Intergranularna korozija (IGC): Mehanizam, Rizici, Kontrola

Uvod

Intergranularna korozija (IGC), naziva se i intergranularni napad (IgA), je lokalizirani oblik korozije koji napreduje prvenstveno duž granica zrna, a ne kroz unutrašnjost zrna.

U praktičnom smislu, metal može izgledati prihvatljivo na površini dok se ispod njega razvija uska mreža napada, na kraju smanjujući snagu i uzrokujući odvajanje, žitni odred, ili neuspjeh.

Granice zrna su inherentno visokoenergetske regije, ali oni obično ne postaju problem korozije osim ako ih hemija legure ili termička povijest ne čine kemijski drugačijima od okolne matrice.

1. Definicija intergranularne korozije

Rigorozna definicija je jasna: intergranularna korozija je korozija koja se javlja na i uz granice zrna, sa relativno malim napadom u unutrašnjosti zrna.

U najjednostavnijoj elektrohemijskoj slici, područje granice zrna postaje anodno mjesto, a unutrašnjost zrna djeluje kao katoda, tako da put korozije prati graničnu mrežu.

Taj granični napad postaje posebno opasan kada su granice zrna hemijski promenjene padavinama ili segregacijom.

Za nerđajući čelik, ASTM A262 identifikuje podložnost intergranularnom napadu u austenitnim razredima višestrukim standardizovanim testovima,

i eksplicitno povezuje prihvatljivo ponašanje nagrizanja oksalnom kiselinom sa slobodom od osjetljivosti povezane s taloženjem krom karbida.

2. Mehanizam formiranja intergranularne korozije

Centralni mehanizam je promjena hemije na granici zrna.

Tokom senzibilizacije ili starenja, legirajući elementi ili nečistoće mogu se taložiti na granicama zrna, ili zaštitni elementi mogu biti iscrpljeni iz susjedne matrice.

Jednom kada se to desi, granično područje i okolno zrno više ne dijele isti elektrohemijski potencijal, a granica postaje preferirano mjesto za rastvaranje.

U austenitnim nerđajućim čelicima, klasični mehanizam je taloženje hrom karbida na granicama zrna.

Krom koji se troši stvaranjem karbida ostavlja zonu osiromašenu hromom pored granice, i ta osiromašena traka gubi dovoljno otpornosti na koroziju da bi bila prvenstveno napadnuta.

ASTM A262 ovo tretira kao standardni problem vezan za senzibilizaciju kod austenitnih nerđajućih čelika, i ASTM G108 koristi elektrohemijsku reaktivaciju za kvantifikaciju stepena senzibilizacije u tipu 304 i 304L.

Za aluminijske legure, mehanizam je različit u detaljima, ali sličan po strukturi: precipitati na granicama zrna i susjedne zone bez taloga stvaraju lokalne mikrogalvanske ćelije.

Precipitati, PFZ, a matrica može završiti s različitim sastavima i potencijalima korozije, što čini granicu zrna poželjnim putem korozije.

Objavljeni radovi o aluminijskim legurama koje se stvrdnjavaju starenjem pokazuju da je brzina gašenja glavna varijabla obrade jer utječe na graničnu segregaciju i veličinu/distribuciju precipitata na granicama zrna.

3. Uzroci ove vrste oštećenja

Intergranularna korozija obično ne proizlazi iz jednog uzroka. Razvija se kada se kombinuje nekoliko uslova:

• podložna hemija legure,
• termalni ciklus koji omogućava precipitaciju ili segregaciju na granicama zrna,
• nedovoljna brzina hlađenja ili neodgovarajuća termička obrada,
• i okruženje koje može iskoristiti oslabljeni granični region.

Od nerđajućeg čelika, nizak sadržaj ugljika pomaže jer smanjuje raspoloživi ugljik za stvaranje krom karbida, i stabilizirani ili ekstra-niskougljični razredi su dizajnirani da izdrže senzibilizaciju tokom uobičajenih operacija zavarivanja.

ASTM A262 posebno napominje da su ekstra-niskougljični i stabilizirani razredi kao što je 304L, 316L, 317L, 321, i 347 testirani su nakon senzibilizirajućih toplinskih tretmana u opsegu gdje je taloženje karbida najvjerovatnije.

U legurama aluminijuma, važan uzrok je kombinacija segregacije otopljene tvari, formiranje taloga, i razvoj PFZ oko granica zrna tokom tretmana rastvorom, gašenje, i starenje.

Gašenje vodom nakon tretmana otopinom može spriječiti podložnost intergranularnoj koroziji u nekim aluminijskim legurama koje se očvršćavaju starenjem ograničavanjem štetnog taloženja i segregacije na granicama.

U dupleks nerđajućim čelicima, dugotrajno starenje može potaknuti promjene faza kao što je rast u sigma fazi, što povećava senzibilizaciju i smanjuje potencijal razgradnje.

Nedavni radovi na lean duplex nerđajućem čeliku pokazuju da starenje na 700 ° C i 800 °C mijenja reakciju intergranularne korozije kroz faznu evoluciju i ponašanje samoizlječenja.

4. Materijali podložni intergranularnoj koroziji

5. Opasnosti od intergranularne korozije

Intergranularna korozija nije opasna jer uvijek izgleda ozbiljno, već zato što se često razvija na način koji jeste strukturno skriveno.

Metal može zadržati svoj izgled površine dugo vremena dok se njegove granice zrna tiho slabe.

Jednom kada je granična mreža dovoljno napadnuta, komponenta može izgubiti duktilnost, snaga, nepropusnost pritiska, i otpornost na zamor mnogo ranije nego što se očekivalo.

To je ono što intergranularnu koroziju čini posebno opasnom u kritičnoj opremi.

Gubitak mehaničkog integriteta

Najdirektnija opasnost od intergranularne korozije je postepeni gubitak nosivosti.

Zato što napad napreduje duž granica zrna, metal može pretrpjeti značajno smanjenje efektivnog poprečnog presjeka i kohezije bez pokazivanja ujednačenog stanjivanja tipičnog za opštu koroziju.

Ovo je posebno ozbiljno za komponente koje zavise od:

• zatezna čvrstoća,
• otpornost na savijanje,
• zadržavanje pritiska,
• ili sposobnost cikličkog opterećenja.

Dio zahvaćen intergranularnom korozijom može i dalje izgledati netaknut tokom pregleda, ipak, njegova interna mreža granica zrna može već biti ozbiljno ugrožena.

Kada se materijal kasnije utovari, oslabljene granice se mogu odvojiti uz malo upozorenja.

Iznenadni i krhki kvar

Intergranularna korozija često pretvara normalno duktilni materijal u onaj koji se raspada na mnogo krhkiji način.

Jednom granice zrna izgube koheziju, pukotine se mogu brzo širiti duž oslabljene mreže.

Rezultat je često površina loma koja izgleda granulirano ili interkristalno, a ne glatko duktilno.

Ova opasnost je važna jer smanjuje marginu za upozorenje. Umjesto sporo, vidljivo stanjivanje zidova, komponenta može otkazati nakon samo skromnog dodatnog opterećenja ili vibracija.

U praksi, ovo čini intergranularnu koroziju jednim od opasnijih lokaliziranih načina korozije u smislu neočekivanog kvara.

Formiranje curenja i kvar na granici pritiska

Za cijevi, tenkovi, Izmjenjivači topline, Tijela ventila, i zavarene opreme pod pritiskom, glavna briga često nije samo gubitak snage već i gubitak zategnutosti.

Intergranularna korozija može stvoriti granično povezanu mrežu mikropukotina i šupljina koje na kraju omogućavaju curenje tekućine.

Ovo je posebno opasno kod nošenja sistema:

• korozivne tečnosti,
• gasovi pod pritiskom,
• tokovi vrućeg procesa,
• ili opasne hemikalije.

Komponenta može ostati dovoljno čvrsta da prođe povremene vizuelne provjere, ali i dalje ne funkcioniraju kao granica pritiska jer je korozija stvorila put za curenje duž granica zrna.

Brzo širenje pukotine pod stresom

Jednom kada intergranularni napad napreduje, svaki servisni stres može ubrzati oštećenje.

Vibracije, Termički biciklizam, mehanički udar, i rezidualni stres pomažu otvaranju već oslabljenih granica zrna.

To je razlog zašto je intergranularna korozija često uparena sa sekundarnim problemima pucanja kao što je lom potpomognut stresom.

Opasnost nije samo sama korozija, ali interakcija između korozije i opterećenja.

Komponenta može preživjeti u stanju benignog naprezanja, ali brzo otkazati kada je ista mikrostruktura oštećena korozijom izložena stvarnim radnim silama.

Smanjeni vijek trajanja umora

Komponente izložene opetovanom opterećenju su posebno ranjive jer napad na granicu zrna stvara male inicijatore pukotina.

Ova mjesta koncentrišu stres i smanjuju broj ciklusa koje materijal može preživjeti prije kvara.

Opasnost od umora je značajna u:

• rotirajućim vratilima,
• ciklične posude pod pritiskom,
• Zavarene konstrukcije,
• Springs,
• i dijelovi strojeva izloženi vibracijama.

U takvim slučajevima, intergranularna korozija ne skraćuje samo životni vijek; može u potpunosti promijeniti način kvara od predvidljivog nakupljanja zamora do prijevremenog loma.

Gubitak duktilnosti i žilavosti

Materijal koji je pretrpio napad granica zrna može i dalje imati prihvatljivu nominalnu hemiju, ali njegova duktilnost i žilavost mogu se naglo smanjiti.

To ga čini manje sposobnim da apsorbira udar, termička distorzija, ili lokalno preopterećenje.

Ovo je posebno problematično nakon izrade, popravak zavarivanja, ili izlaganje toploti, jer se može očekivati ​​da će se oštećena regija ponašati kao ostatak komponente.

U stvarnosti, korozijom promijenjene granice zrna mogu stvoriti mehanički slabu zonu koja se ponaša vrlo različito od nepromijenjenog osnovnog metala.

6. Kontrolne mjere

Sprečavanje intergranularne korozije nije problem samo jedne akcije.

Zahtijeva kontrolu na četiri nivoa odjednom: Izbor legure, termička istorija, fabrička praksa, i uslužno okruženje.

Ako se bilo šta od ovoga zanemari, stanje na granici zrna može postati kemijski nestabilno i materijal može ostati ranjiv čak i kada se masa legura čini zdravom.

Izbor materijala: Spriječite problem u fazi dizajna

Prva i najefikasnija mjera kontrole je odabir legure koja je inherentno manje podložna napadima granica zrna u predviđenom okruženju..

Koristite niskougljične razrede tamo gdje postoji rizik od senzibilizacije

Za nerđajući čelik, niskougljenične klase kao npr 304L, 316L, i slične ekstra-niskougljične varijante su poželjni kada se očekuje zavarivanje ili izloženost povišenoj temperaturi.

Niži ugljik smanjuje količinu karbida koji se može formirati na granicama zrna, što zauzvrat smanjuje gubitak hroma i povezan rizik od korozije.

Koristite stabilizirane vrste za zahtjevne termičke usluge

Ocjene stabilizirane sa titanijum ili niobijum, poput 321 i 347, dizajnirani su da vežu ugljik u stabilnije karbide prije nego što se krom može iscrpiti iz matrice.

To ih čini daleko otpornijim na preosjetljivost od nestabiliziranih tipova u mnogim zavarenim ili toplinskim aplikacijama.

Odaberite legure koje odgovaraju okolišu

U agresivnom hloridu, kiselina, ili servis na visokim temperaturama, možda bi bilo bolje da se potpuno odmaknete od osetljivih porodica i odaberete legure sa jačom stabilnošću granica zrna, kao što su dupleks nerđajući čelici ili legure otporne na koroziju na bazi nikla.

Drugim riječima, Odabir materijala ne bi trebao biti zasnovan samo na čvrstoći osnovnog metala, ali i na to kako se legura ponaša nakon proizvodnje i tokom dugotrajnog izlaganja.

Kontrola toplinske obrade: Upravljajte mikrostrukturom, Ne samo temperatura

Toplinska obrada je jedan od najmoćnijih alata za sprječavanje intergranularne korozije jer određuje da li se štetni precipitati na granicama zrna formiraju i ostaju na mjestu.

Rješenje žarenje

Za osjetljive nehrđajuće čelike, Rješenje žarenje je standardni korektivni i preventivni tretman.

Legura se zagrijava u rasponu otopine tako da se precipitati rastvaraju natrag u matricu, zatim se ohladi dovoljno brzo da se spreči ponovno taloženje tokom osetljivog temperaturnog opsega.

Ovo vraća ujednačeniji sastav i pomaže povratu otpornosti na koroziju.

Brzo hlađenje nakon zagrijavanja

Brzina hlađenja je jednako važna kao i vršna temperatura. Sporo hlađenje kroz opseg senzibilizacije omogućava stvaranje karbida na granici zrna ili intermetalnih faza.

Brzo hlađenje, često gašenjem kada je prikladno za leguru i geometriju dijela, pomaže u očuvanju stanja tretiranog rastvorom.

Post zavarivanje toplotne obrade

Za zavarene dijelove, Toplinska obrada nakon zavarivanja može biti potrebna kako bi se smanjio zaostalo naprezanje i obnovila povoljnija mikrostruktura u zoni zahvaćenom toplinom.

Tačan ciklus zavisi od porodice legura, Debljina presjeka, i zahtjev za uslugom.

Cilj nije jednostavno „ponovo zagrijati dio,” ali da se eliminira hemija granica zrna koja čini regiju ranjivom.

Kontrola zavarivanja: Čuvajte zonu pogođenu toplinom izvan problema

Zavarivanje je jedan od najčešćih uzroka intergranularne korozije jer stvara upravo one termičke uslove koji pospješuju precipitaciju i senzibilizaciju na granicama zrna..

Zbog toga se praksa zavarivanja mora strogo kontrolisati.

Održavajte unos topline što je moguće niži

Visok unos topline povećava zonu pogođenu toplinom i povećava vrijeme koje materijal provodi u kritičnom temperaturnom rasponu gdje može doći do štetnih padavina.

Niži unos topline pomaže u smanjenju širine i ozbiljnosti osjetljive regije.

Ograničite ponovljene termalne cikluse

Višestruko prolaze kroz istu regiju mogu pojačati senzibilizaciju i povećati zahvaćenu zonu.

Postupci zavarivanja trebaju minimizirati nepotrebno ponovno zagrijavanje prethodno zavarenih područja.

Pažljivo birajte dodatne metale

Dodatni metal bi trebao biti kompatibilan s osnovnom legurom i ne bi trebao unositi nepotreban ugljik ili neravnotežu sastava.

U osjetljivim nehrđajućim čelicima, Niskougljični ili stabilizirani sistemi punila su često poželjni tako da zona zavara ne postane slaba tačka.

Kontrolirajte hlađenje nakon zavarivanja

Brzo hlađenje pomaže području zavara da se brzo kreće kroz opasnu zonu u kojoj se formiraju precipitati.

Metoda hlađenja mora biti pažljivo odabrana kako ne bi izazvala izobličenje ili pucanje, ali osnovni princip ostaje isti: ne dozvolite da se zona pogođena toplotom zadrži u opsegu senzibilizacije.

Kontrola zaštite okoliša: Smanjite pogonsku snagu za napad

Čak i osjetljiva mikrostruktura može ostati prihvatljiva ako je radno okruženje blago.

Obrnuto, umjerena legura može brzo propasti u teškim uvjetima.

That is why environmental control is a critical part of intergranular corrosion prevention.

Smanjite izloženost agresivnim medijima

Limit contact with acids, hloridi, or other corrosive species whenever possible.

In process systems, this may mean changing chemistry, lowering temperature, or reducing stagnation and concentration effects.

Kontrolišite kiseonik i vlagu tamo gde je relevantno

In aqueous systems, dissolved oxygen and unfavorable electrochemical conditions can accelerate corrosion reactions.

Deoxygenation or chemistry control may help reduce the driving force for attack in susceptible systems.

Koristite premaze ili obloge kada je to prikladno

Zaštitni premazi, Polimerne obloge, or internal barriers can isolate the alloy from the corrosive environment.

This is especially useful when the base alloy must be retained for mechanical reasons but the environment is too aggressive for bare metal.

Primijeniti katodnu zaštitu u odgovarajućim sistemima

For some structures, cathodic protection can reduce the electrochemical tendency toward corrosion.

Ovo nije univerzalno rješenje, ali u pravom okruženju može biti efikasan dio većeg programa kontrole korozije.

Površinski tretman: Vratite i zaštitite pasivno stanje

Stanje površine komponente snažno utječe na njen učinak korozije, posebno nakon izrade ili zavarivanja.

Pasivizacija

Pasivacija se koristi za čišćenje površine i promoviranje stabilnijeg pasivnog filma. Pomaže u uklanjanju slobodnog željeza i drugih zagađivača koji mogu ometati otpornost na koroziju.

Kiselo

Kiseljenjem se uklanja oksidni kamenac, toplotna nijansa, i drugih površinskih zagađivača, posebno nakon zavarivanja ili termičkog izlaganja.

Ovo je važno jer oštećena ili kontaminirana površina može postati početna točka za lokalizirani napad čak i kada je unutrašnja mikrostruktura inače prihvatljiva.

Elektropoštovanje

Elektropoliranje izglađuje površinu i može poboljšati uniformnost pasivnog filma.

Smanjenjem hrapavosti i površinskih nepravilnosti, takođe može smanjiti lokalna mesta gde je veća verovatnoća da će korozija započeti.

7. Metode ispitivanja i primjene

Ovi standardi su korisni jer je intergranularna korozija često nevidljiva sve dok oštećenje nije dobro uznapredovalo.

ASTM A262 je stoga praktičan ekran za austenitne nerđajuće materijale, ASTM A763 služi feritnoj porodici, i ASTM G108 daje kvantitativnu metriku senzibilizacije za 304 i 304L.

Koriste se zajedno, oni omogućavaju metalurgu da odvoji „naizgled prihvatljivo“ od „stvarno otpornog“.

8. Integracija u sistem upravljanja integritetom

Robustan sistem upravljanja integritetom trebao bi tretirati intergranularnu koroziju kao a problem kontrole životnog ciklusa, ne samo problem ispitivanja materijala.

U praksi, to znači kvalifikaciju legure, kontrola postupka zavarivanja, zapisi o termičkoj obradi, periodični pregled,

i povratne informacije analize kvarova trebale bi biti povezane zajedno kako senzibilizacija ne bi ponovo ušla u sistem neprimijećeno.

Ovo je inženjerski zaključak iz načina ASTM A262, ASTM A763, i ASTM G108 se koriste za ispitivanje materijala i kvantificiranje senzibilizacije prije nego što dođe do kvara na terenu.

Za kritičnu opremu, najefikasniji pristup je povezivanje odabira materijala, istorija proizvodnje, i uslužno okruženje u jednu kontrolnu petlju.

Ako je dio nehrđajući, pitanje nije samo da li je nerđajući nego da li je zavaren, toplina tretirana, i očišćeni na način koji je sačuvao pasivnost bogatu hromom na granicama zrna.

Ako je u pitanju aluminijum ili legura nikla, pitanje je da li je taložna struktura ili segregacija na granici zrna gurnuta u korozivno stanje.

Taj pogled na nivou sistema je ono što sprečava IGC da postane skriveni mehanizam koji ograničava život.

9. Zaključak

Intergranularna korozija je način korozije na granici zrna vođen lokalnom hemijom, oborine, segregacija, i termalnu istoriju.

Opasno je jer može ukloniti snagu i integritet, ostavljajući površinu varljivo netaknutom.

Mehanizam je dobro poznat u austenitnim nerđajućim čelicima, ali se također pojavljuje u feritnim nehrđajućim čelicima, Duplex nehrđajući čelici, legure aluminijuma koje se kalje starenjem, i legure na bazi nikla kada hemija granica zrna postane nepovoljna.

Praktična odbrana je jednako jasna: izaberite pravu leguru, kontrolisati unos toplote i istoriju hlađenja, potvrditi ispravnom ASTM metodom ispitivanja, i tretirati zonu pogođenu toplotom kao kritičnu karakteristiku kvaliteta.

Intergranularna korozija nije samo problem korozije; to je metalurgija, izmišljotina, i problem pouzdanosti.

 

FAQs

Koja je razlika između intergranularne korozije i opće korozije?

Opća korozija više ili manje ravnomjerno napada površinu,

dok intergranularna korozija prati granice zrna i može uzrokovati ozbiljno unutrašnje slabljenje s relativno malim vidljivim gubitkom površine.

Zašto se o nerđajućim čelicima tako često raspravlja u intergranularnoj koroziji?

Zbog mnogih nehrđajućih čelika, posebno austenitnih razreda, mogu postati senzibilizirani kada se krom karbidi formiraju na granicama zrna i iza sebe ostave zone osiromašene hromom.

ASTM A262 postoji posebno za otkrivanje ove osjetljivosti.

Može li zavarivanje uzrokovati intergranularnu koroziju?

Da. Zavarivanje može stvoriti zonu pod utjecajem topline koja provodi vrijeme u području osjetljivosti, potiče taloženje ili segregaciju,

i ostavlja toplinu ili druge uvjete površine koji smanjuju otpornost na koroziju.

Kako pomažu niskougljični nehrđajući slojevi?

Niži ugljik smanjuje pokretačku silu za taloženje hrom karbida,

i klase kao što je 304L, 316L, 317L, 321, i 347 se posebno koriste za otpornost na preosjetljivost tokom uobičajenih operacija zavarivanja.