Međugranularna korozija (IGC): Mehanizam, Rizici, Kontrolirati

Uvod

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

Praktično, metal se može činiti prihvatljivim na površini dok se ispod njega razvija uska mreža napada, na kraju smanjujući snagu i uzrokujući odvajanje, odvajanje zrna, ili neuspjeh.

Granice zrna su inherentno područja više energije, ali obično ne predstavljaju problem korozije osim ako ih kemija legure ili toplinska povijest ne čini kemijski drugačijima od okolne matrice.

1. Definicija interkristalne korozije

Stroga definicija je jednostavna: interkristalna korozija je korozija koja se javlja na i uz granice zrna, s relativno malim napadom u unutrašnjosti zrna.

U najjednostavnijoj elektrokemijskoj slici, područje granice zrna postaje anodno mjesto, a unutrašnjost zrna djeluje kao katoda, pa put korozije slijedi graničnu mrežu.

Taj granični napad postaje posebno opasan kada su granice zrna kemijski promijenjene taloženjem ili segregacijom.

Za nehrđajuće čelike, ASTM A262 utvrđuje osjetljivost na intergranularni napad u austenitnim stupnjevima višestrukim standardiziranim testovima,

i izričito povezuje prihvatljivo ponašanje jetkanja oksalnom kiselinom s slobodom od osjetljivosti povezane s taloženjem krom karbida.

2. Mehanizam nastanka interkristalne korozije

Središnji mehanizam je promjena kemije granice zrna.

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

Kad se to jednom dogodi, granično područje i okolno zrno više ne dijele isti elektrokemijski potencijal, a granica postaje preferirano mjesto za rastvaranje.

Kod austenitnih nehrđajućih čelika, klasični mehanizam je taloženje krom karbida na granicama zrna.

Krom potrošen stvaranjem karbida ostavlja zonu osiromašenu kromom pored granice, i ta osiromašena traka gubi dovoljno otpornosti na koroziju da bude preferirano napadnuta.

ASTM A262 tretira ovo kao standardni problem vezan uz preosjetljivost kod austenitnih nehrđajućih čelika, i ASTM G108 koristi elektrokemijsku reaktivaciju za kvantificiranje stupnja senzibilizacije u vrsti 304 i 304L.

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

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

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

3. Uzroci ove vrste oštećenja

Interkristalna korozija obično ne nastaje iz jednog uzroka. Razvija se kada se kombinira nekoliko uvjeta:

• osjetljiva kemija legure,
• toplinski ciklus koji omogućuje taloženje ili segregaciju na granicama zrna,
• nedovoljna brzina hlađenja ili neodgovarajuća toplinska obrada,
• i okruženje koje može iskoristiti oslabljenu graničnu regiju.

U nehrđajućem čeliku, nizak sadržaj ugljika pomaže jer smanjuje raspoloživi ugljik za stvaranje krom karbida, i stabilizirane vrste ili vrste s ekstra niskim udjelom ugljika dizajnirane su za otpornost na osjetljivost tijekom uobičajenih operacija zavarivanja.

ASTM A262 posebno napominje da su vrste s ekstra niskim udjelom ugljika i stabilizirane vrste kao što je 304L, 316L, 317L, 321, i 347 testiraju se nakon senzibilizirajuće toplinske obrade u rasponu gdje je najvjerojatnije taloženje karbida.

Kod aluminijskih legura, važan uzrok je kombinacija segregacije otopljene tvari, stvaranje taloga, i razvoj PFZ oko granica zrna tijekom obrade otopinom, gašenje, I starenje.

Kaljenje vodom nakon obrade otopinom može spriječiti osjetljivost na interkristalnu koroziju u nekim aluminijskim legurama koje se otvrdnjavaju starenjem ograničavanjem štetnog graničnog taloženja i segregacije.

U duplex nehrđajućem čeliku, dugotrajno starenje može potaknuti fazne promjene kao što je sigma-fazni rast, što povećava senzibilizaciju i smanjuje potencijal kvara.

Nedavni rad na lean duplex nehrđajućem čeliku pokazuje da starenje na 700 ° C i 800 °C mijenja reakciju interkristalne korozije kroz faznu evoluciju i ponašanje samozacjeljivanja.

4. Materijali osjetljivi na interkristalnu koroziju

5. Opasnosti od interkristalne korozije

Interkristalna korozija je opasna ne zato što uvijek izgleda ozbiljno, već zato što se često razvija na način da je strukturno skriveni.

Metal može dugo zadržati svoj površinski izgled dok granice njegovih zrna tiho slabe.

Nakon što je granična mreža dovoljno napadnuta, komponenta može izgubiti duktilnost, jačina, nepropusnost na pritisak, i otpornost na zamor daleko ranije od očekivanog.

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

Gubitak mehaničkog integriteta

Najizravnija opasnost od interkristalne korozije je postupni gubitak sposobnosti nosivosti.

Budući da napad napreduje duž granica zrna, metal može pretrpjeti značajno smanjenje efektivnog poprečnog presjeka i kohezije bez pokazivanja ravnomjernog stanjivanja tipičnog za opću koroziju.

Ovo je posebno ozbiljno za komponente koje ovise o:

• zatečna čvrstoća,
• otpornost na savijanje,
• zadržavanje tlaka,
• ili sposobnost cikličkog opterećenja.

Dio zahvaćen interkristalnom korozijom može izgledati netaknut tijekom pregleda, ali njegova unutarnja mreža granica zrna možda je već ozbiljno ugrožena.

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

Iznenadni i lomljivi kvar

Interkristalna korozija često pretvara normalno duktilni materijal u onaj koji se lomi na mnogo krtiji način.

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

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

Ova opasnost je važna jer smanjuje marginu za upozorenje. Umjesto sporog, vidljivo stanjenje stijenke, komponenta može otkazati nakon samo skromnog dodatnog opterećenja ili vibracija.

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

Stvaranje curenja i kvar na granici tlaka

Za cijevi, tenkovi, izmjenjivači topline, tijela ventila, i zavarena tlačna oprema, glavna briga često nije samo gubitak snage nego i gubitak zategnutosti.

Interkristalna korozija može stvoriti granično povezanu mrežu mikropukotina i šupljina koje na kraju dopuštaju curenje tekućine.

Ovo je posebno opasno kod prijenosa sustava:

• korozivne tekućine,
• plinovi pod tlakom,
• topli procesni tokovi,
• ili opasnih kemikalija.

Komponenta može ostati dimenzijski dovoljno čvrsta da prođe povremene vizualne provjere, ali još uvijek ne funkcionira kao granica tlaka jer je korozija stvorila put za curenje duž granica zrna.

Brzo širenje pukotina pod naprezanjem

Nakon što intergranularni napad napreduje, svaki radni stres može ubrzati štetu.

Vibracije, toplinski biciklizam, mehanički udar, i zaostalo naprezanje pomaže u otvaranju već oslabljenih granica zrna.

Zbog toga je interkristalna korozija često povezana sa sekundarnim problemima pucanja kao što je lom potpomognut naprezanjem.

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

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

Smanjeni vijek trajanja od umora

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

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

Opasnost od umora je značajna u:

• rotirajuće osovine,
• cikličke posude pod pritiskom,
• zavarene strukture,
• izvori,
• i dijelovi strojeva izloženi vibracijama.

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

Gubitak duktilnosti i žilavosti

Materijal koji je pretrpio napad granice zrna još uvijek može imati prihvatljivu nominalnu kemiju, ali se njegova rastezljivost i žilavost mogu oštro smanjiti.

To ga čini manje sposobnim za apsorbiranje udarca, toplinska distorzija, ili lokalno preopterećenje.

To je posebno problematično nakon izrade, popravak zavarivanja, ili izlaganje toplini, jer se može očekivati ​​da će se oštećeno područje ponašati kao ostatak komponente.

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

6. Kontrolne mjere

Sprječavanje interkristalne korozije nije problem s jednom radnjom.

Zahtijeva kontrolu na četiri razine odjednom: odabir legura, toplinska povijest, praksa izrade, i uslužno okruženje.

Ako se bilo što od toga zanemari, granično stanje zrna može postati kemijski nestabilno i materijal može ostati ranjiv čak i kada legura u rasutom stanju izgleda zdravo.

Odabir materijala: Spriječite problem u fazi projektiranja

Prva i najučinkovitija mjera kontrole je odabir legure koja je inherentno manje osjetljiva na napade granica zrna u predviđenom okruženju.

Koristite vrste s niskim udjelom ugljika tamo gdje postoji rizik od preosjetljivosti

Za nehrđajuće čelike, klase s niskim udjelom ugljika kao što su 304L, 316L, i slične varijante s ekstra niskim udjelom ugljika poželjni su kada se očekuje zavarivanje ili izloženost povišenoj temperaturi.

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

Koristite stabilizirane vrste za zahtjevnu toplinsku uslugu

Ocjene stabilizirane sa titan ili niobij, takav 321 i 347, dizajnirani su za vezivanje ugljika u stabilnijim karbidima prije nego što se krom iscrpi iz matrice.

To ih čini daleko otpornijima na osjetljivost od nestabiliziranih vrsta u mnogim zavarenim ili toplinski izloženim primjenama.

Odaberite legure prilagođene okolišu

U agresivnom kloridu, kiselina, ili usluga na visokim temperaturama, možda bi bilo bolje potpuno se odmaknuti od osjetljivih obitelji i odabrati legure s većom stabilnošću granica zrna, kao što su dvostruki nehrđajući čelici ili legure otporne na koroziju na bazi nikla.

Drugim riječima, odabir materijala treba se temeljiti ne samo na čvrstoći osnovnog metala, ali i na to kako se legura ponaša nakon izrade i tijekom dugotrajne izloženosti.

Kontrola toplinske obrade: Upravljajte mikrostrukturom, Ne samo temperatura

Toplinska obrada jedan je od najmoćnijih alata za sprječavanje interkristalne korozije jer određuje stvaraju li se štetni talozi na granicama zrna i ostaju li na mjestu.

Otopina

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

Legura se zagrijava do raspona otopine tako da se talog otopi natrag u matricu, zatim se dovoljno brzo ohladi da spriječi ponovno taloženje tijekom osjetljivog temperaturnog raspona.

Time se vraća ujednačeniji sastav i pomaže vraćanju otpornosti na koroziju.

Brzo hlađenje nakon zagrijavanja

Brzina hlađenja je jednako važna kao i vršna temperatura. Sporo hlađenje kroz raspon osjetljivosti omogućuje stvaranje karbida na granicama zrna ili intermetalnih faza.

Brzo hlađenje, često kaljenjem kada je to prikladno za leguru i geometriju dijela, pomaže u očuvanju stanja tretiranog otopinom.

Poslije toplinske obrade

Za zavarene dijelove, toplinska obrada nakon zavarivanja može biti potrebna za smanjenje zaostalog naprezanja i vraćanje povoljnije mikrostrukture u zoni pod utjecajem topline.

Točan ciklus ovisi o obitelji legura, debljina presjeka, i servisni zahtjev.

Cilj nije jednostavno “ponovno zagrijati dio,” ali eliminirati kemiju na granici zrna koja regiju čini ranjivom.

Kontrola zavarivanja: Čuvajte zonu zahvaćenu toplinom od problema

Zavarivanje je jedan od najčešćih uzroka interkristalne korozije jer stvara točno toplinske uvjete koji potiču taloženje i senzibilizaciju na granicama zrna.

Zato se praksa zavarivanja mora strogo kontrolirati.

Držite unos topline što je moguće nižim

Veliki unos topline proširuje zonu utjecaja topline i povećava vrijeme koje materijal provodi u kritičnom temperaturnom rasponu gdje može doći do štetnih taloga.

Niži unos topline pomaže smanjiti i širinu i ozbiljnost osjetljive regije.

Ograničite ponovljene toplinske cikluse

Višestruki prijelazi preko istog područja mogu pojačati senzibilizaciju i povećati zahvaćenu zonu.

Postupci zavarivanja trebali bi minimizirati nepotrebno ponovno zagrijavanje prethodno zavarenih područja.

Pažljivo birajte dodatni metal

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

U osjetljivim nehrđajućim čelicima, često se preferiraju niskougljični ili stabilizirani sustavi punila kako zona zavara ne bi postala slaba točka.

Kontrola hlađenja nakon zavarivanja

Brzo hlađenje pomaže da se područje zavara brzo kreće kroz opasnu zonu gdje se stvara talog.

Metoda hlađenja mora biti pažljivo odabrana kako ne bi došlo do izobličenja ili pucanja, ali osnovni princip ostaje isti: ne dopustite da zona pod utjecajem topline ostane u rasponu osjetljivosti.

Kontrola okoliša: Smanjite pokretačku silu za napad

Čak i osjetljiva mikrostruktura može ostati prihvatljiva ako je radna okolina blaga.

Obrnuto, umjerena legura može brzo pokvariti u teškim uvjetima.

Zbog toga je kontrola okoliša kritični dio prevencije interkristalne korozije.

Smanjite izloženost agresivnim medijima

Ograničite kontakt s kiselinama, kloridi, ili druge korozivne vrste kad god je to moguće.

U procesnim sustavima, to može značiti promjenu kemije, snižavanje temperature, ili smanjenje učinaka stagnacije i koncentracije.

Kontrolirajte kisik i vlagu gdje je potrebno

U vodenim sustavima, otopljeni kisik i nepovoljni elektrokemijski uvjeti mogu ubrzati korozijske reakcije.

Deoksigenacija ili kontrola kemije mogu pomoći u smanjenju pokretačke sile napada u osjetljivim sustavima.

Koristite premaze ili obloge kada je to prikladno

Zaštitni premazi, polimerne obloge, ili unutarnje barijere mogu izolirati leguru od korozivnog okoliša.

Ovo je posebno korisno kada se osnovna legura mora zadržati zbog mehaničkih razloga, ali je okolina previše agresivna za goli metal.

Primijeniti katodnu zaštitu u odgovarajućim sustavima

Za neke strukture, katodna zaštita može smanjiti elektrokemijsku sklonost koroziji.

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

Površinski obrada: Vratiti i zaštititi pasivno stanje

Površinsko stanje komponente snažno utječe na njezinu korozijsku učinkovitost, posebno nakon izrade ili zavarivanja.

Pasivacija

Pasiviranje se koristi za čišćenje površine i promoviranje stabilnijeg pasivnog filma. Pomaže u uklanjanju slobodnog željeza i drugih kontaminanata koji mogu utjecati na otpornost na koroziju.

Kiseli

Kiseljenje uklanja kamenac oksida, toplina, i drugih površinskih kontaminanata, osobito nakon zavarivanja ili toplinske izloženosti.

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

Elektropopoliranje

Elektropoliranje zaglađuje površinu i može poboljšati ujednačenost pasivnog filma.

Smanjenjem hrapavosti i površinskih nepravilnosti, također može smanjiti lokalna mjesta na kojima postoji veća vjerojatnost za početak korozije.

7. Metode ispitivanja i primjene

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

ASTM A262 je stoga praktično sito za austenitne nehrđajuće materijale, ASTM A763 služi feritnoj obitelji, a ASTM G108 daje kvantitativnu metriku senzibilizacije za 304 i 304L.

Koristi se zajedno, omogućuju metalurgu da odvoji "naizgled prihvatljivo" od "zapravo otporno".

8. Integracija u sustav upravljanja integritetom

Robusni sustav upravljanja integritetom treba tretirati interkristalnu koroziju kao problem kontrole životnog ciklusa, ne samo problem ispitivanja materijala.

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

i povratne informacije o analizi neuspjeha trebale bi biti povezane zajedno kako senzibilizacija ne bi ponovno ušla u sustav nezapaženo.

Ovo je inženjerski zaključak na temelju ASTM A262, ASTM A763, i ASTM G108 koriste se za pregled materijala i kvantificiranje osjetljivosti prije nego što dođe do kvara na terenu.

Za kritičnu opremu, najučinkovitiji pristup je povezivanje odabira materijala, povijest izrade, i servisno okruženje u jednu kontrolnu petlju.

Ako je dio nehrđajući, pitanje nije samo da li je inox nego i da li je varen, toplinski tretiran, i očišćen na način koji je očuvao kromom bogatu pasivnost na granicama zrna.

Ako je aluminij ili legura nikla, pitanje je je li struktura taloga ili segregacija granica zrna gurnuta u korozivno stanje.

Taj pogled na razini sustava je ono što sprječava IGC da postane skriveni mehanizam koji ograničava život.

9. Zaključak

Interkristalna korozija je način korozije na granici zrna uzrokovan lokalnom kemijom, taloženje, segregacija, i toplinska povijest.

Opasno je jer može ukloniti snagu i cjelovitost dok površinu ostavlja varljivo netaknutom.

Mehanizam je dobro poznat u austenitnim nehrđajućim čelicima, ali se pojavljuje i kod feritnih nehrđajućih čelika, Dupleks nehrđajući čelici, starenjem kaljive aluminijske legure, i legure na bazi nikla kada kemija granica zrna postane nepovoljna.

Praktična obrana je jednako jasna: izabrati pravu leguru, kontrolirati unos topline i povijest hlađenja, potvrdite ispravnom metodom ispitivanja ASTM, i tretirati zonu pod utjecajem topline kao kritičnu značajku kvalitete.

Interkristalna korozija nije samo problem korozije; to je metalurgija, izrada, i problem pouzdanosti.

 

Česta pitanja

Koja je razlika između interkristalne korozije i opće korozije?

Opća korozija napada površinu više ili manje ravnomjerno,

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

Zašto se o nehrđajućem čeliku tako često raspravlja u interkristalnoj koroziji?

Budući da mnogi nehrđajući čelici, posebno austenitne ocjene, može postati senzibiliziran kada se karbidi kroma formiraju na granicama zrna i ostavljaju zone osiromašene kromom.

ASTM A262 postoji posebno za otkrivanje ove osjetljivosti.

Može li zavarivanje uzrokovati interkristalnu koroziju?

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

i ostavlja toplinsku boju ili druge površinske uvjete koji smanjuju otpornost na koroziju.

Kako pomažu vrste nehrđajućeg čelika s niskim udjelom ugljika?

Niži ugljik smanjuje pokretačku silu za taloženje krom karbida,

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