החלדה של ברזל היא תהליך מאוד מורכב, עולה לכלכלה העולמית מאות מיליארדי דולרים בשנה, וגם פלדות אל-חלד אינן חסינות בפניה.
 
חלודה, מוצק חום-אדמדם ומתקלף העוטף גופי ברזל המוכרים לנו מהיום יום, היא אחת מהבעיות הקשות ביותר עמן מתמודד עולם מדע החומרים.
 
בשפה הכימית חלודה נקראת תחמוצת ברזל ממויימת (hydrated iron oxide) והיא מורכבת מיוני חמצן ויוני ברזל (יונים [1] הם אטומים שמספר האלקטרונים בהם שונה ממספר הפרוטונים, ולכן יש להם מטען חשמלי). זה הבדל עקרוני בין הברזל שאנחנו משתמשים בו שהוא ברזל מתכתי, כלומר, כזה שכל האלקטרונים שלו ברשותו.
 
אנו חיים בסביבה עשירה בגז חמצן. החמצן חשוב לקיומנו, אך מגיב ויוצר תחמוצות עם חומרים רבים שבאים איתו במגע - כמו למשל ברזל מתכתי. החמצן הוא אטום קטן מאוד, עם הרבה פרוטונים יחסית לגודלו, ולכן נוטה למשוך אלקטרונים בחוזקה (בכימיה קוראים לזה "אלקטרושלילי" [2]), מה שמאפשר לו לקחת אלקטרונים מהברזל המתכתי וליצור עמו קשרים כימיים שיהפכו אותו בסופו של דבר לחלודה.
 
ישנן תאוריות רבות המנסות להסביר את תהליך ההחלדה: חלק מאשימות את הלחות הגורמת לספיחת מים על גבי הברזל, את חומציות מים אלו, תכולת אי-הניקיונות בברזל, לחץ החמצן האטמוספרי, מליחות, טמפרטורה וכו'. עד היום אין תמימות דעים בקהילה המדעית בנושא זה.
יחד עם זאת, ישנה הסכמה כוללת על נושא אחד במנגנון ההחלדה: אטומי ברזל שבאים במגע עם חמצן ומים מוסרים אלקטרונים ומתחילים תהליך של היווצרות תחמוצת, עד קבלת התוצר הסופי שהוא חלודה.
מדובר בתהליך בלתי הפיך עקב התכונות החשמליות של החמצן והברזל: לאטום החמצן משיכה חזקה לאלקטרונים ולאטום הברזל יש "אינטרס אנרגטי" להיפטר מאלקטרונים.
תכונות אלו גורמות לכך שתוצר ההחלדה עדיף אנרגטית ועל כן חלודה לא תהפוך חזרה לברזל בתנאים סטנדרטיים [3].
העדיפות האנרגטית נובעת משתי סיבות: הראשונה היא ירידה באנרגיה הפנימית של המערכת בגלל קבלת תוצר שבו האלקטרונים קרובים יותר לאטומים שמושכים אותם חזק יותר - על כן, האנרגיה שלהם יורדת והם נמצאים במקום "נוח" יותר.
הסיבה השנייה קשורה לאי הסדר (אנטרופיה) במערכת: המבנה התלת-מימדי שבו מסודרים אטומי הברזל הוא מסודר יותר מהמבנה בחלודה. היקום שואף לאי סדר, וזאת על פי החוק השני של התרמודינמיקה. עוד על אנטרופיה ושאיפה לאי סדר אפשר לקרוא בפוסט של פרופ' עדי אדמוני [4]. מכאן נובע שחלודה מתקלפת ומתפוררת: המבנה שלה אינו יציב מכאנית בגלל אי הסדר במבנה התלת-מימדי, שגורם להיחלשות הקשרים בין האטומים.
התמודדות עם חלודה מתבצעת במגוון דרכים יצירתיות הנקראות באופן כללי "פאסיבציה" [5] (passivation) - הפיכת הברזל לאדיש או עמיד בפני החלדה.
פאסיבציה נפוצה מאוד היא הוספת יסודות נוספים לברזל ויצירת סגסוגת הנקראת נירוסטה או "פלדת אל-חלד" בעברית (השם "נירוסטה" מגיע מהמונח הגרמני  NIchtROstender STAhl = NIROSTA, שמשמעותו המילולית היא "פלדת אל-חלד").
סגסוגת זו מכילה ברזל ומתכות נוספות כגון כרום או ניקל. בסגסוגות שכאלו יש חשיבות למבנה הסריג המתכתי של הפלדה שנוצרת, כאשר סידור האטומים משפיע על עמידותה כנגד חלודה. מבנים צפופים יותר, אשר לא חושפים אטומי ברזל לפני השטח, מאיטים או עוצרים לחלוטין את תהליך ההחלדה.
במקרה של אטומי הכרום או הניקל, אלו באים במגע עם החמצן באוויר לקבלת תחמוצת כרום או תחמוצת ניקל במקום תחמוצת ברזל. מצד אחד, מדובר בשכבה דקה ביותר של תחמוצת שאינה נראית לעין ומשמרת את הברק הטבעי של הפלדה ומצד שני עוטפת את פני השטח ומונעת מחמצן להגיע לאטומי הברזל.
 
לרוע המזל, גם זה לא תמיד מספיק.. אפילו פלדת אל חלד יכולה להחליד בתנאים קיצוניים - טמפרטורות גבוהות, לחות גבוהה ומליחות (כמו רסס ים). במקרה שכזה יכול להיווצר בקע ננומטרי זעיר בפלדה ע"י שבירה מכנית או החלדה קלה. גם אחרי חזרה לתנאים רגילים, הנזק בלתי הפיך. החלודה תמשיך להתפשט באיטיות עד שהפלדה כולה תחליד [6].
 
ההשלכות הכלכליות של החלודה הן חמורות ביותר: מחקר שנערך בארה"ב ב-2002 בדק את עלות נזקי החלודה: ההערכה הסתכמה ב-276 מיליארד דולר לשנה (2.514% מהתוצר הלאומי הגולמי השנתי של ארה"ב!) [7] [8].
תופעה זו קיימת לא רק בארה"ב וגם לא רק על כדור הארץ: כוכב מאדים מקבל את צבעו האדום מתחמוצות ברזל שנמצאות על פני כוכב הלכת. כן, כן: מאדים עטוף במעטה עבה של חלודה.
 
החלדה היא תופעה מרתקת שקיימת בזכות השימוש הנרחב של האנושות בברזל והאטמוספרה העשירה בחמצן שעל כדור הארץ ומחקרים בנושא נעשו מאז ומעולם. זוהי דוגמא נהדרת לתופעה יומיומית שלא מפסיקה להפתיע ולאתגר מדענים עד היום. אולי יום אחד היא תהפוך לנחלת העבר.