ‌تر از فرایندهای انتقال فلز به آب کره می‌باشند. pH، پتانسیل اکسایش-کاهش، و حضور جذب کننده‌هایی چون کانی‌های رسی و اکسی هیدروکسیدها انتقال و زمان ماندگاری فلزات در آب کره را کنترل می‌کنند (نلسون ایبای، 1390).

1 – 1 – 5 چرخه‌های انسانزاد

فعالیت‌هایی همچون کشاورزی و یا ساخت جاده‌ها، به هم ریختگی سطح و تحرک فلز را در پی دارند. معدن کاری فلزات سبب خروج آن‌ها از سنگ کره می‌شود. بهسازی زمین و دفع پسماند باعث بازگرداندن فلزات به زمین کره و آب کره می‌شوند. ورود انسانزاد فلزات به هواکره از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی و برخی فعالیت‌های دیگر امکان پذیر است. فلزات موجود در هواکره از طریق تنفس و بلع وارد بدن انسان می‌شوند که اگر از حد مجاز افزایش یابد سبب ایجاد خطراتی برای سلامت انسان می‌شوند (نلسون ایبای، 1390).

1 – 1 – 6 سرب

سرب متعلق به گروه IVa جدول تناوبی عناصر است. وزن اتمی آن 19/207 و عدد اتمی آن 82 است. این عنصر دارای چگالی 34/11 گرم بر میلی لیتر، نقطه ذوب 5/327 درجه سانتی گراد و نقطه جوش 1149 درجه سانتی گراد است. سرب به رنگ نقره‌ای سفید مایل به آبی است. این عنصر فلزی نرم با حالت‌های اکسیداسیون 0، 2+، 4+ است. حالت اکسیداسیون 2+ در بیش‌تر اجزای غیرارگانیک غالب است (Merian et al., 2001).

سرب فلزی است که به سختی در آب حل می‌شود اما در اسید نیتریک و اسید سولفوریک غلیظ به آسانی حل می‌شود. اغلب نمک‌های دو ظرفیتی سرب به سختی قابل حل هستند (مانند سولفیدها و اکسیدهای سرب)، اما استثنائاتی هم در این بین یافت می‌شود. برای مثال نیترات سرب، کلرات سرب و تا اندازه‌ای سولفات سرب و کلراید سرب از این جمله می‌باشند. به علاوه برخی نمک‌ها با اسیدهای آلی قابل حل هستند (مانند اگزالات سرب).

سرب (II) دارای خواص الکترونیک است، در نتیجه دارای شیمی کوردیناسیون قوی بوده و توانایی تقلید از دو یون کلسیم و روی را در سیستم‌های بیولوژیک دارا می‌باشد. سرب توانایی اتصال به اتم‌های دهنده (Donner) را دارا است (Nordberg et al., 2007).

جریان پساب‌های خروجی از صنایع مختلف عمدتاً حاوی مقادیر متفاوتی فلزات سنگین می‌باشد علاوه براین آب های زیر زمینی نیز با توجه به محل استخراج، حاوی مقداری از این فلزات می‌باشند. پساب خروجی از صنایع پتروشیمی‌ و پالایشگاه‌های نفت و گاز، صنایع ریخته گری، صنایع تولید شیشه و…. حاوی مقادیر قابل توجهی فلزات سنگین از جمله سرب، مس، جیوه، روی و كادمیم می‌باشد. اكثر این فلزات سمی‌ می‌باشند. تخلیه این پساب‌ها در محیط باعث ایجاد مشكلات زیست محیطی می‌شود. این فلزات وارد زنجیره غذایی انسان شده و در بافت زنده تجمع میکنند. ارتباط انسان با فلزات سنگین در ده‌های اخیر و با ورود تکنولوژی و توسعه صنایع شیمیایی رو به افزایش بوده است[1].
استفاده از فلزات در فرایند‌های صنعتی و محصولات تولیدی امروز نمودهایی از آن هستند: از جمله جیوه در پر كردن دندان استفاده می‌شود، سرب در بنزین خودروها وجود دارد كه هر روزه با افزایش تعداد خودروها مقدار این فلز سنگین در محیط زیست خصوصاً شهرهای بزرگ رو به افزایش است. همچنین سرب در رنگ‌ها، مواد آرایشی، شامپوها و دیگر موادی كه برای مو استفاده می‌شود وجود دارد. دهان شویه‌ها، خمیر دندان و صابون‌ها نیز حاوی مقادیری فلزات سنگین از جمله سرب می‌باشند.
در جوامع صنعتی امروز، گریزی از مواد شیمیایی و فلزات سمی‌نیست. خصوصاً كه خیلی از مشاغل و حرفه‌ها مستلزم قرار گرفتن در معرض فلزات سنگین هستند. افراد در تنها بیش از 50 شغل مستلزم برخورد با جیوه هستند، مثل: پزشكان، كاركنان كارخانجات

 داروسازی، نقاش‌ها، كاركنان چاپ‌خانه‌ها، فلزكارها، جوشكار‌ها ، دكورسازها و سفالگرها.

تحقیقاتی كه روی اثرات سمی‌فلزات سنگین انجام شده، تائید می‌كنند كه این مواد می‌توانند مستقیماً با مختل كردن عوامل مغزی و عصبی بر رفتار انسان اثر بگذارند. فلزات سنگین بر مواد انتقال دهنده پیام‌های عصبی و عملكرد آنها تاثیر دارند و فرایندهای متابولیكی بی‌شماری در بدن را تغییر می‌دهند. سیستم‌هایی كه عناصر فلزی سمی، می‌توانند آنها را تخریب كنند یا كارشان را با مشكل مواجه كنند جاهایی مثل: خون و عروق قلبی،مسیرهای سم زدایی بدن و  مسیرهای تولید انرژی، آنزیم ها، سیستم گوارشی، ایمنی، اعصاب مركزی و محیطی، تولید مثل و مجاری ادراری هستند .
تنفس ذرات فلزات سنگین، حتی در مقادیر كم می‌توانند اثر جدی روی سلامت انسان داشته باشند. فلزات سنگین می‌توانند واكنش‌هایی حساسیتی را افزایش دهند، جهش‌های ژنتیكی ایجاد كنند، با عناصر كمیاب مفید برای بدن در واكنش‌هایی بیوشیمیایی رقابت كنند و نیز مثل آنتی‌بیوتیك‌ها عمل كنند و هر دو دسته مفید و مضر باكتریها را از بین ببرند. بیشتر اثر تخریبی فلزات سمی، ناشی از افزایش اكسید شدن رادیكال‌های آزاد توسط آنها است. رادیكال‌های آزاد به طور طبیعی وقتی  سلول‌ها با اكسیژن واكنش می‌دهند (اكسایش) تولید می‌شوند. اما در حضور فلزات سنگین سمی‌یا كمبود آنتی اكسیدان‌ها، به صورت كنترل نشده ای تولید می‌شوند. آنتی اكسیدان‌ها مثل ویتامین‌های A, C, E فعالیت رادیكال‌های آزاد را كم می‌كنند.
فلزات سنگین همچنین می‌توانند اسیدیته خون را افزایش دهند و بدن برای حفظ pH مناسب خون، كلسیم را از استخوان‌ها بیرون می‌كشد. به علاوه فلزات سنگین شرایطی را ایجاد می‌كنند كه منجر به التهاب در شریان‌ها و بافت‌ها می‌شوند كه خود باعث خروج بیشتر كلسیم به سمت بافت‌ها به عنوان بافر می‌شود اما مشكل دیگری ایجاد میشود، به طور مثال، سخت شدن دیواره شریان و انسداد پیشرونده.
اگر جای كلسیم از دست رفته پر نشود برداشت دائمی‌این ماده معدنی مهم از استخوان‌ها باعث پوكی استخوان می‌شود. مطالعاتی نشان می‌دهد كه هر مقدار جزئی از عناصر سمی، نتایج منفی بر سلامتی دارند. كودكان و سالخوردگان كه سیستم ایمنی ضعیف تری دارند در مقابل مسمومیت با این مواد، آسیب پذیرند.
2-1- اهمیت اندازه‌گیری یون های فلزی:
1-2-1- اهمیت اندازه‌گیری روی
روی برای ساخت كلاژن، جهت استحكام پوست و مو ضروری است. این عنصر با دارا بودن خواص آنتی اكسیدانی از پوست در مقابل اثرات نامطلوب اشعه فرابنفش خورشید محافظت می‌كند[1].
تحقیقات نشان داده اند این عنصر دارای خواص ضد آكنه و ضد التهابی بوده و در تسریع و ترمیم زخمهای پوستی نقش دارد[1]. فلز روی در تقویت سیستم ایمنی نقش بسزایی ایفا می‌كند و از بروز بیماری ها خصوصاً سرماخوردگی جلوگیری می‌كند. در بهبود حس چشایی خصوصاً در سالمندان نقش دارد.
در تولید هورمون های جنسی از جمله تستسترون نقش داشته و كمبود آن سبب نقص در دستگاه تولید مثلی می‌شود. سبب بهبود عملكردهای ورزشی در ورزشكاران می‌شود. به عملكرد انسولین كمك كرده و در تنظیم قند خون نقش دارد. روی در تولید و فعالیت آنزیم‌ها، همچنین در ایجاد پروتئین موثر است.
بیشتر مواد معدنی كمیاب از جمله روی در صورت مصرف بیش از حد برای بدن سمی‌هستند و باعث اختلال در كار معده و دیگر عضوهای حیاتی بدن می‌شوند.
بالا رفتن بیش از حد روی در بدن باعث استفراغ می‌شودو همچنین باعث افزایش كلسترول بد و كاهش كلسترول خوب بدن می‌شود. بعضی از تحقیقات نشان می‌دهد كه مصرف خیلی زیاد روی باعث كاهش عملكرد ایمنی می‌شود. مصرف زیاد روی می‌تواند با جذب مس تداخل كرده و باعث كمبود مس شود. این موضوع بر مقدار آهن بدن اثر گذاشته و می‌تواند منجر به كم خونی شود. مصرف زیاد آهن و مس با جذب روی تداخل می‌كند.
2-2-1- اهمیت اندازه‌گیری سرب:
سرب فلزی است براق، انعطاف پذیر، بسیار نرم، شدیداً چكش‌خوار و به رنگ سفید مایل به آبی كه از خاصیت هدایت الكتریكی پایینی برخوردار می‌باشد. این فلز شدیداً در مقابل خوردگی مقاومت می‌كند [2]. و به همین علت از آن برای نگهداری مایعاتی كه خوردگی زیادی دارند مانند اسید سولفوریك استفاده می‌شود.
با افزودن مقادیر خیلی كم آنتیموان یا فلزات دیگر به سرب می‌توان آن را سخت نمود. یكی از فلزات سنگین و از عوامل آلوده كننده محیط، سرب است كه با ایجاد اثرات سمی‌شدید بر روی انسان و دیگر جانداران نقش مهمی‌در آلودگی محیط زیست در قرن حاضر دارد. این مشكل مستقیماً با مصارف زیاد صنعتی آن ارتباط دارد. مصرف این عنصر در صنایع مختلف موجب بالا رفتن میزان آلودگی در اكوسیستم‌های مختلف محیطی شده و می‌تواند به طور مستقیم و غیر مستقیم باعث آلودگی محیط زیست از جمله خاك و مصرف كنندگان گردد. در نتیجه ورود مقادیر متفاوت این فلز سمی‌ به اشكال مختلف از جمله از طریق خاك به زنجیره غذائی انسان و جانداران، محیطی نامناسب برای زندگی با اثرات نامطلوب و امكان بروز بیماری‌های مختلف را فراهم نموده است [2]. سرب یك مخرب قوی اعصاب بوده كه در رشد و كاركرد اكثر اندام‌های بدن به خصوص كلیه‌ها، سلول‌های قرمز خون و سیستم اعصاب مركزی مزاحمت ایجاد می‌كند.
در نوزادان و كودكان، سرب رشد سیستم اعصاب مركزی و مغز را به تاخیر می‌اندازد. حتی مقادیر كم سرب باعث كاهش ضریب هوشی، ناتوانی در یادگیری  اختلالات رفتاری می‌شوند. مسمومیت ناشی از سرب در كودكان بر اثر رنگ‌های ساختمانی كه در آن‌ها از سرب استفاده می‌شود، نیز ایجاد می‌شود. امروزه مسمومیت با سرب بیشترین خطر برای سلامتی كودكان در كشورهای صنعتی می‌باشد. مقدار سرب در آب آشامیدنی نیز دارای اهمیت می‌باشد، به خصوص در منازل با شیر آب و اتصالات ساخته شده از برنج (شامل سرب) یا، منازلی كه لوله‌ها با سرب لحیم شده‌اند.
3-2-1- اهمیت اندازه گیری مس
مس فلزی نسبتاً قرمز رنگ است که از خاصیت هدایت الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی برخوردار می‌باشد (در بین فلزات خالص، تنها خاصیت هدایت الکتریکی نقره در حرارت اطاق از مس بیشتر است). مس برای تمام موجودات هوازی و اکثر موجودات بی‌هوازی از فلزات ضروری به شمار می‌رود [2].
درانسان عملکرد بیولوژیکی آن به عمل آنزیمی یک سری پروتئین‌های خاص و ضروری بستگی دارد. وجود مقادیر بسیار کم مس در غذاها و نوشیدنی‌ها باعث ترشیدگی و بی‌بو و بی‌رنگ شدن آن‌ها می‌شود.
وارد شدن مقدار زیادی نمک‌های مس به بدن از طریق خوردن، آشامیدن و یا تنفس هوای آلوده می‌تواند باعث ایجاد ضایعات معده‌ای – روده‌ای گردیده و اختلال در سلامتی انسان را باعث گردد. ضایعاتی نظیر همولیزه آسیب کبد و اختلالات کلیوی در اثر وارد شدن مقادیر زیادی مس در بدن گزارش گردیده است.

   1

فصل 2- مرور بر منابع   5

2-1- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد) 5

2-2- تاریخچه.. 6

2-3- کاربرد چدن‌های نایهارد.. 7

2-4- چدن‌های نایهارد و استانداردهای آن… 9

2-4-1- ترکیب شیمیایی و ریزساختار.. 9

2-4-2- چدن نایهارد 1 و2.. 10

2-4-3- چدن نایهارد 4.. 12

2-5- تاثیر عناصر آلیاژی… 14

2-5-1- کربن…. 14

2-5-2- کروم.. 16

2-5-3- نیکل…. 17

2-5-4- مولیبدن… 18

2-5-5- تنگستن…. 18

2-5-6- نیوبیم… 19

2-5-7- وانادیم… 21

2-5-8- منگنز… 22

2-5-9- مس    22

2-5-10- سیلیسیم… 22

2-5-11- بور.. 24

2-5-12- گوگرد.. 24

2-5-13- فسفر… 24

2-5-14- نتیجه گیری… 24

2-6- ساختار متالورژیکی چدن نایهارد.. 25

2-6-1- فازهای مختلف موجود در چدن نایهارد.. 25

2-6-2- فازهای کاربیدی در چدن نایهارد.. 26

2-6-3- تاثیر شکل و اندازه کاربیدها در چدن نایهارد.. 31

2-6-4- ساختمان زمینه چدن نایهارد.. 31

2-7- ذوب و ریخته گری… 34

2-8- انجماد چدن نایهارد.. 35

2-9- عملیات حرارتی…. 38

2-10- عملیات ناپایدارسازی و تبدیل آستنیت در آن… 41

2-10-1- تشریح فرایند… 41

2-10-2- تبدیل مارتنزیتی در حین عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 43

2-11- عملیات حراتی تمپر… 43

2-12- پارامترهای عملیات حرارتی…. 44

2-13- مقاومت به سایش چدن‌های نایهارد.. 47

2-13-1- رابطه بین سختی و مقاومت به سایش……. 48

2-13-2- درصد کربن و ریزساختار.. 48

2-13-3- مورفولوژی، مقدار حجمی و اندازه کاربید یوتکتیک….. 50

2-13-4- دمای تمپر… 50

2-13-5- اثر آستنیت باقیمانده. 50

2-13-6- روش‌های آزمون سایش……. 51

2-14- خلاصه تحقیقات انجام شده در خصوص نایهارد 4.. 53

2-15- جمع ‌بندی و هدف از تحقیق…. 54

فصل 3- روش تحقیق   55

3-1- طراحی آزمایش……. 56

3-1-2- تهیه مدل و قالبگیری… 57

3-1-3- ذوب و بارریزی… 58

3-1-4- ترکیب شیمایی چدن نایهارد4 ریخته شده. 58

3-1-5- عملیات حرارتی ناپایدارسازی… 59

3-1-6- مطالعات میکروسکوپی برای بررسی ریزساختار.. 59

3-1-7- آنالیز تفرق اشعه X (XRD) 60

3-1-8- آزمون سختی…. 60

3-1-9- آزمون سایش……. 61

فصل 4- نتایج و بحث     63

4-1- بررسی ریزساختار و سختی چدن نایهارد در حالت ریختگی…. 63

4-2- اثر زمان ناپایدارسازی بر سختی…. 65

4-3- اثر زمان ناپایدارسازی در دماهای مختلف بر ریزساختار.. 68

4-4- اثر دمای ناپایدارسازی در زمان ثابت بر سختی…. 79

4-5- اثر دمای ناپایدارسازی بر ریزساختار در زمان ثابت….. 82

4-6- بررسی ریزساختار با میکروسکپ‌الکترونی روبشی…. 85

4-7- اثر عملیات تمپر بر تغییرات سختی و ریزساختار.. 86

4-8- اثر عملیات ناپایدارسازی بر مقاومت به سایش چدن نایهارد.. 91

نتیجه‌‌گیری   97

پیشنهادات برای تحقیقات بیشتر   99

مراجع   101

پیوست ‌ها 107

چدنهای مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار  و آلیاژهای آنها به پنج گروه عمده تقسیم می­شود که در این میان چدن نایهارد4 چدنی با 6% نیکل، 9% کروم و 2% سیلیسیم با کربن یوتکتیک و ساختاری با کاربیدهای یوتکتیک M7C3  و زمینه عاری از پرلیت در حالت ریختگی و نیز بعد از عملیات حرارتی غالباً بصورت مارتنزیتی می­باشد. این آلیاژها از طریق یک واکنش یوتکتیک که منجر به تشکیل آستنیت و کاربید یوتکتیک M7C3  شده، منجمد می­شود.

چدن نایهارد4 از قدیمی­ترین گروه های چدنهای پر آلیاژ در صنعت بوده که بیش از 50 سال قدمت داشته و مواد بسیار مناسبی در آسیابهای سیمان محسوب می­شوند. همچنین مصرف این نوع چدنها در تولید قطعاتی نظیر بوش ‌ها، سیلندرها، بوش سیلندرها، کاسه چرخ و … می باشد.

در این چدن، نیکل عنصری است که مانع از تشکیل پرلیت از زمینه آستنیتی شده و باعث تشکیل یک ساختار سخت مارتنزیتی در حین سرد شدن در قالب می­شود. کروم هم در تشکیل کاربیدهای یوتکتیک M7C3  و نیز بی اثر کردن اثر گرافیت زایی نیکل مورد استفاده قرار می­گیرد.

مقاومت سایشی و خواص مکانیکی چدن نایهارد به نوع، مورفولوژی و توزیع کاربیدهای یوتکتیک و نیز ماهیت ساختار زمینه بستگی دارد. ترکیب شیمیایی، شرایط انجماد و نیز عملیات حرارتی بر این پارامترها تاثیر گذار خواهند بود.

مقاومت سایشی خوب چدنهای نایهارد به دلیل ریزساختار  آنهاست که شامل کاربیدهای سخت یوتکتیک توزیع شده در زمینه مارتنزیتی، آستنیتی و رسوب کاربیدهای ثانویه می­باشد. در مجموع ساختار زمینه می­تواند هم روی مقاومت سایشی و هم مقاومت ضربه تاثیر گذار باشد.

ریزساختار  آلیاژ یک نقش اساسی را در رفتار سایشی ایفا می­کند. همانطور که بیان شد مقدار حجمی کاربیدها و نیز ساختار زمینه و توانایی آن برای تغییر فرم و کارسختی در حین سایش، بر مقاومت سایشی موثر می­باشند. با مطالعات صورت گرفته، مشحص شد که ارتباط بسیار قوی بین پارامترهای ریزساختاری و مقاومت به سایش با شرایط عملیات حرارتی وجود دارد. لذا تعیین پارامترهای عملیات حرارتی برای بهبود مقاومت به سایش و خواص مکانیکی چدن نایهارد موثر می­باشد..

ساختار بعد از عملیات حرارتی نقش عمده­ای را بر خواص مکانیکی و متالورژیکی ایفا می­کند که در نحوه کارکرد چدنهای نایهارد تاثیر به سزایی دارد. این چدن در حالت ریختگی شامل 50% آستنیت باقیمانده بوده و دارای سختی HB­ (500-400) بوده که با انجام سیکل عملیات حرارتی جهت تشکیل مارتنزیت مقدار سختی به HB (600-550) افزایش می­یابد.

عملیات حرارتی این چدنها شامل ناپایدارسازی در دماهای 750 تا 820 درجه سانتی گراد بوده و آنچه در عملیات حرارتی صورت می­گیرد رسیدن به ریزساختاری عاری از پرلیت است. این قطعات پس از ناپایدارسازی با سرعت آهسته­ای سرد می­شوند. از پارامترهای مهم در عملیات حرارتی، زمان و دمای ناپایدارسازی می­باشد. بهترین دمای ناپایدارسازی برای رسیدن به ماکزیمم سختی برای هر ترکیب شیمیایی متغیر است.

دمای ناپایدارسازی مقدار کربنی که باید در زمینه آستنیتی بصورت محلول باقی بماند را تعیین می­کند. دماهای خیلی بالا پایداری آستنیت را افزایش داده لذا مقادیر آستنیت باقیمانده بیشتر، سبب کاهش سختی می­شود. دماهای پایین هم منجر به مارتنزیت کم کربن شده و باعث کاهش سختی و مقاومت به سایش می­شود. بنابراین تعیین این پارامترها در خواص مورد نظر کاملاً موثر می­باشند.

در این تحقیق سعی شد تا تاثیر دما و زمان ناپایدارسازی بر ریزساختار  و خواص سایشی چدن نایهارد4 با انجام آزمایشهای مختلف بررسی شود. لذا با ثابت در نظر گرفتن سایر پارامترها، ناپایدارسازی نمونه­های چدن نایهارد4 در چهار دمای 750،800،850،900 درجه سانتی­گراد و زمانهای 1،2،3،4،5،6 ساعت  صورت گرفت و سپس با انجام آزمایشهای مختلف اثر این پارامترها بر ریزساختار چدن نایهارد بررسی شد.

آزمون سایش هم در شرایط تنش آرام به روش Pin On Disc و با ساینده Al2O3 بر روی نمونه­ها انجام شد تا اثر پارامترهای مورد نظر بر روی خواص سایشی چدن نایهارد مورد بررسی قرار گیرد.

لازم به ذکر است که برای بررسی تاثیر پارامترهای دما و زمان ناپایدارسازی آزمایشهای مختلفی چون تعیین ریزسختی­سنجی و درشت­سختی­سنجی به روش ویکرز، تعیین ریزساختار با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ SEM، آنالیز XRD صورت گرفته تا نتایج حاصله بتواند تحلیل درستی را ارائه نماید.

فصل 1- مرور بر منابع

1-1- معرفی چدن های سفید مقاوم به سایش (چدن نایهارد)

چدنهای نایهارد بر مبنای سیستم سه تایی Fe-Cr-C و از مهمترین آلیاژهای مقاوم به سایش در صنعت می­باشند. این آلیاژها به دلیل خواص ضد سایش، به طور گسترده­‌ای در صنایع سیمان، فولاد و آسیاب­های خرد کننده به کار می­روند. قطعاتی که در آسیاب­ها استفاده می­شوند، نه تنها در مقابل سایش، بلکه در برابر تنش­های دینامیکی متعدد در حین کار باید مقاوم بوده تا از بروز عیوب ناگهانی و شکست قطعات جلوگیری شود [1،2].

چدنهای غیر آلیاژی یا کم آلیاژ با کربن حدود 4% با اینکه ساختارشان مارتنزیتی است، چقرمگی پایینی دارند. چدنهای سفید غیر آلیاژی که اغلب کاربید موجود در آنها به صورت سمانتیت است، به خاطر مقاومت در مقابل سایش مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ضعف عمده این چدنها در ساختارشان است [3].

فاز کاریبد یک شبکه پیوسته‌ای را در اطراف دانه‌های آستنیت تشکیل داده و موجب تردی و ترک‌دار شدن می‌گردد. افزایش یک عنصر آلیاژی که کربن را به صورت کاربیدی غیر از سمانتیت با سختی بیشتر و خواص مطلوب‌تر درآورده و مقدار کربن زمینه را کاهش دهد، موجب بهبود هم ‌زمان چقرمگی و مقاومت سایشی می­شود. عنصر مورد استفاده معمولاً کروم بوده و کاربید آن به صورت M7C3 می­باشد [3،4].

چدن‌های مقاوم به سایش بر مبنای ریزساختار  و آلیاژهای آنها، به پنج گروه عمده شامل چدن‌های پرلیتی (FeC)، نایهارد یا نیکل – کروم (M3C)، نایهارد 4 (M7C3)، پرکروم (M7C3) و در نهایت ویژه (MXC) تقسیم می­شود [5].

نخستین خانواده چدنهای پرآلیاژ که بیشترین اهمیت را کسب کرده‌اند، چدنهای نایهارد با زمینه مارتنزیتی، کاربیدی بوده که مقدار کربن در آنها از 5/2 تا 6/3 درصد متغیر می­باشد. نایهارد نام عمومی برای خانواده چدنهای سفید است که با نیکل و کروم آلیاژ شده و مقاومت سایشی بالایی دارند. نایهارد شامل ریزساختاری از کاربیدها و یک زمینه­ مارتنزیتی- آستنیتی- بینیتی یا زمینه‌ی غالباً مارتنزیتی است که این ساختار توسط مقادیر کربن، نیکل، کروم، سیلیس و نیز عملیات حرارتی نهایی ایجاد می‌شود [2،6].

در چدن نایهارد وجود عنصر نیکل به منظور به تعویق افتادن تشکیل پرلیت و نیز کاهش سرعت بحرانی سرد شدن در محدوده­ی 3/3 تا 5 درصد، به کار می‌رود که منجر به تشکیل مارتنزیت به همراه مقداری آستنیت باقی مانده در زمینه ساختار می­شود. کروم از خاصیت گرافیت‌زایی نیکل جلوگیری کرده و باعث پایداری کاربیدها می­شود [2،7،8،9].

ترکیب کاربیدها با زمینه­ مارتنزیتی مقاومت سایشی خوبی ایجاد می‌کند. تعیین درصد عناصر آلیاژی در چدن نایهارد به ابعاد قطعه و خواصی که از آن انتظار می‌رود، بستگی دارد. زمانیکه مقاومت سایشی خوب و ضربه پذیری پایین مورد نظر باشد، کاربیدهای درشت­تر انتخاب شده و مقدار کربن بین 3/3 تا 6/3 بوده و در صورتی که قطعه در معرض بارهای ضربه­ای قرار می­گیرد مقدار کربن بین 7/2 تا 2/3 درصد متغیر خواهد بود [9،10].

خوردگی[1] از مهم‌ترین مشکلاتی است که در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی مقابله با آن هزینه زیادی را به خود اختصاص می‌دهد. خوردگی می‌تواند بر روی عمر تجهیزات، بهره‌برداری از آن‌ها، بازگشت سرمایه، کیفیت محصولات تولیدی و . . . مؤثر باشد.
خوردگی به شکل‌های گوناگون در زندگی روزمره به چشم می‌خورد. نقاط و حفره‌های قرمز مایل به نارنجی در تجهیزات نشتی مخازن آب، آب تیره خروجی از داخل شیرها، همچنین میخ­ها، چنگک‌‌ها، لوله‌‌ها، کانال‌ها، ظروف آشپزخانه و قوطی­های حلبی خورده شده نمونه‌های متداولی از خوردگی هستند. خوردگی با دید غیر تخصصی اغلب بر کهنگی تجهیزات دلالت داشته و قابل چشم پوشی است. در‌صورتی‌که خوردگی بیانگر کاهشی قابل توجه در ارزش یک جسم جامد است که در معرض یک برخورد شیمیایی مستقیم قرار گرفته است.
خوردگی محدود به فلز نبوده بلکه شامل مواد غیر فلزی مانند پلیمرها، مواد نسوز، مواد مرکب و مواد دیگر نیز می‌شود. از نظر ترمودینامیکی خوردگی یک فرآیند خود‌ به ‌خودی است که در جهت کاهش انرژی آزاد[2]حرکت می­کند.
مهندسی خوردگی کاربرد دانش و فن یا هنر جلوگیری یا کنترل خسارت ناشی از خوردگی به روش اقتصادی و مطمئن می‌باشد. برای اینکه مهندس خوردگی به خوبی از عهده وظایف خود برآید بایستی با اصول و عملیات مبارزه با آن، خواص شیمیایی، متالورژیکی، فیزیکی و مکانیکی مواد، آزمایش‌های خوردگی، ماهیت محیط‌های خورنده، قیمت مواد اولیه و . . . آشنا باشد. همچنین در حل مسئله خوردگی بایستی روشی را انتخاب نماید که بیشترین بهره را در بر داشته باشد.
2-1- تعریف خوردگی

خوردگی را تخریب یا فاسد شدن یك ماده در اثر واكنش با محیطی كه در‌آن قرار دارد تعریف می‌‌‌كنند. بعضی‌ها اصرار دارند كه این تعریف بایستی محدود به فلزات باشد، ولی غالباً مهندس خوردگی بایستی برای حل یك مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر بگیرد. مثلاً، تخریب رنگ و لاستیك بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی، خورده شدن جداره كوره فولاد‌سازی، و خورده‌ شدن یك فلز جامد بوسیله مذاب یك فلز دیگر تماماً خوردگی نامیده می‌شوند. خوردگی می‌تواند سریع یا كند صورت گیرد ]1[.
خوردگی فلزات را همانطور كه در شكل 1-1 نشان داده‌ شده ‌است می‌توان برعكس متالورژی استخراجی[1] در نظرگرفت. در متالورژی استخراجی، هدف عمدتاً بدست آوردن فلز از سنگ معدن و تصفیه یا آلیاژ‌سازی آن برای مصارف مختلف می‌باشد. اكثر سنگ معدن‌های آهن حاوی اكسیدهای آهن هستند و زنگ‌زدن فولاد بوسیله آب و اكسیژن منجر به تشكیل اكسید آهن هیدراته[2] می‌گردد. اگر چه اكثر فلزات موقعی كه خورده می‌شوند تشكیل اكسیدهایشان را می‌دهند ولی لغت زنگ زدن فقط در مورد آهن و فولاد بكار برده می‌شود.
به طور كلی خوردگی را می‌توان به سه صورت ذیل تعریف نمود:
1- تخریب و انهدام توسط عوامل غیر مكانیكی.
2- تخریب و انهدام توسط واكنشهای شیمیایی و الكترو شیمیایی فلز و محیط.
3- عکس استخراج.
3-1- هزینه های خوردگی
تخمین­ هزینه­های سالانه خوردگی در ایالات متحده بین 8 میلیارد دلار تا 126 میلیارد دلار می‌با‌‌شد] 1[. مهندسان معتقدند كه 30 میلیارد دلار واقعی‌ترین رقم باشد. به هر ترتیب، خوردگی از لحاظ اقتصادی بسیار زیان آور است و برای كاهش‌دادن آن كارهای زیادی می‌توان انجام داد. اگر این نكته را در نظر بگیریم كه هرجا فلز و مواد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند خوردگی با درجه و شدت‌های متفاوتی واقع می‌گردد، این رقم‌های بزرگ دلاری چندان غیر منتظره نخواهند بود. علاوه بر زیان­های مستقیم خوردگی، هزینه‌های غیر مستقیم خوردگی حاصل از توقف فرآیند[1] تولید صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، پایین آمدن بازده تجهیزات و خارج شدن از شرایط بهره برداری مطابق طراحی، نیز هزینه‌‌هایی است که باید در نظر گرفته شود. عدم تولید در هنگام توقف در یك واحد نفت، گاز و پتروشیمی جهت تعمیرات می‌تواند تا میلیونها دلار در روز زیان وارد سازد. نشتی‌ها در خطوط لوله و مخازن منجر به عدم تولید بهینه می‌گردد. این نشتی‌ها می‌تواند باعث بروز آلودگی آب‌های زیرزمینی شده و مشكلات زیست محیطی را نیز ایجاد نماید كه هزینه‌های مورد نیاز برای حل چنین مشكلاتی سرسام آوراست. در حقیقت اگر خوردگی وجود نداشت اقتصاد جامعه ما به شدت تغییر می‌كرد. مثلاً اتومبیل‌ها، كشتی‌ها، خطوط لوله‌های زیرزمینی و وسایل خانگی احتیاج به پوشش نداشتند، صنایع فولاد زنگ نزن[2] از بین می‌رفتند و مس فقط برای مقاصد الكتریكی بكار می‌رفت. اكثر كارخانجات و محصولاتی كه از فلز پوشش‌دار ساخته می‌شوند از فولاد یا چدن ساخته می‌شدند] 1[.
اگرچه خوردگی اجتناب ناپذیر است، ولی هزینه آن را به مقدار زیادی می‌توان كاهش داد. مثلاً یك آند ارزان قیمت منیزیم می‌تواند عمر تانك آب گرم خانگی را دو برابر كند. شستشوی اتومبیل برای زدودن نمك‌هایی كه برای یخ بندان روی جاده می‌پاشند مفید است. انتخاب صحیح مواد و طراحی خوب، هزینه‌های خوردگی را كاهش می‌دهد. یك برنامه صحیح تعمیرات و نگهداری وارد صحنه می‌شود و می‌تواند موثر باشد و ماموریت اصلی آن مبارزه با خوردگی است.
جدا از مخارج مستقیم دلاری، خوردگی یك مشكل جدی است زیرا بطور روشنی باعث تمام شدن منابع طبیعی ما می‌گردد. مثلاً فولاد از سنگ آهن بدست می‌آید و میزان تولید داخلی سنگ آهن پر‌عیار كه مستقیماً قابل استفاده باشند، به شدت كاهش یافته است. توسعه صنعتی سریع بسیاری از كشورها نشان می‌دهد كه رقابت برای  قیمت منابع فلزی افزایش خواهد یافت.
4-1- خسارات ناشی از خوردگی
در این قسمت بعضی اثرات زیان بار خوردگی تشریح خواهد شد:
1-4-1- ظاهر
سطوح زنگ‌زده خوشایند نیستند. تجهیزات زنگ‌زده یا به شدت خورده شده در یك كارخانه تاثیر بدی روی بیننده خواهد گذاشت. به همین دلیل بدنه ماشین‌ها را رنگ کرده و یا در سازه‌های خارجی ساختمان‌ها از فولاد زنگ نزن، آلومینیوم، یا مس استفاده می‌شود.
2-4-1- مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری
بازسازی سطوح خورده‌شده و تعمیر آن‌ها بسیار پر هزینه است. به كاربردن مواد مقاوم در برابر خوردگی نیز مخارج زیادی را در بر دارد. بنابراین برای محافظت از این سطوح هزینه هنگفتی صرف می‌شود.
3-4-1- تعطیلی کارخانه
غالباً بخاطر انهدام غیر منتظره ناشی از خوردگی، واحدی را متوقف ‌می‌سازند یا قسمتی از یك سیستم را می‌خوابانند. و این خود منجر به توقف تولید و یا کند شدن روند آن شده و در برخی موارد افرادی را بیکار می‌کند.
4-4-1- آلوده شدن محصول
در اكثر موارد قیمت یك محصول در بازار به خلوص و كیفیت آن بستگی دارد. عاری بودن از آلودگی‌های جزئی فاكتور حیاتی در تولید و حمل و نقل پلاستیك‌‌های شفاف، رنگ‌ها، مواد غذایی، داروها و نیمه هادی‌ها[1]ست. در بعضی موارد مقدار كمی خوردگی كه باعث وارد شدن یون‌های فلزی به داخل محلول می‌گردد ممكن است باعث تجزیه كاتالیزوری[2] یك محصول گردد. از جمله این موارد تولید و انتقال پراكسید هیدروژن[3] غلیظ و یا هیدرازین[4] می‌باشد. درمواردی كه با آلودگی و تجزیه محصول مواجه هستیم عمر قطعه فاكتور مهمی نخواهد بود با وجود اینكه فولاد معمولی ممكن است سال‌ها دوام بیاورد، ولی فلز گرانتری بكار برده می‌شود تا از آلودگی محصول به محصولات خوردگی ناشی از فولاد معمولی اجتناب گردد.
5-4-1- نشت یا از بین رفتن محصولات با ارزش
نشت جزئی سولفوریك‌اسید به فاضلاب نگرانی حادی ایجاد نمی‌كند، زیرا سولفوریك‌اسید ماده ارزان قیمتی است. اما، نشت یا از بین رفتن ماده‌ای كه گالنی چند صد دلار ارزش دارد بایستی به سرعت متوقف گردد. نشت جزئی تركیبات یا محلول‌های اورانیم خطرناك است و می‌تواند خیلی گران تمام شود. در چنین مواردی استفاده از طراحی مناسب‌تر و مواد بهتر برای ساخت تجهیزات بخوبی قابل توجیه هستند.
6-4-1- اثرات بر امنیت و قابلیت اعتماد
كاركردن با مواد خطرناك مثل گازهای سمی، كلریدریك‌اسید،‌ سولفوریك‌اسید و نیتریك‌اسید غلیظ، مواد منفجره و قابل اشتعال، مواد رادیواكتیو، و مواد شیمیایی در دماها و فشارهای بالا مستلزم استفاده از نوعی مواد ساختمانی است كه خطر انهدام خوردگی را به حداقل برساند. صرفه‌جویی در مواد ساختمانی در مواردی كه امنیت به خطر می‌افتد، مطلوب نیست. ملاحظات بهداشتی نیز می‌توانند مهم باشد مثل آلودگی آب آشامیدنی، محصولات خوردگی می‌توانند باعث شوند كه ضد عفونی كردن تجهیزات مشكل‌تر گردد.
[1] Semi Conductor
[2] Catalytic Decomposition
[3] Hydrogen Proxide
[4] Hydrazine
[1] Process
[2] Stanless Steel
[1] Decipherment
[2] Iron(ΙΙΙ) Hydroxide or Fe(OH)3
[1] Corrosion
2 Thermodynamic Free Energy