Corrosão intergranular (IGC): Mecanismo, Riscos, Controlar

Introdução

Corrosão intergranular (IGC), também chamado de ataque intergranular (IGA), é uma forma localizada de corrosão que progride preferencialmente ao longo dos limites dos grãos, em vez de através do interior dos grãos..

Em termos práticos, o metal pode parecer aceitável na superfície enquanto uma estreita rede de ataque se desenvolve abaixo dele, eventualmente reduzindo a resistência e causando separação, desprendimento de grãos, ou falha.

Os limites dos grãos são regiões inerentemente de maior energia, mas geralmente não se tornam um problema de corrosão, a menos que a química da liga ou a história térmica os tornem quimicamente diferentes da matriz circundante..

1. Definição de corrosão intergranular

Uma definição rigorosa é direta: corrosão intergranular é a corrosão que ocorre nos limites dos grãos e adjacentes a eles, com comparativamente pouco ataque no interior dos grãos.

Na imagem eletroquímica mais simples, a região do limite do grão torna-se o sítio anódico e o interior do grão atua como o cátodo, então o caminho da corrosão segue a rede limite.

Esse ataque nas fronteiras torna-se especialmente perigoso quando as fronteiras dos grãos são quimicamente alteradas por precipitação ou segregação..

Para aços inoxidáveis, ASTM A262 identifica suscetibilidade ao ataque intergranular em graus austeníticos por meio de vários testes padronizados,

e associa explicitamente o comportamento aceitável de ataque com ácido oxálico com a ausência de suscetibilidade ligada à precipitação de carboneto de cromo.

2. Mecanismo de Formação de Corrosão Intergranular

O mecanismo central é mudança química no limite do grão.

Durante a sensibilização ou envelhecimento, elementos de liga ou impurezas podem precipitar nos limites dos grãos, ou elementos de proteção podem ser esgotados da matriz adjacente.

Assim que isso acontecer, a região limite e o grão circundante não compartilham mais o mesmo potencial eletroquímico, e a fronteira se torna o local preferido para a dissolução.

Em aços inoxidáveis ​​austeníticos, o mecanismo clássico é a precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos.

O cromo consumido pela formação do carboneto deixa uma zona pobre em cromo próxima ao limite, e essa banda esgotada perde resistência à corrosão suficiente para ser atacada preferencialmente.

ASTM A262 trata isso como o problema padrão relacionado à sensibilização em aços inoxidáveis ​​austeníticos, e ASTM G108 utiliza reativação eletroquímica para quantificar o grau de sensibilização no Tipo 304 e 304L.

Para ligas de alumínio, o mecanismo é diferente em detalhes, mas semelhante em estrutura: precipitados nos limites dos grãos e zonas livres de precipitados adjacentes criam células microgalvânicas locais.

Os precipitados, o PFZ, e a matriz pode acabar com diferentes composições e potenciais de corrosão, o que torna o limite de grão o caminho de corrosão preferido.

Trabalhos publicados sobre ligas de alumínio endurecíveis por envelhecimento mostram que a taxa de têmpera é uma variável importante de processamento porque afeta a segregação dos limites e o tamanho/distribuição dos precipitados nos limites dos grãos.

3. Causas deste tipo de dano

A corrosão intergranular geralmente não surge de uma única causa. Ela se desenvolve quando várias condições se combinam:

• uma química de liga suscetível,
• um ciclo térmico que permite precipitação ou segregação nos limites dos grãos,
• taxa de resfriamento insuficiente ou tratamento térmico inadequado,
• e um ambiente que possa explorar a região fronteiriça enfraquecida.

Em aços inoxidáveis, o baixo teor de carbono ajuda porque reduz o carbono disponível para a formação de carboneto de cromo, e classes estabilizadas ou com baixo teor de carbono são projetadas para resistir à sensibilização durante operações comuns de soldagem.

A ASTM A262 observa especificamente que classes com baixo teor de carbono e classes estabilizadas, como 304L, 316L, 317L, 321, e 347 são testados após tratamentos térmicos de sensibilização na faixa onde a precipitação de carboneto é mais provável.

Em ligas de alumínio, a causa importante é a combinação de segregação de solutos, formação de precipitado, e desenvolvimento de PFZ em torno dos limites dos grãos durante o tratamento da solução, Tireização, e envelhecimento.

A têmpera em água após o tratamento em solução pode prevenir a suscetibilidade à corrosão intergranular em algumas ligas de alumínio endurecíveis pelo envelhecimento, limitando a precipitação e segregação prejudiciais nos limites.

Em aços inoxidáveis ​​duplex, o envelhecimento a longo prazo pode promover mudanças de fase, como o crescimento da fase sigma, que aumenta a sensibilização e reduz o potencial de degradação.

Trabalhos recentes sobre aço inoxidável lean duplex mostram que o envelhecimento em 700 ° C e 800 °C altera a resposta à corrosão intergranular através da evolução da fase e do comportamento de autocura.

4. Materiais Suscetíveis à Corrosão Intergranular

5. Perigos da corrosão intergranular

A corrosão intergranular é perigosa não porque sempre pareça grave, mas porque muitas vezes se desenvolve de uma forma que é estruturalmente oculto.

O metal pode reter a aparência de sua superfície por um longo tempo enquanto seus limites de grão vão sendo enfraquecidos silenciosamente..

Uma vez que a rede de fronteira seja suficientemente atacada, o componente pode perder ductilidade, força, estanqueidade à pressão, e resistência à fadiga muito antes do esperado.

Isto é o que torna a corrosão intergranular especialmente traiçoeira em equipamentos críticos.

Perda de integridade mecânica

O perigo mais direto da corrosão intergranular é a perda gradual da capacidade de suporte de carga.

Porque o ataque progride ao longo dos limites dos grãos, o metal pode sofrer uma redução significativa na seção transversal efetiva e na coesão sem apresentar o adelgaçamento uniforme típico da corrosão geral.

Isto é particularmente sério para componentes que dependem de:

• resistência à tracção,
• resistência à flexão,
• contenção de pressão,
• ou capacidade de carga cíclica.

Uma peça afetada pela corrosão intergranular ainda pode parecer intacta durante a inspeção, no entanto, a sua rede interna de fronteira de grãos já pode estar gravemente comprometida.

Quando o material for carregado posteriormente, as fronteiras enfraquecidas podem se separar sem aviso prévio.

Falha repentina e frágil

A corrosão intergranular muitas vezes converte um material normalmente dúctil em outro que falha de maneira muito mais frágil..

Uma vez que os limites dos grãos perdem a coesão, rachaduras podem se propagar rapidamente ao longo da rede enfraquecida.

O resultado é muitas vezes uma superfície de fratura que parece granular ou intercristalina, em vez de suavemente dúctil..

Este perigo é importante porque reduz a margem de alerta. Em vez de lento, afinamento visível da parede, o componente pode falhar após apenas uma carga ou vibração adicional modesta.

Na prática, isso torna a corrosão intergranular um dos modos de corrosão localizada mais perigosos em termos de falha inesperada.

Formação de vazamento e falha no limite de pressão

Para tubos, tanques, trocadores de calor, corpos da válvula, e equipamentos de pressão soldados, a principal preocupação muitas vezes não é apenas a perda de força, mas também perda de aperto.

A corrosão intergranular pode criar uma rede de microfissuras e vazios conectados aos limites que eventualmente permite vazamento de fluido.

Isto é especialmente perigoso em sistemas que transportam:

• líquidos corrosivos,
• gases pressurizados,
• fluxos de processos quentes,
• ou produtos químicos perigosos.

Um componente pode permanecer dimensionalmente sólido o suficiente para passar em verificações visuais casuais, mas ainda falham como limite de pressão porque a corrosão criou um caminho para vazamento ao longo dos limites de grão.

Propagação Rápida de Rachaduras Sob Estresse

Uma vez que o ataque intergranular tenha progredido, qualquer estresse no serviço pode acelerar os danos.

Vibrações, Ciclismo térmico, choque mecânico, e a tensão residual ajudam a abrir limites de grãos já enfraquecidos.

É por isso que a corrosão intergranular é frequentemente associada a problemas de fissuração secundária, como fratura assistida por tensão..

O perigo não é apenas a corrosão em si, mas a interação entre corrosão e carga.

Um componente pode sobreviver em um estado de tensão benigno, mas falhar rapidamente quando a mesma microestrutura danificada pela corrosão é exposta a forças operacionais reais..

Vida útil de fadiga reduzida

Componentes expostos a carregamentos repetidos são especialmente vulneráveis ​​porque o ataque aos limites de grãos cria pequenos iniciadores de trincas.

Esses locais concentram tensões e reduzem o número de ciclos que o material pode sobreviver antes da falha.

O risco de fadiga é significativo em:

• eixos rotativos,
• vasos de pressão cíclicos,
• estruturas soldadas,
• molas,
• e peças de máquinas expostas a vibrações.

Nesses casos, a corrosão intergranular não apenas encurta a vida; pode mudar completamente o modo de falha, desde o acúmulo de fadiga previsível até a fratura prematura.

Perda de ductilidade e tenacidade

Um material que sofreu ataque no limite de grão ainda pode ter química nominal aceitável, mas sua ductilidade e tenacidade podem ser drasticamente reduzidas.

Isso o torna menos capaz de absorver impactos, distorção térmica, ou sobrecarga local.

Isto é especialmente problemático após a fabricação, soldagem de reparo, ou exposição ao calor, porque pode-se esperar que a região danificada se comporte como o resto do componente.

Na realidade, os limites de grão alterados pela corrosão podem criar uma zona mecanicamente fraca que se comporta de maneira muito diferente do metal base não afetado.

6. Medidas de Controle

Prevenir a corrosão intergranular não é um problema de ação única.

Requer controle em quatro níveis ao mesmo tempo: Seleção de ligas, história térmica, prática de fabricação, e ambiente de serviço.

Se algum destes for negligenciado, a condição do limite de grão pode tornar-se quimicamente instável e o material pode permanecer vulnerável mesmo quando a liga a granel parece sólida.

Seleção de material: Evite o problema na fase de design

A primeira e mais eficaz medida de controle é escolher uma liga que seja inerentemente menos suscetível ao ataque aos limites dos grãos no ambiente pretendido..

Use classes de baixo carbono onde a sensibilização for um risco

Para aços inoxidáveis, classes de baixo carbono, como 304L, 316L, e variantes semelhantes com baixo teor de carbono são preferidos quando se espera soldagem ou exposição a temperaturas elevadas.

Menor carbono reduz a quantidade de carboneto que pode se formar nos limites dos grãos, o que, por sua vez, reduz o esgotamento do cromo e o risco de corrosão associado.

Use classes estabilizadas para serviços térmicos exigentes

Notas estabilizadas com titânio ou nióbio, como 321 e 347, são projetados para fixar o carbono em carbonetos mais estáveis ​​antes que o cromo possa ser esgotado da matriz.

Isso os torna muito mais resistentes à sensibilização do que classes não estabilizadas em muitas aplicações soldadas ou expostas ao calor.

Selecione ligas adequadas ao ambiente

Em cloreto agressivo, ácido, ou serviço de alta temperatura, pode ser melhor afastar-se completamente das famílias suscetíveis e escolher ligas com maior estabilidade de contorno de grão, como aços inoxidáveis ​​duplex ou ligas resistentes à corrosão à base de níquel.

Em outras palavras, a seleção do material deve ser baseada não apenas na resistência do metal base, mas também sobre como a liga se comporta após a fabricação e durante a exposição a longo prazo.

Controle de Tratamento Térmico: Gerenciar a microestrutura, Não apenas a temperatura

O tratamento térmico é uma das ferramentas mais poderosas para prevenir a corrosão intergranular porque determina se precipitados prejudiciais nos limites dos grãos se formam e permanecem no lugar.

Recozimento da solução

Para aços inoxidáveis ​​suscetíveis, recozimento da solução é o tratamento corretivo e preventivo padrão.

A liga é aquecida na faixa de solução para que os precipitados se dissolvam de volta na matriz, então resfriado rapidamente o suficiente para evitar a reprecipitação durante a faixa sensível de temperatura.

Isto restaura uma composição mais uniforme e ajuda a recuperar a resistência à corrosão.

Resfriamento rápido após aquecimento

A taxa de resfriamento é tão importante quanto a temperatura de pico. O resfriamento lento através da faixa de sensibilização permite a formação de carbonetos de contorno de grão ou fases intermetálicas.

Resfriamento rápido, muitas vezes por têmpera quando apropriado à liga e à geometria da peça, ajuda a preservar a condição tratada com solução.

Tratamento térmico pós-solda

Para peças soldadas, tratamento térmico pós-soldagem pode ser necessário para reduzir a tensão residual e restaurar uma microestrutura mais favorável na zona afetada pelo calor.

O ciclo exato depende da família da liga, espessura da seção, e exigência de serviço.

O objetivo não é simplesmente “aquecer a peça novamente,”mas para eliminar a química dos limites dos grãos que torna a região vulnerável.

Controle de soldagem: Mantenha a zona afetada pelo calor longe de problemas

A soldagem é uma das causas mais comuns de corrosão intergranular porque cria exatamente as condições térmicas que promovem a precipitação e a sensibilização nos limites dos grãos..

É por isso que a prática de soldagem deve ser rigorosamente controlada.

Mantenha a entrada de calor tão baixa quanto possível

A alta entrada de calor amplia a zona afetada pelo calor e aumenta o tempo que o material passa na faixa crítica de temperatura onde pode ocorrer precipitação prejudicial.

A menor entrada de calor ajuda a reduzir a largura e a gravidade da região sensibilizada.

Limitar ciclos térmicos repetidos

Múltiplas passagens na mesma região podem intensificar a sensibilização e ampliar a zona afetada.

Os procedimentos de soldagem devem minimizar o reaquecimento desnecessário de áreas previamente soldadas.

Escolha os metais de adição com cuidado

O metal de adição deve ser compatível com a liga base e não deve introduzir carbono desnecessário ou desequilíbrio de composição.

Em aços inoxidáveis ​​suscetíveis, sistemas de enchimento com baixo teor de carbono ou estabilizados são frequentemente preferidos para que a zona de solda não se torne o ponto fraco.

Controle o resfriamento após a soldagem

O resfriamento rápido ajuda a região de solda a se mover rapidamente através da zona de perigo onde se formam precipitados.

O método de resfriamento deve ser escolhido com cuidado para não introduzir distorções ou rachaduras, mas o princípio básico permanece o mesmo: não permita que a zona afetada pelo calor permaneça na faixa de sensibilização.

Controle ambiental: Reduza a força motriz para o ataque

Mesmo uma microestrutura suscetível pode permanecer aceitável se o ambiente de serviço for ameno.

Por outro lado, uma liga moderada pode falhar rapidamente em um ambiente severo.

É por isso que o controle ambiental é uma parte crítica da prevenção da corrosão intergranular.

Reduza a exposição a mídias agressivas

Limite o contato com ácidos, cloretos, ou outras espécies corrosivas sempre que possível.

Em sistemas de processo, isso pode significar mudar a química, diminuindo a temperatura, ou reduzindo os efeitos de estagnação e concentração.

Controle o oxigênio e a umidade quando relevante

Em sistemas aquosos, oxigênio dissolvido e condições eletroquímicas desfavoráveis ​​podem acelerar reações de corrosão.

A desoxigenação ou o controle químico podem ajudar a reduzir a força motriz do ataque em sistemas suscetíveis.

Use revestimentos ou forros quando apropriado

Revestimentos de proteção, forro de polímero, ou barreiras internas podem isolar a liga do ambiente corrosivo.

Isto é especialmente útil quando a liga base deve ser retida por razões mecânicas, mas o ambiente é muito agressivo para o metal puro..

Aplique proteção catódica em sistemas adequados

Para algumas estruturas, a proteção catódica pode reduzir a tendência eletroquímica à corrosão.

Esta não é uma solução universal, mas no ambiente certo pode ser uma parte eficaz de um programa maior de controle de corrosão.

Tratamento de superfície: Restaure e proteja o estado passivo

A condição da superfície de um componente influencia fortemente o seu desempenho anticorrosivo, especialmente após a fabricação ou soldagem.

Passivação

A passivação é usada para limpar a superfície e promover um filme passivo mais estável. Ajuda a remover ferro livre e outros contaminantes que podem interferir na resistência à corrosão.

Decapagem

A decapagem remove incrustações de óxido, tonalidade de calor, e outros contaminantes superficiais, especialmente após soldagem ou exposição térmica.

Isto é importante porque uma superfície danificada ou contaminada pode tornar-se o ponto de partida para um ataque localizado, mesmo quando a microestrutura interna é aceitável..

Eletropolismo

O eletropolimento suaviza a superfície e pode melhorar a uniformidade do filme passivo.

Ao reduzir a rugosidade e as irregularidades da superfície, também pode reduzir locais onde a corrosão tem maior probabilidade de iniciar.

7. Métodos de teste e aplicações

Esses padrões são úteis porque a corrosão intergranular é muitas vezes invisível até que o dano esteja bem avançado.

ASTM A262 é, portanto, uma tela prática para materiais inoxidáveis ​​austeníticos, ASTM A763 atende a família ferrítica, e ASTM G108 fornece uma métrica de sensibilização quantitativa para 304 e 304L.

Usados ​​juntos, eles permitem ao metalúrgico separar “aparentemente aceitável” de “realmente resistente”.

8. Integração em um Sistema de Gestão de Integridade

Um sistema robusto de gerenciamento de integridade deve tratar a corrosão intergranular como um problema de controle do ciclo de vida, não apenas um problema de teste de material.

Na prática, isso significa qualificação de liga, controle de procedimento de soldagem, registros de tratamento térmico, inspeção periódica,

e o feedback da análise de falhas devem ser todos interligados para que a sensibilização não entre novamente no sistema despercebida.

Esta é uma inferência de engenharia da forma como a ASTM A262, ASTM A763, e ASTM G108 são usados ​​para selecionar materiais e quantificar a sensibilização antes que ocorra falha em campo.

Para equipamentos críticos, a abordagem mais eficaz é conectar a seleção de materiais, história de fabricação, e ambiente de serviço em um circuito de controle.

Se uma peça for inoxidável, a questão não é apenas se é inoxidável, mas se foi soldado, tratado térmico, e limpo de uma forma que preservou a passividade rica em cromo nos limites dos grãos.

Se for alumínio ou liga de níquel, a questão é se a estrutura do precipitado ou a segregação dos limites dos grãos foram empurrados para um estado corrosivo.

Essa visão em nível de sistema é o que impede que o IGC se torne um mecanismo oculto de limitação de vida.

9. Conclusão

A corrosão intergranular é um modo de corrosão no limite do grão impulsionado pela química local, precipitação, segregação, e história térmica.

É perigoso porque pode remover a resistência e a integridade, deixando a superfície aparentemente intacta..

O mecanismo é bem compreendido em aços inoxidáveis ​​austeníticos, mas também aparece em aços inoxidáveis ​​ferríticos, Aços inoxidáveis ​​duplex, ligas de alumínio endurecíveis pelo envelhecimento, e ligas à base de níquel quando a química do limite de grão se torna desfavorável.

A defesa prática é igualmente clara: escolha a liga certa, controlar a entrada de calor e o histórico de resfriamento, validar com o método de teste ASTM correto, e tratar a zona afetada pelo calor como uma característica crítica de qualidade.

A corrosão intergranular não é apenas um problema de corrosão; é uma metalurgia, fabricação, e problema de confiabilidade.

 

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre corrosão intergranular e corrosão geral?

A corrosão geral ataca a superfície de maneira mais ou menos uniforme,

enquanto a corrosão intergranular segue os limites dos grãos e pode causar enfraquecimento interno severo com relativamente pouca perda superficial visível.

Por que os aços inoxidáveis ​​são tão frequentemente discutidos na corrosão intergranular?

Porque muitos aços inoxidáveis, especialmente classes austeníticas, pode ficar sensibilizado quando carbonetos de cromo se formam nos limites dos grãos e deixam para trás zonas com falta de cromo.

ASTM A262 existe especificamente para detectar esta suscetibilidade.

A soldagem pode causar corrosão intergranular?

Sim. A soldagem pode criar uma zona afetada pelo calor que permanece na faixa de sensibilização, promove precipitados ou segregação,

e deixa coloração térmica ou outras condições de superfície que reduzem a resistência à corrosão.

Como os tipos de aço inoxidável com baixo teor de carbono ajudam?

Menor carbono reduz a força motriz para precipitação de carboneto de cromo,

e classes como 304L, 316L, 317L, 321, e 347 são usados ​​especificamente para resistir à sensibilização durante operações comuns de soldagem.