korosi dan degradasi material

DEGRADASI MATERIAL DAN KOROSIOleh:

Muhammad Wira Baskoro

13708042

INTRODUCTION

Banyak material harus berhadapan dengan berbagai macam kondisi lingkungan

Seringkali interaksi tersebut menurunkan kegunaan material akibat dari penurunan sifat mekanik, sifat fisik lain, atau penampilan (hasil dari interaksi dengan lingkungan tersebut)

Terkadang perilaku degradasi material ini dalam beberapa aplikasi diabaikan oleh engineer perancang, dan hal ini menimbulkan konsekuensi yang merugikan

KOROSI PADA LOGAM

Korosi didefinisikan sebagai serangan destruktif dan tidak disengaja kepada logam; terjadi secara elektrokimia dan biasanya dimulai pada permukaan logam

Diperkirakan 5% pendapatan dari sebuah negara berindustri dihabiskan untuk pencegahan korosi dan maintenance/penggantian produk yang rusak akibat korosi

ELECTROCHEMICAL CONSIDERATIONS

Untuk material logam, proses korosi normalnya berlangsung secara elektrokimia

Reaksi elektrokimia adalah reaksi kimia yang melibatkan transfer eektron antara spesies kimia yang satu dengan spesies kimia yang lain

Atom logam mempunyai kecenderungan untuk kehilangan/memberikan elektron dalam reaksi yang disebut dengan oksidasi


Daerah dimana oksidasi terjadi: anoda Elektron yang dihasilkan atom logam harus

ditransfer kepada spesies lain dalam reaksi yang disebut dengan reaksi reduksi

Contoh: logam yang terkorosi di larutan asam dengan konsentrasi ion hidrogen (H+) yang tinggi, ion H+ akan tereduksi menjadi:

Disebut juga dengan evolusi gas hidrogen


Reaksi reduksi lain mungkin juga terjadi tergantung pada larutan yang digunakan dan logam apa yang terekspos, contoh:


Daerah dimana reduksi terjadi: katoda Reaksi keseluruhan elektrokimia harus

mempunyai setidaknya satu reaksi oksidasi dan satu reaksi reduksi

Reaksi oksidasi/reduksi secara individu disebut juga dengan setengah reaksi (half reaction)

Laju total dari oksidasi harus setara dengan laju total dari reduksi, atau semua elektron yang dihasilkan dari oksidasi harus dikonsumsi semua oleh reduksi


Contoh:

Seng yang direndam di dalam larutan asam


Reaksi oksidasi:

Reaksi reduksi

Jika tidak ada reaksi lain yang terjadi, maka reaksi elektrokimia totalnya:

ELECTRODE POTENTIAL

Tidak semua logam bisa membentuk ion dengan tingkat kemudahan yang sama

ELECTRODE POTENTIAL

Pada sel elektrokimia Cu dan Fe, ketika keduanya dihubungkan dengan konduktor, yang terjadi:

(metal deposit pada Cu)Potensial sel reaksi : 0,78 Volt

Sementara pada sel elektrokimia Fe dengan Zn, reaksi yang terjadi:

(metal deposit pada Fe)Potensial sel reaksi : 0,323 Volt

ELECTRODE POTENTIAL

Perbedaan potensial listrik terjadi diantara dua setengah sel reaksi, dan besarnya dapat ditentukan apabila voltmeter dipasang

Pasangan elektroda yang berbeda akan memiliki perbedaan potensial yang berbeda-beda pula

Logam dapat diurutkan menurut kecenderungannya untuk teroksidasi

Setengah sel berupa sebuah sel elektroda yang dicelupkan ke dalam larutan 1 M yang mengandung ion dari eletroda tersebut pada temperatur 25oC disebut dengan standard half cell

STANDARD EMF SERIES

Diperlukan suatu titik referensi atau sel referensi sebagai standar perbandingan pengukuran potensial sel lain

Salah satunya: Standard Hydrogen Electrode (SHE)

SHE terdiri dari elektroda inert platina yang dicelupkan ke dalam larutan yang mengandung ion H+ dan dijenuhkan dengan gas hidrogen

Pada tekanan 1 atm dan T = 25oC Platina tidak ikut serta dalam reaksi

elektrokimia; perannya hanya menyediakan permukaan untuk reduksi/oksidasi ion H+

STANDARD EMF SERIES

Standard Hydrogen Electrode

STANDARD EMF SERIES

Dengan menggunakan elektroda standar, kita dapat mengukur potensial logam lain dan mengurutkannya berdasarkan besar potensialnya

Pengurutan ini disebut juga dengan electromotive force (emf) series

Logam pada urutan atas (contoh: platinum dan emas) adalah logam mulia

Semakin kebawah maka logam semakin aktif dan semakin mudah teroksidasi

Data potensial yang tercantum pada tabel adalah potensial untuk reduksi

STANDARD EMF SERIES

STANDARD EMF SERIES

Emf series berlaku pada sel elektrokimia ideal (seperti logam murni pada 1 M larutan ionnya)

Jika temperatur atau konsentrasi larutan berubah atau elektroda diganti menjadi paduan, maka potensialnya juga akan berubah

GALVANIC SERIES

Walaupun dihasilkan dari kondisi yang sangat ideal dan kegunaannya terbatas, emf series tetap dapat menunjukkan reaktifitas relatif dari logam

Pengurutan yang lebih praktis dan realistis disediakan oleh galvanic series

Seri ini menunjukkan reaktifitas relatif dari logam dan paduan komersial di dalam air laut.

Di bagian atas adalah logam/paduan yang katodik dan tidak reaktif, sementara di bagian bawah adalah yang paling anodik.

GALVANIC SERIES

PREDICTION OF CORROSION RATES

Potensial yang terukur dengan elektroda standar merupakan potensial dalam keadaan equilibrium

Nyatanya korosi berlangsung pada keadaaan non equilibrium

Penyimpangan potensial elektroda dari keadaan equilibriumnya disebut dengan polarisasi

Besarnya penyimpangan ini disebut dengan overvoltage, dilambangkan dengan η

Ada dua tipe polarisasi, aktivasi dan konsentrasi

ACTIVATION POLARIZATION

Polarisasi aktifasi mengacu pada kondisi dimana laju reaksi dikontrol oleh satu tahapan reaksi yang paling lambat dari serangkaian tahap:


Dari tahapan proses evolusi hidrogen ini, tahap dengan laju paling lambat yang menentukan laju reaksi keseluruhan

Untuk polarisasi aktifasi, hubungan antara overvoltage ηa dan rapat arus i adalah:

Dimana β dan i0 adalah konstanta untuk setengah sel tertentu

Ketika overvoltage diplot sebagai fungsi log I, hasilnya adalah kurva lurus sebagai berikut

CONCENTRATION POLARIZATION

Polarisasi konsentrasi terjadi apabila laju reaksi dibatasi oleh difusi dari larutan


Ketika laju reaksi lambat dan/atau konsentrasi ion H+ tinggi, selalu ada supply ion hidrogen yang cukup di dalam larutan di daerah dekat permukaan elektroda (gambar a)

Namun pada laju reaksi yang cepat dan/atau konsentrasi ion H+ yang rendah, zona deplesi bisa terbentuk di dekat interface elektroda, karena jumlah ion H+ yang menyuplai tidak memadai untuk menyamai laju reaksi yang sebenarnya

Sehingga, difusi H+ di interface mengontrol laju reaksi, dan sistem disebut terpolarisasi konsentrasi.


Data konsentrasi polerasi normalnya diplot sebagai overvoltage vs rapat arus

PASSIVITY

Pasifitas: fenomena pada logam/paduan yang normalnya aktif, dalam kondisi lingkungan tertentu bisa kehilangan reaktifitas kimianya dan menjadi inert

Perubahan lingkungan juga dapat menyebabkan logam yang tadinya inert menjadi reaktif

Fenomena pasifasi ini dapat dijeaskan dengan menggunakan kurva potensial polarisasi vs rapat arus

PASSIVITY

ENVIROMENTAL EFFECTS

Variabel pada lingkungan dimana korosi terjadi, seperti kecepatan fluida, temperatur, dan komposisi, dapat berpengaruh terhadap corrosion properties dari material yang mengalami kontak dengan lingkungan tersebut

Cold working digunakan untuk menguatkan logam, namun logam yang telah dicold work lebih rentan terkena korosi daripada logam sama yang berada dalam kondisi telah diannealing

FORMS OF CORROSION

Uniform Attack Uniform attack adalah bentuk korosi secara

elektrokimia yang terjadi dengan intensitas yang sama di seluruh permukaan benda kerja yang terekspos

Secara mikroskopis, oksidasi dan reduksi terjadi secara random diseluruh permukaan

Bentuk korosi paling umum Dapat diprediksi

FORMS OF CORROSION

Korosi Galvanik Terjadi ketika dua jenis logam/paduan

dengan komposisi berbeda dipasangkan secara elektrik (dipasang konduktor) dan diekspos kedalam larutan elektrolit

Logam yang lebih reaktif lebih mudah terkorosi

Reaktifitas logam ditunjukkan pada galvanic series

FORMS OF CORROSION

Korosi Celah Korosi yang terjadi akibat perbedaan konsentrasi ion

atau gas terlarut di dalam larutan elektrolit, tatau diantara dua daerah yang berbeda pada bagian logam yang sama

Terjadi pada daerah sambungan Terjadi reduksi oksidasi pada daerah berdampingan:

karena ada kondisi metalurgi dimana terdapat perbedaan potensial antara butir dan batas butir

Oksigen terlarut datang dari udara tidak mampu menambah oksigen di bagian dalam, sehingga oksigen masuk ke dalam celah

Celah yang berisi oksigen dan air kemudian menjadi anoda pelarutan ion logam

FORMS OF CORROSION

FORMS OF CORROSION

Korosi Batas Butir Terjadi di batas butir Terjadi terutama di beberapa jenis stainless steel Ketika logam dipanaskan ke 500 – 800oC dalam

waktu yang cukup lama, terjadi sensitisasi migrasi atom ke batas butir

Atom Cr pada butir stainless steel bermigrasi ke batas butir berikatan dengan karbon menjadi Cr23C6

Menyebabkan terjadinya zona deplesi kromium hasil migrasi ini

Zona deplesi kromium sangat rentan terhadap korosi

FORMS OF CORROSION

FORMS OF CORROSION

Selective Leaching Selective leaching ditemukan di paduan solid

solution dan terjadi ketika satu elemen dibuang sebagai konsekuensi dari proses korosi

Contoh paling umum adalah dezincification pada kuningan, dimana zinc dipilih untuk dibuang/diluluhkan (leached) dari paduan kuningan (tembaga-zinc).

Sifat mekanik paduan terganggu secara signifikan, karena hanya massa porous dari tembaga yang tersisa pada daerah yang telah di dezincification.

Selective leaching juga dapat terjadi pada sistem paduan lain dimana terdapat aluminium, besi, kobalt, chromium, dan elemen lain yang rentan terhadap preferential removal

FORMS OF CORROSION

Erosi-korosi Erosi-korosi terjadi akibat kombinasi antara

serangan kimia (korosi) dan abrasi mekanik (aus) karena pergerakan fluida

Berbahaya terutama pada logam yang mempunyai lapisan pasif; erosi akan merusak lapisan pasif

Umumnya ditemukan di pipa, terutama daerah belokan dan daerah dengan perubahan diameter yang besar

Cara menghindarinya dengan merubah desain untuk menghilangkan turbulensi fluida

FORMS OF CORROSION

Stress Corrosion Stress corrosion atau disebut juga stress

corrosion cracking adalah hasil kombinasi antara beban mekanik (tensile stress) dengan lingkungan korosif

Beberapa material inert dapat terkena korosi ini apabila beban mekanik diberikan

Retakan kecil terbentuk lalu merambat ke daerah tegak lurus arah tegangan

Modus kegagalan korosi ini mirip pada modus kegagalan material getas, walaupun material yang terkena bersifat ulet

FORMS OF CORROSION

FORMS OF CORROSION

Hydrogen Embrittlement Berkurangnya keuletan dan kekuatan tarik

material akibat adanya gas hidrogen yang berpenetrasi ke dalam material

Atom hidrogen (H) berdifusi secara interstisi melalui latis kristal

Di dalam material, terutama di bagian yang mempunyai rongga, atom hidrogen membentuk gas hidrogen yang menyebabkan peningkatan tekanan secara lokal

Hal ini menyebabkan penurunan sifat mekanik material tersebut

CORROSION PREVENTION

Cara paling mudah menghindari korosi adalah memilih material yang lebih tahan korosi, namun cost dari material tersebut bisa menjadi masalah

Merubah karakter dari lingkungan juga memungkinkan, misalnya menurunkan temperatur fluida dan/atau kecepatannya, yang akan mempelambat laju korosi

Bisa juga dengan menambah inhibitor, yaitu zat yang ditambahkan dalam konsentrasi relatif rendah untuk mengurangi korosifitas lingkungan

Atau menggunakan lapisan fisik yang diberikan pada permukaan benda kerja dalam bentuk lapisan tipis (film) atau coating

CATHODIC PROTECTION

Salah satu cara yang sangat efektif dalam pencegahan korosi adalah dengan menggunakan cathodic protection (proteksi katodik)

Proteksi katodik melibatkan penyuplaian elektron dengan menggunakan sumber daya dari luar terhadap logam yang ingin dilindungi, dan membuatnya menjadi katoda.

Reaksi oksidasi dari logam pun dipaksa terbalik menjadi reaksi reduksi.

CATHODIC PROTECTION

Salah satu metode proteksi katodik menggunakan galvanic couple; logam yang akan dilindungi dihubungkan ke logam lain yang lebih reaktif dengan menggunakan konduktor

Logam yang lebih reaktif inilah yang akan teroksidasi

Logam yang lebih reaktif yang teroksidasi ini seringkali disebut sebagai sacrificial anode

Magnesium zinc sering digunakan karena pada galvanic series ia terletak paling bawah

CATHODIC PROTECTION

Metode lainnya adalah anoda inert yang terkubur didalam tanah dikelilingi material backfill dengan high conductivity yang menyediakan kontak elektrisitas yang baik

Seperti pada gambar berikut, tangki yang terletak dalam bawah tanah dihubungkan dengan sumber daya di luar yang menghubungkannya juga dengan anoda tadi, sehingga tangki dapat terproteksi dari korosi

Contoh lain adalah proteksi galvanic dari baja dengan menggunakan zinc coating

CATHODIC PROTECTION

TERIMA KASIH

korosi dan degradasi material

Documents