Межцентральная коррозия (IGC): Механизм, Риски, Контроль

Введение

Межцентральная коррозия (IGC), также называется межкристаллитной атакой (Iga), Это локализованная форма коррозии, которая распространяется преимущественно по границам зерен, а не внутрь зерен..

В практическом плане, металл может казаться приемлемым на поверхности, в то время как под ним развивается узкая сеть атак, в конечном итоге уменьшая прочность и вызывая разделение, зерновой отряд, или провал.

Границы зерен по своей сути являются областями более высоких энергий., но они обычно не становятся проблемой коррозии, если химия сплава или термическая история не делают их химически отличными от окружающей матрицы..

1. Определение межкристаллитной коррозии

Строгое определение простое: Межкристаллитная коррозия – это коррозия, возникающая на границах зерен и рядом с ними, со сравнительно небольшим воздействием на внутреннюю часть зерна.

В простейшей электрохимической картине, зернограничная область становится анодным участком, а внутренняя часть зерна действует как катод., поэтому путь коррозии следует по граничной сети.

Это пограничное нападение становится особенно опасным, когда границы зерен химически изменяются в результате осаждения или сегрегации..

Для нержавеющих сталей, ASTM A262 определяет склонность к межкристаллитному разрушению аустенитных марок с помощью нескольких стандартизированных испытаний.,

и он явно связывает приемлемое поведение при травлении щавелевой кислотой со свободой от чувствительности, связанной с осаждением карбида хрома..

2. Механизм формирования межкристаллитной коррозии.

Центральный механизм – это изменение зернограничной химии.

Во время сенсибилизации или старения, легирующие элементы или примеси могут осаждаться на границах зерен., или защитные элементы могут истощиться из соседней матрицы.

Как только это произойдет, граничная область и окружающее зерно больше не имеют одного и того же электрохимического потенциала., и граница становится предпочтительным местом растворения.

В аустенитных нержавеющих сталях, Классический механизм – выделение карбида хрома по границам зерен..

Хром, расходуемый на образование карбидов, оставляет рядом с границей зону, обедненную хромом., и эта обедненная полоса теряет достаточную коррозионную стойкость, чтобы подвергаться преимущественному воздействию..

ASTM A262 рассматривает это как стандартную проблему, связанную с сенсибилизацией аустенитных нержавеющих сталей., и ASTM G108 использует электрохимическую реактивацию для количественной оценки степени сенсибилизации типа 304 и 304Л.

Для алюминиевых сплавов, механизм отличается в деталях, но схож по структуре: зернограничные выделения и прилегающие к ним безвыделительные зоны создают локальные микрогальванические ячейки.

Осадки, ПФЗ, и матрица может оказаться разной по составу и потенциалу коррозии., что делает границу зерна предпочтительным путем коррозии.

Опубликованные работы по стареющим алюминиевым сплавам показывают, что скорость закалки является основной переменной обработки, поскольку она влияет на граничную сегрегацию и размер/распределение зернограничных выделений..

3. Причины этого типа повреждений

Межкристаллитная коррозия обычно не возникает по одной причине.. Развивается при сочетании нескольких состояний.:

• чувствительный химический состав сплава,
• термический цикл, который обеспечивает осаждение или сегрегацию на границах зерен,
• недостаточная скорость охлаждения или неподходящая термическая обработка,
• и среда, которая может использовать ослабленную пограничную область.

В нержавеющих сталях, низкое содержание углерода помогает, поскольку уменьшает количество доступного углерода для образования карбида хрома., а стабилизированные или сверхнизкоуглеродистые марки предназначены для предотвращения сенсибилизации во время обычных сварочных операций..

В ASTM A262 особо отмечается, что марки со сверхнизким содержанием углерода и стабилизированные марки, такие как 304L,, 316Л, 317Л, 321, и 347 тестируются после сенсибилизирующей термообработки в диапазоне, где наиболее вероятно выделение карбидов.

В алюминиевых сплавах, важной причиной является сочетание сегрегации растворенных веществ, образование осадка, и развитие PFZ вокруг границ зерен во время обработки раствором, гашение, и старение.

Закалка водой после обработки на раствор может предотвратить склонность к межкристаллитной коррозии в некоторых алюминиевых сплавах, подвергающихся старению, путем ограничения вредных граничных выделений и сегрегации..

Из дуплексной нержавеющей стали, долгосрочное старение может способствовать фазовым изменениям, таким как рост сигма-фазы., который повышает сенсибилизацию и снижает потенциал разрушения.

Недавние исследования бедной дуплексной нержавеющей стали показывают, что старение происходит при 700 ° C и 800 °C изменяет реакцию межкристаллитной коррозии посредством фазовой эволюции и самовосстановления..

4. Материалы, подверженные межкристаллитной коррозии

5. Опасности межкристаллитной коррозии

Межкристаллитная коррозия опасна не потому, что она всегда выглядит серьезной., но поскольку оно часто развивается таким образом, что структурно скрытый.

Металл может сохранять внешний вид в течение длительного времени, в то время как границы его зерен постепенно ослабляются..

Как только пограничная сеть будет достаточно атакована, деталь может потерять пластичность, сила, герметичность под давлением, и сопротивление усталости намного раньше, чем ожидалось.

Именно это делает межкристаллитную коррозию особенно опасной в ответственном оборудовании..

Потеря механической целостности

Наиболее непосредственной опасностью межкристаллитной коррозии является постепенная потеря несущей способности..

Поскольку атака распространяется по границам зерен, металл может подвергнуться значительному снижению эффективного поперечного сечения и сцепления без проявления равномерного утончения, типичного для общей коррозии..

Это особенно серьезно для компонентов, которые зависят от:

• предел прочности,
• сопротивление изгибу,
• сдерживание давления,
• или способность к циклической нагрузке.

Деталь, пораженная межкристаллитной коррозией, во время проверки может выглядеть неповрежденной., однако его внутренняя сеть границ зерен, возможно, уже серьезно скомпрометирована.

Когда материал будет позже загружен, ослабленные границы могут разделиться без всякого предупреждения.

Внезапный и хрупкий отказ

Межкристаллитная коррозия часто превращает обычно пластичный материал в материал, который разрушается гораздо более хрупко..

Как только границы зерен теряют сцепление, трещины могут быстро распространяться по ослабленной сети.

В результате поверхность излома часто выглядит зернистой или межкристаллитной, а не гладко пластичной..

Эта опасность имеет значение, поскольку снижает вероятность предупреждения.. Вместо медленного, видимое истончение стенок, компонент может выйти из строя после незначительной дополнительной нагрузки или вибрации.

На практике, это делает межкристаллитную коррозию одним из наиболее опасных видов локализованной коррозии с точки зрения неожиданного отказа..

Образование утечек и разрушение границы давления

Для труб, бак, теплообменники, Клапанские тела, и сварное оборудование, работающее под давлением, основной проблемой зачастую является не только потеря силы, но и потеря герметичности.

Межкристаллитная коррозия может создать сеть микротрещин и пустот, связанных по границам, что в конечном итоге приводит к утечке жидкости..

Это особенно опасно в системах, несущих:

• агрессивные жидкости,
• сжатые газы,
• горячие технологические потоки,
• или опасные химические вещества.

Компонент может оставаться достаточно надежным по размерам, чтобы пройти случайную визуальную проверку., но все равно не может служить границей давления, поскольку коррозия создала путь для утечки по границам зерен..

Быстрое распространение трещин под нагрузкой

Как только межкристаллитная атака прогрессирует, любой сервисный стресс может ускорить повреждение.

Вибрации, термический велосипед, механический удар, и остаточное напряжение помогают открыть и без того ослабленные границы зерен..

Вот почему межкристаллитная коррозия часто сочетается с проблемами вторичного растрескивания, такими как разрушение под напряжением..

Опасность представляет не только сама коррозия., но взаимодействие между коррозией и нагрузкой.

Компонент может выжить в состоянии легкого напряжения, но быстро выйти из строя, когда та же самая поврежденная коррозией микроструктура подвергается воздействию реальных действующих сил..

Снижение усталостного срока службы

Компоненты, подвергающиеся повторяющимся нагрузкам, особенно уязвимы, поскольку воздействие на границы зерен создает небольшие инициаторы трещин..

Эти места концентрируют напряжение и сокращают количество циклов, в течение которых материал может выжить до выхода из строя..

Опасность усталости значительна в:

• вращающиеся валы,
• сосуды циклического давления,
• сварные сооружения,
• пружины,
• и детали машин, подвергающиеся вибрации.

В таких случаях, Межкристаллитная коррозия не просто сокращает срок службы; он может полностью изменить режим разрушения: от предсказуемого накопления усталости до преждевременного разрушения..

Потеря пластичности и ударной вязкости

Материал, подвергшийся разрушению границ зерен, может все еще иметь приемлемый номинальный химический состав., но его пластичность и вязкость могут резко снизиться.

Это делает его менее способным поглощать удары., тепловое искажение, или локальная перегрузка.

Это особенно проблематично после изготовления., ремонт сварка, или тепловое воздействие, поскольку можно ожидать, что поврежденная область будет вести себя так же, как и остальная часть компонента..

В действительности, Измененные коррозией границы зерен могут создать механически слабую зону, которая ведет себя совсем иначе, чем незатронутый основной металл..

6. Меры контроля

Предотвращение межкристаллитной коррозии – это не проблема одного действия..

Это требует контроля на четыре уровня одновременно: Выбор сплава, термическая история, производственная практика, и сервисная среда.

Если что-то из этого пренебрегается, состояние границ зерен может стать химически нестабильным, и материал может оставаться уязвимым, даже если объемный сплав выглядит исправным..

Выбор материала: Предотвратите проблему на стадии проектирования

Первой и наиболее эффективной мерой контроля является выбор сплава, который по своей природе менее восприимчив к разрушению границ зерен в предполагаемой среде..

Используйте сорта с низким содержанием углерода, где сенсибилизация представляет собой риск.

Для нержавеющих сталей, низкоуглеродистые сорта, такие как 304Л, 316Л, и аналогичные варианты со сверхнизким уровнем выбросов углерода предпочтительны, когда ожидается сварка или воздействие повышенных температур.

Низкое содержание углерода снижает количество карбидов, которые могут образовываться на границах зерен., что, в свою очередь, снижает истощение хрома и связанный с этим риск коррозии..

Используйте стабилизированные марки для требовательных тепловых служб.

Оценки стабилизировались с титан или ниобий, такой как 321 и 347, предназначены для связывания углерода в более стабильные карбиды до того, как хром может исчерпаться из матрицы.

Это делает их гораздо более устойчивыми к сенсибилизации, чем нестабилизированные марки, во многих сварных или термически подверженных применениях..

Выбирайте сплавы, соответствующие окружающей среде

В агрессивном хлориде, кислота, или высокотемпературное обслуживание, возможно, лучше вообще отказаться от чувствительных семейств и выбрать сплавы с более высокой стабильностью границ зерен., например, дуплексные нержавеющие стали или коррозионностойкие сплавы на основе никеля..

Другими словами, Выбор материала должен основываться не только на прочности основного металла., но и от того, как ведет себя сплав после изготовления и при длительном воздействии..

Контроль термообработки: Управляйте микроструктурой, Не только температура

Термическая обработка является одним из наиболее мощных инструментов предотвращения межкристаллитной коррозии, поскольку она определяет, образуются ли вредные зернограничные выделения и остаются ли они на месте..

Решение отжиг

Для чувствительных нержавеющих сталей, Решение отжиг стандартное корректирующее и профилактическое лечение.

Сплав нагревается до температуры раствора, так что осадки растворяются обратно в матрицу., затем охлаждается достаточно быстро, чтобы предотвратить повторное осаждение в чувствительном температурном диапазоне..

Это восстанавливает более однородный состав и помогает восстановить коррозионную стойкость..

Быстрое охлаждение после нагрева

Скорость охлаждения так же важна, как и пиковая температура.. Медленное охлаждение в диапазоне сенсибилизации позволяет образовывать зернограничные карбиды или интерметаллические фазы..

Быстрое охлаждение, часто путем закалки, если это соответствует сплаву и геометрии детали., помогает сохранить состояние, обработанное раствором.

Посгипная термообработка

Для сварных деталей, послесварочная термообработка может потребоваться для уменьшения остаточных напряжений и восстановления более благоприятной микроструктуры в зоне термического влияния..

Точный цикл зависит от семейства сплавов., толщина участка, и требования к обслуживанию.

Цель состоит не в том, чтобы просто «снова нагреть деталь».,«но устранить зернограничную химию, которая делает регион уязвимым».

Контроль сварки: Берегите зону термического воздействия от неприятностей

Сварка является одной из наиболее частых причин межкристаллитной коррозии, поскольку она создает именно те температурные условия, которые способствуют выделению границ зерен и сенсибилизации..

Вот почему практика сварки должна строго контролироваться..

Сохраняйте тепловложение настолько низким, насколько это практически возможно.

Высокое тепловложение увеличивает зону термического влияния и увеличивает время нахождения материала в критическом температурном диапазоне, где могут образовываться вредные осадки..

Меньшее тепловложение помогает уменьшить ширину и тяжесть сенсибилизированной области..

Ограничьте повторные термические циклы

Многократные проходы по одной и той же области могут усилить сенсибилизацию и расширить зону поражения..

Процедуры сварки должны сводить к минимуму ненужный повторный нагрев ранее сваренных участков..

Тщательно выбирайте присадочные металлы

Присадочный металл должен быть совместим с основным сплавом и не должен вносить ненужный дисбаланс углерода или состава..

В чувствительных нержавеющих сталях, часто отдаются предпочтение низкоуглеродистым или стабилизированным присадочным системам, чтобы зона сварного шва не становилась слабым местом..

Контроль охлаждения после сварки

Быстрое охлаждение помогает зоне сварного шва быстро пройти через опасную зону, где образуются выделения..

Метод охлаждения следует выбирать тщательно, чтобы не вызвать искажений или растрескивания., но основной принцип остается прежним: не допускать задержки зоны термического воздействия в зоне сенсибилизации.

Экологический контроль: Уменьшите движущую силу атаки

Даже уязвимая микроструктура может оставаться приемлемой, если условия эксплуатации мягкие..

Наоборот, средний сплав может быстро выйти из строя в суровых условиях.

Вот почему контроль окружающей среды является важной частью предотвращения межкристаллитной коррозии..

Уменьшите воздействие агрессивных сред

Ограничьте контакт с кислотами, хлориды, или другие агрессивные вещества, когда это возможно.

В технологических системах, это может означать изменение химии, понижение температуры, или уменьшения эффектов застоя и концентрации.

Контролируйте уровень кислорода и влаги там, где это необходимо.

В водных системах, растворенный кислород и неблагоприятные электрохимические условия могут ускорить реакции коррозии..

Деоксигенация или химический контроль могут помочь уменьшить движущую силу атаки в уязвимых системах..

При необходимости используйте покрытия или подкладки.

Защитные покрытия, Полимерные накладки, или внутренние барьеры могут изолировать сплав от агрессивной среды..

Это особенно полезно, когда основной сплав необходимо сохранить по механическим причинам, но окружающая среда слишком агрессивна для голого металла..

Применяйте катодную защиту в подходящих системах.

Для некоторых структур, катодная защита может снизить электрохимическую склонность к коррозии..

Это не универсальное решение, но в правильных условиях это может стать эффективной частью более широкой программы борьбы с коррозией..

Поверхностная обработка: Восстановите и защитите пассивное состояние

Состояние поверхности компонента сильно влияет на его коррозионные характеристики., особенно после изготовления или сварки.

Пассивация

Пассивация используется для очистки поверхности и создания более стабильной пассивной пленки.. Помогает удалить свободное железо и другие загрязнения, которые могут повлиять на коррозионную стойкость..

Маринованный

Травление удаляет оксидную окалину., тепловой оттенок, и другие поверхностные загрязнения, особенно после сварки или термического воздействия.

Это важно, поскольку поврежденная или загрязненная поверхность может стать отправной точкой для локального воздействия, даже если внутренняя микроструктура в остальном приемлема..

Электрополирование

Электрополировка сглаживает поверхность и может улучшить однородность пассивной пленки..

За счет уменьшения шероховатости и неровностей поверхности., это также может уменьшить количество локальных участков, где вероятность возникновения коррозии выше..

7. Методы тестирования и приложения

Эти стандарты полезны, поскольку межкристаллитная коррозия часто незаметна до тех пор, пока повреждение не зайдет далеко вперед..

Таким образом, ASTM A262 является практичным фильтром для аустенитных нержавеющих материалов., ASTM A763 обслуживает семейство ферритных материалов., и ASTM G108 дает количественный показатель сенсибилизации для 304 и 304Л.

Используются вместе, они позволяют металлургу отделить «кажущееся приемлемым» от «действительно стойкого».

8. Интеграция в систему управления целостностью

Надежная система управления целостностью должна рассматривать межкристаллитную коррозию как проблема управления жизненным циклом, не просто проблема с испытанием материала.

На практике, это означает квалификацию сплава, контроль процесса сварки, записи о термообработке, периодическая проверка,

и обратная связь по анализу отказов должны быть связаны друг с другом, чтобы сенсибилизация не возвращалась в систему незамеченной..

Это инженерный вывод из ASTM A262., АСТМ А763, и ASTM G108 используются для проверки материалов и количественной оценки сенсибилизации до того, как произойдет сбой в работе..

Для критического оборудования, Самый эффективный подход – это соединить выбор материала, история изготовления, и сервисную среду в один контур управления.

Если деталь нержавеющая, вопрос не только в том, нержавеющий ли он, но и в том, был ли он сваренный, тепло, обработанное, и очищены таким образом, чтобы сохранить богатую хромом пассивность на границах зерен..

Если это алюминий или никелевый сплав, вопрос в том, перешла ли структура выделения или зернограничная сегрегация в коррозионное состояние..

Именно такое представление на уровне системы удерживает IGC от превращения в скрытый механизм, ограничивающий жизнь..

9. Заключение

Межкристаллитная коррозия — это вид зернограничной коррозии, обусловленный местными химическими факторами., осадки, сегрегация, и термическая история.

Это опасно, потому что может лишить прочности и целостности, оставляя поверхность обманчиво неповрежденной..

Механизм хорошо понятен в аустенитных нержавеющих сталях., но он также появляется в ферритных нержавеющих сталях, Дуплексные нержавеющие стали, стареющие алюминиевые сплавы, и сплавы на основе никеля, когда химия границ зерен становится неблагоприятной.

Практическая защита столь же ясна.: выбрать правильный сплав, контролировать поступление тепла и историю охлаждения, проверить с помощью правильного метода испытаний ASTM, и относиться к зоне термического влияния как к важнейшему признаку качества..

Межкристаллитная коррозия – это не просто проблема коррозии.; это металлургия, изготовление, и проблема с надежностью.

 

Часто задаваемые вопросы

Чем отличается межкристаллитная коррозия от общей коррозии?

Общая коррозия воздействует на поверхность более или менее равномерно.,

в то время как межкристаллитная коррозия следует за границами зерен и может вызвать серьезное внутреннее ослабление с относительно небольшой видимой потерей поверхности..

Почему нержавеющие стали так часто обсуждаются при межкристаллитной коррозии?

Поскольку многие нержавеющие стали, Особенно аустенитные оценки, может стать сенсибилизированным, когда карбиды хрома образуются на границах зерен и оставляют после себя зоны, обедненные хромом.

ASTM A262 существует специально для обнаружения этой восприимчивости..

Может ли сварка вызвать межкристаллитную коррозию?

Да. Сварка может создать зону термического влияния, которая находится в диапазоне сенсибилизации., способствует выпадению осадка или сегрегации,

и оставляет тепловой оттенок или другие состояния поверхности, которые снижают коррозионную стойкость.

Как помогают низкоуглеродистые марки нержавеющей стали?

Низкое содержание углерода снижает движущую силу осаждения карбида хрома.,

и такие марки, как 304L, 316Л, 317Л, 321, и 347 специально используются для предотвращения сенсибилизации во время обычных сварочных операций..