Korozja międzygranowa (IGC): Mechanizm, Ryzyko, Kontrola

Wstęp

Korozja międzygranowa (IGC), zwany także atakiem międzykrystalicznym (IGA), jest zlokalizowaną formą korozji, która postępuje preferencyjnie wzdłuż granic ziaren, a nie przez wnętrza ziaren.

W praktyce, metal może wydawać się akceptowalny na powierzchni, podczas gdy pod nim rozwija się wąska sieć ataku, ostatecznie zmniejszając siłę i powodując separację, odrywanie ziarna, lub porażka.

Granice ziaren są z natury obszarami o wyższej energii, ale zwykle nie stanowią problemu korozji, chyba że skład stopu lub historia termiczna sprawią, że będą się one różnić chemicznie od otaczającej osnowy.

1. Definicja korozji międzykrystalicznej

Ścisła definicja jest prosta: korozja międzykrystaliczna to korozja, która występuje na granicach ziaren i w ich sąsiedztwie, ze stosunkowo niewielkim atakiem we wnętrzu ziarna.

W najprostszym obrazie elektrochemicznym, obszar graniczny ziaren staje się miejscem anodowym, a wnętrze ziarna działa jak katoda, więc ścieżka korozji podąża za siecią graniczną.

Atak na granicę staje się szczególnie niebezpieczny, gdy granice ziaren ulegają chemicznej zmianie w wyniku opadów atmosferycznych lub segregacji.

Do stali nierdzewnych, ASTM A262 identyfikuje podatność na atak międzykrystaliczny w gatunkach austenitycznych za pomocą wielu standardowych testów,

i wyraźnie wiąże akceptowalne zachowanie podczas trawienia kwasem szczawiowym z brakiem podatności związanej z wytrącaniem węglika chromu.

2. Mechanizm powstawania korozji międzykrystalicznej

Centralnym mechanizmem jest zmiana chemii granicy ziarna.

Podczas uczulenia lub starzenia, pierwiastki stopowe lub zanieczyszczenia mogą wytrącać się na granicach ziaren, lub elementy ochronne mogą zostać wyczerpane z sąsiedniej matrycy.

Kiedy to się stanie, obszar graniczny i otaczające go ziarno nie mają już tego samego potencjału elektrochemicznego, a granica staje się preferowanym miejscem rozpuszczania.

W austenitycznych stalach nierdzewnych, klasycznym mechanizmem jest wytrącanie węglika chromu na granicach ziaren.

Chrom zużyty w wyniku tworzenia się węglików pozostawia strefę zubożoną w chrom obok granicy, i to wyczerpane pasmo traci wystarczającą odporność na korozję, aby zostać preferowanym atakiem.

ASTM A262 traktuje to jako standardowy problem związany z uczuleniem w austenitycznych stalach nierdzewnych, a ASTM G108 wykorzystuje reaktywację elektrochemiczną do ilościowego określenia stopnia uczulenia w typie 304 i 304L.

Dla stopów aluminiowych, mechanizm jest inny w szczegółach, ale ma podobną strukturę: Wydzielenia na granicy ziaren i przyległe strefy wolne od osadów tworzą lokalne ogniwa mikrogalwaniczne.

Wytrąca się, PFZ, a matryca może mieć różny skład i potencjał korozji, co sprawia, że ​​granica ziaren jest preferowaną ścieżką korozji.

Opublikowane prace na temat utwardzalnych wydzieleniowo stopów aluminium pokazują, że szybkość hartowania jest główną zmienną procesową, ponieważ wpływa na segregację graniczną oraz wielkość/rozkład wydzieleń na granicy ziaren.

3. Przyczyny tego typu uszkodzeń

Korozja międzykrystaliczna zwykle nie ma jednej przyczyny. Rozwija się, gdy łączy się kilka warunków:

• podatny skład chemiczny stopu,
• cykl termiczny, który umożliwia wytrącanie lub segregację na granicy ziaren,
• niewystarczająca szybkość chłodzenia lub niewłaściwa obróbka cieplna,
• oraz środowisko, które może wykorzystać osłabiony region graniczny.

W stalach nierdzewnych, niska zawartość węgla pomaga, ponieważ zmniejsza ilość węgla dostępnego do tworzenia węglika chromu, oraz gatunki stabilizowane lub o bardzo niskiej zawartości węgla są zaprojektowane tak, aby były odporne na uczulenie podczas zwykłych operacji spawalniczych.

ASTM A262 wyraźnie zauważa, że ​​gatunki o bardzo niskiej zawartości węgla i gatunki stabilizowane, takie jak 304L, 316L, 317L, 321, I 347 są badane po obróbce cieplnej uwrażliwiającej w zakresie, w którym najbardziej prawdopodobne jest wytrącanie się węglików.

W stopach aluminium, ważną przyczyną jest połączenie segregacji substancji rozpuszczonych, tworzenie się osadu, i rozwój PFZ wokół granic ziaren podczas obróbki roztworem, gaszenie, i starzenie się.

Hartowanie w wodzie po obróbce roztworem może zapobiec podatności na korozję międzykrystaliczną w niektórych utwardzalnych wydzieleniowo stopach aluminium, ograniczając szkodliwe wytrącanie graniczne i segregację.

W stalach nierdzewnych typu duplex, długotrwałe starzenie się może sprzyjać zmianom fazowym, takim jak wzrost w fazie sigma, co zwiększa uczulenie i obniża potencjał rozpadu.

Niedawne prace nad chudą stalą nierdzewną duplex pokazują, że starzenie się w temp 700 ° C i 800 °C zmienia reakcję na korozję międzykrystaliczną poprzez ewolucję faz i zachowanie samonaprawy.

4. Materiały podatne na korozję międzykrystaliczną

5. Zagrożenia korozją międzykrystaliczną

Korozja międzykrystaliczna jest niebezpieczna nie dlatego, że zawsze wygląda poważnie, ale dlatego, że często rozwija się w ten sposób strukturalnie ukryte.

Metal może zachować swój wygląd powierzchniowy przez długi czas, podczas gdy granice jego ziaren ulegają cichemu osłabieniu.

Gdy sieć graniczna zostanie wystarczająco zaatakowana, element może stracić plastyczność, wytrzymałość, szczelność ciśnieniowa, i odporność na zmęczenie znacznie wcześniej niż oczekiwano.

To właśnie sprawia, że ​​korozja międzykrystaliczna jest szczególnie niebezpieczna w krytycznych urządzeniach.

Utrata integralności mechanicznej

Najbardziej bezpośrednim zagrożeniem korozją międzykrystaliczną jest stopniowa utrata nośności.

Ponieważ atak postępuje wzdłuż granic ziaren, metal może znacznie zmniejszyć efektywny przekrój poprzeczny i spójność, nie wykazując równomiernego przerzedzenia, typowego dla ogólnej korozji.

Jest to szczególnie poważne w przypadku komponentów, od których zależy:

• wytrzymałość na rozciąganie,
• odporność na zginanie,
• ograniczenie ciśnienia,
• lub cykliczna obciążalność.

Część dotknięta korozją międzykrystaliczną może w trakcie kontroli wyglądać na nienaruszoną, jednak jego wewnętrzna sieć granic ziaren może już być poważnie zagrożona.

Kiedy materiał zostanie później załadowany, osłabione granice mogą się rozdzielić bez ostrzeżenia.

Nagła i krucha awaria

Korozja międzykrystaliczna często przekształca normalnie plastyczny materiał w taki, który ulega znacznie bardziej kruchym uszkodzeniom.

Gdy granice ziaren stracą spójność, pęknięcia mogą szybko rozprzestrzeniać się wzdłuż osłabionej sieci.

Rezultatem jest często powierzchnia pęknięcia, która wydaje się raczej ziarnista lub międzykrystaliczna niż gładko plastyczna.

Zagrożenie to ma znaczenie, ponieważ zmniejsza margines ostrzeżenia. Zamiast powoli, widoczne przerzedzenie ścian, element może ulec awarii już po niewielkim dodatkowym obciążeniu lub wibracjach.

W rzeczywistości, this makes intergranular corrosion one of the more dangerous localized corrosion modes in terms of unexpected failure.

Tworzenie się nieszczelności i awaria granicy ciśnienia

For pipes, czołgi, wymienniki ciepła, ciała zaworów, and welded pressure equipment, the main concern is often not only strength loss but also loss of tightness.

Intergranular corrosion can create a boundary-connected network of microcracks and voids that eventually allows fluid leakage.

This is especially hazardous in systems carrying:

• corrosive liquids,
• pressurized gases,
• hot process streams,
• or hazardous chemicals.

A component may remain dimensionally sound enough to pass casual visual checks, but still fail as a pressure boundary because the corrosion has created a path for leakage along the grain boundaries.

Szybka propagacja pęknięć pod wpływem naprężenia

Once intergranular attack has progressed, any service stress can accelerate damage.

Vibrations, Cykl termiczny, mechanical shock, i naprężenia szczątkowe pomagają otworzyć już osłabione granice ziaren.

Z tego powodu korozji międzykrystalicznej często towarzyszą problemy związane z pękaniem wtórnym, takie jak pękanie wspomagane naprężeniami.

Zagrożeniem jest nie tylko sama korozja, ale interakcja pomiędzy korozją i obciążeniem.

Element może przetrwać w łagodnym stanie naprężenia, ale szybko ulec uszkodzeniu, gdy ta sama mikrostruktura uszkodzona przez korozję zostanie wystawiona na działanie rzeczywistych sił roboczych.

Zmniejszona trwałość zmęczeniowa

Komponenty narażone na powtarzające się obciążenia są szczególnie wrażliwe, ponieważ atak na granicy ziaren powoduje powstawanie małych inicjatorów pęknięć.

Miejsca te skupiają naprężenia i zmniejszają liczbę cykli, jakie materiał może przetrwać przed awarią.

Zagrożenie zmęczeniem jest istotne w:

• obrotowe wały,
• cykliczne zbiorniki ciśnieniowe,
• Spawane konstrukcje,
• sprężyny,
• i części maszyn narażone na wibracje.

W takich przypadkach, korozja międzykrystaliczna nie tylko skraca żywotność; może całkowicie zmienić tryb awarii z przewidywalnej akumulacji zmęczeniowej na przedwczesne pęknięcie.

Utrata plastyczności i wytrzymałości

Materiał, który uległ atakowi na granicy ziaren, może nadal mieć akceptowalny nominalny skład chemiczny, ale jego plastyczność i wytrzymałość mogą zostać znacznie zmniejszone.

To sprawia, że ​​jest mniej zdolny do pochłaniania uderzeń, zniekształcenia termiczne, lub lokalne przeciążenie.

Jest to szczególnie problematyczne po wytworzeniu, naprawa spawania, lub ekspozycja na ciepło, ponieważ można oczekiwać, że uszkodzony obszar będzie zachowywał się jak reszta komponentu.

W rzeczywistości, granice ziaren zmienione przez korozję mogą stworzyć mechanicznie słabą strefę, która zachowuje się zupełnie inaczej niż nienaruszony metal nieszlachetny.

6. Środki kontrolne

Zapobieganie korozji międzykrystalicznej nie jest problemem jednorazowym.

Wymaga kontroli o godz cztery poziomy na raz: Wybór stopu, historia termiczna, praktyka produkcyjna, i środowisko serwisowe.

Jeśli którykolwiek z nich zostanie zaniedbany, stan na granicy ziaren może stać się niestabilny chemicznie, a materiał może pozostać wrażliwy nawet wtedy, gdy stop w masie wydaje się solidny.

Wybór materiału: Zapobiegaj problemom na etapie projektowania

Pierwszym i najskuteczniejszym środkiem kontroli jest wybór stopu, który jest z natury mniej podatny na atak na granicy ziaren w zamierzonym środowisku.

W przypadku ryzyka uczulenia należy stosować gatunki niskoemisyjne

Do stali nierdzewnych, gatunki niskoemisyjne, takie jak 304L, 316L, i podobne warianty o bardzo niskiej emisji dwutlenku węgla są preferowane, gdy spodziewane jest spawanie lub narażenie na podwyższoną temperaturę.

Niższa zawartość węgla zmniejsza ilość węglika, który może tworzyć się na granicach ziaren, co z kolei zmniejsza zubożenie chromu i związane z nim ryzyko korozji.

Do wymagających zastosowań termicznych należy używać gatunków stabilizowanych

Stopnie ustabilizowane za pomocą tytan lub niob, jak na przykład 321 I 347, są przeznaczone do wiązania węgla w bardziej stabilnych węglikach, zanim chrom może zostać wyczerpany z osnowy.

To sprawia, że ​​są one znacznie bardziej odporne na uczulenie niż gatunki niestabilizowane w wielu zastosowaniach spawanych lub narażonych na działanie ciepła.

Wybierz stopy dopasowane do środowiska

W agresywnym chlorku, kwas, lub obsługa w wysokiej temperaturze, może lepiej będzie całkowicie odejść od podatnych rodzin i wybrać stopy o większej stabilności na granicy ziaren, takie jak stal nierdzewna typu duplex lub stopy odporne na korozję na bazie niklu.

Innymi słowy, wybór materiału powinien opierać się nie tylko na wytrzymałości metalu nieszlachetnego, ale także od zachowania stopu po wytworzeniu i podczas długotrwałej ekspozycji.

Kontrola obróbki cieplnej: Zarządzaj mikrostrukturą, Nie tylko temperatura

Obróbka cieplna jest jednym z najpotężniejszych narzędzi zapobiegania korozji międzykrystalicznej, ponieważ pozwala określić, czy powstają i pozostają na miejscu szkodliwe osady na granicy ziaren.

Wyżarzanie rozwiązania

Do wrażliwych stali nierdzewnych, Wyżarzanie rozwiązania jest standardowym leczeniem korygującym i zapobiegawczym.

Stop ogrzewa się do temperatury roztworu, tak że osady rozpuszczają się z powrotem w matrycy, następnie schładza się wystarczająco szybko, aby zapobiec ponownemu strącaniu we wrażliwym zakresie temperatur.

Przywraca to bardziej jednolity skład i pomaga odzyskać odporność na korozję.

Szybkie chłodzenie po podgrzaniu

Szybkość chłodzenia jest tak samo ważna jak temperatura szczytowa. Powolne chłodzenie w zakresie uczulania umożliwia utworzenie węglików na granicy ziaren lub faz międzymetalicznych.

Szybkie chłodzenie, często przez hartowanie, jeśli jest to odpowiednie dla stopu i geometrii części, pomaga zachować stan leczony roztworem.

Po spalonym obróbce cieplnej

Do części spawanych, może być konieczna obróbka cieplna po spawaniu w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych i przywrócenia korzystniejszej mikrostruktury w strefie wpływu ciepła.

Dokładny cykl zależy od rodziny stopów, grubość sekcji, i zapotrzebowanie na usługę.

Celem nie jest po prostu „ponowne podgrzanie części”.,”, ale wyeliminowanie chemii na granicach zbóż, która czyni region podatnym na zagrożenia.

Kontrola spawania: Trzymaj strefę wpływu ciepła z dala od kłopotów

Spawanie jest jedną z najczęstszych przyczyn korozji międzykrystalicznej, ponieważ stwarza dokładnie takie warunki termiczne, które sprzyjają wytrącaniu się i uczulaniu na granicy ziaren.

Dlatego praktyka spawania musi być ściśle kontrolowana.

Utrzymuj dopływ ciepła na jak najniższym poziomie

Wysokie doprowadzenie ciepła powiększa strefę wpływu ciepła i wydłuża czas przebywania materiału w krytycznym zakresie temperatur, w którym mogą wystąpić szkodliwe opady atmosferyczne.

Niższy dopływ ciepła pomaga zmniejszyć zarówno szerokość, jak i nasilenie uczulonego obszaru.

Ogranicz powtarzające się cykle termiczne

Wielokrotne przejścia przez ten sam obszar mogą zintensyfikować uczulenie i powiększyć dotkniętą strefę.

Procedury spawania powinny minimalizować niepotrzebne ponowne nagrzewanie wcześniej zespawanych obszarów.

Ostrożnie wybieraj spoiwa

Metal wypełniający powinien być kompatybilny ze stopem bazowym i nie powinien wprowadzać niepotrzebnej nierównowagi węgla lub składu.

W podatnych stalach nierdzewnych, Często preferowane są niskowęglowe lub stabilizowane systemy wypełniaczy, aby strefa spoiny nie stała się słabym punktem.

Kontroluj chłodzenie po spawaniu

Szybkie chłodzenie pomaga obszarowi spoiny szybko przejść przez strefę niebezpieczną, w której tworzą się osady.

Sposób chłodzenia należy wybrać tak, aby nie powodował odkształceń i pęknięć, ale podstawowa zasada pozostaje ta sama: nie dopuścić, aby strefa wpływu ciepła pozostawała w zakresie uczulenia.

Kontrola środowiska: Zmniejsz siłę napędową ataku

Nawet podatna mikrostruktura może pozostać akceptowalna, jeśli środowisko pracy jest łagodne.

Odwrotnie, umiarkowany stop może szybko zawieść w trudnych warunkach.

Dlatego też kontrola środowiska jest kluczową częścią zapobiegania korozji międzykrystalicznej.

Zmniejsz narażenie na agresywne media

Ogranicz kontakt z kwasami, chlorki, lub inne gatunki żrące, jeśli to możliwe.

W systemach procesowych, może to oznaczać zmianę chemii, obniżenie temperatury, lub zmniejszenie skutków stagnacji i koncentracji.

W stosownych przypadkach kontroluj tlen i wilgotność

W układach wodnych, rozpuszczony tlen i niekorzystne warunki elektrochemiczne mogą przyspieszyć reakcje korozyjne.

Odtlenienie lub kontrola chemii mogą pomóc w zmniejszeniu siły napędowej ataku w podatnych systemach.

W stosownych przypadkach należy stosować powłoki lub wykładziny

Powłoki ochronne, Podszewki polimerowe, lub wewnętrzne bariery mogą odizolować stop od środowiska korozyjnego.

Jest to szczególnie przydatne, gdy stop podstawowy musi zostać zachowany ze względów mechanicznych, ale środowisko jest zbyt agresywne dla gołego metalu.

Zastosuj ochronę katodową w odpowiednich układach

Dla niektórych konstrukcji, ochrona katodowa może zmniejszyć elektrochemiczną tendencję do korozji.

Nie jest to rozwiązanie uniwersalne, jednak w odpowiednim środowisku może stanowić skuteczną część większego programu kontroli korozji.

Obróbka powierzchniowa: Przywróć i chroń stan pasywny

Stan powierzchni elementu silnie wpływa na jego odporność na korozję, zwłaszcza po obróbce lub spawaniu.

Pasywacja

Pasywacja służy do czyszczenia powierzchni i tworzenia bardziej stabilnej warstwy pasywnej. Pomaga usunąć wolne żelazo i inne zanieczyszczenia, które mogą zakłócać odporność na korozję.

Marynowanie

Wytrawianie usuwa kamień tlenkowy, Odcień ciepła, i inne zanieczyszczenia powierzchniowe, zwłaszcza po spawaniu lub narażeniu termicznym.

Ma to znaczenie, ponieważ uszkodzona lub zanieczyszczona powierzchnia może stać się punktem wyjścia do zlokalizowanego ataku, nawet jeśli wewnętrzna mikrostruktura jest w innym przypadku akceptowalna.

Elektropolera

Elektropolerowanie wygładza powierzchnię i może poprawić jednorodność folii pasywnej.

Poprzez redukcję chropowatości i nierówności powierzchni, może również zmniejszyć liczbę lokalnych miejsc, w których istnieje większe prawdopodobieństwo wystąpienia korozji.

7. Metody testowania i zastosowania

Normy te są przydatne, ponieważ korozja międzykrystaliczna jest często niewidoczna, dopóki uszkodzenie nie jest bardzo zaawansowane.

ASTM A262 jest zatem praktycznym ekranem do austenitycznych materiałów nierdzewnych, ASTM A763 obsługuje rodzinę ferrytów, a ASTM G108 podaje ilościową metrykę uczulenia dla 304 i 304L.

Używane razem, pozwalają metalurgowi oddzielić „pozornie akceptowalne” od „faktycznie odporne”.

8. Integracja z systemem zarządzania integralnością

Solidny system zarządzania integralnością powinien traktować korozję międzykrystaliczną jako: problem kontroli cyklu życia, nie tylko problem testu materiałowego.

W rzeczywistości, oznacza to kwalifikację stopu, kontrola procesu spawania, protokoły obróbki cieplnej, okresowa kontrola,

oraz informacje zwrotne z analizy awarii powinny być ze sobą powiązane, tak aby uczulenie nie przedostało się ponownie do systemu niezauważone.

Jest to wniosek inżynieryjny z metody ASTM A262, ASTM A763, i ASTM G108 służą do przesiewania materiałów i ilościowego określania uczulenia przed wystąpieniem awarii polowej.

Dla sprzętu krytycznego, najskuteczniejszym podejściem jest połączenie wyboru materiału, historia produkcji, i środowisko usługowe w jedną pętlę sterowania.

Jeśli część jest ze stali nierdzewnej, pytanie brzmi nie tylko, czy jest nierdzewny, ale czy był spawany, poddane obróbce cieplne, i oczyszczone w sposób zachowujący bogatą w chrom pasywność na granicach ziaren.

Jeśli jest to aluminium lub stop niklu, pytanie brzmi, czy struktura osadu lub segregacja na granicy ziaren została zepchnięta do stanu korozyjnego.

To podejście na poziomie systemu sprawia, że ​​IGC nie staje się ukrytym mechanizmem ograniczającym życie.

9. Wniosek

Korozja międzykrystaliczna to rodzaj korozji na granicy ziaren, napędzany lokalną chemią, osad, segregacja, i historię termiczną.

Jest niebezpieczny, ponieważ może pozbawić wytrzymałość i integralność, pozostawiając powierzchnię pozornie nienaruszoną.

Mechanizm jest dobrze poznany w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych, ale pojawia się również w ferrytycznych stalach nierdzewnych, Dupleksowe stale nierdzewne, utwardzalne wydzieleniowo stopy aluminium, i stopy na bazie niklu, gdy chemia na granicy ziaren staje się niekorzystna.

Praktyczna obrona jest równie jasna: wybierz odpowiedni stop, kontrolować dopływ ciepła i historię chłodzenia, sprawdzić poprawną metodą testową ASTM, i traktować strefę wpływu ciepła jako kluczową cechę jakości.

Korozja międzykrystaliczna to nie tylko problem korozji; to jest metalurgia, produkcja, i problem z niezawodnością.

 

FAQ

Jaka jest różnica między korozją międzykrystaliczną a korozją ogólną?

Korozja ogólna atakuje powierzchnię mniej więcej równomiernie,

podczas gdy korozja międzykrystaliczna podąża za granicami ziaren i może powodować poważne osłabienie wewnętrzne przy stosunkowo niewielkiej widocznej utracie powierzchni.

Dlaczego stale nierdzewne są tak często omawiane w kontekście korozji międzykrystalicznej??

Ponieważ wiele stali nierdzewnych, zwłaszcza gatunki austenityczne, może stać się uczulony, gdy węgliki chromu utworzą się na granicach ziaren i pozostawią strefy zubożone w chrom.

ASTM A262 istnieje specjalnie po to, aby wykryć tę podatność.

Czy spawanie może powodować korozję międzykrystaliczną??

Tak. Spawanie może wytworzyć strefę wpływu ciepła, która pozostaje w zakresie uczulenia, sprzyja wytrącaniu się lub segregacji,

i pozostawia zabarwienie termiczne lub inne warunki powierzchni, które zmniejszają odporność na korozję.

W jaki sposób niskoemisyjne gatunki stali nierdzewnej mogą pomóc?

Niższa zawartość węgla zmniejsza siłę napędową wytrącania węglika chromu,

i gatunki takie jak 304L, 316L, 317L, 321, I 347 są specjalnie stosowane, aby zapobiegać uczuleniom podczas zwykłych operacji spawalniczych.