Rozmanitá korózia (IGC): Mechanizmus, Riziká, Ovládanie

Zavedenie

Rozmanitá korózia (IGC), nazývaný aj intergranulárny útok (IgA), je lokalizovaná forma korózie, ktorá postupuje prednostne pozdĺž hraníc zŕn a nie cez vnútro zŕn.

Prakticky, kov sa môže javiť ako prijateľný na povrchu, kým sa pod ním vytvorí úzka sieť útokov, prípadne znižuje pevnosť a spôsobuje oddelenie, oddeľovanie zrna, alebo zlyhanie.

Hranice zŕn sú vo svojej podstate regióny s vyššou energiou, ale zvyčajne sa nestanú problémom s koróziou, pokiaľ ich chémia zliatiny alebo tepelná história nerobí chemicky odlišnými od okolitej matrice.

1. Definícia medzikryštalickej korózie

Presná definícia je jednoduchá: medzikryštalická korózia je korózia, ktorá sa vyskytuje na hraniciach zŕn a pri nich, s pomerne malým napadnutím vo vnútri zŕn.

V najjednoduchšom elektrochemickom obrázku, oblasť na hranici zrna sa stáva anodickým miestom a vnútro zrna pôsobí ako katóda, takže korózna dráha sleduje hraničnú sieť.

Toto hraničné napadnutie sa stáva obzvlášť nebezpečné, keď sú hranice zŕn chemicky zmenené zrážaním alebo segregáciou.

Pre nehrdzavejúce ocele, ASTM A262 identifikuje náchylnosť na intergranulárny útok v austenitických stupňoch pomocou viacerých štandardizovaných testov,

a výslovne spája prijateľné správanie pri leptaní kyselinou šťaveľovou s necitlivosťou spojenou s precipitáciou karbidu chrómu.

2. Mechanizmus tvorby medzikryštalickej korózie

Centrálny mechanizmus je zmena chémie na hraniciach zŕn.

Počas senzibilizácie alebo starnutia, legujúce prvky alebo nečistoty sa môžu vyzrážať na hraniciach zŕn, alebo ochranné prvky môžu byť vyčerpané zo susednej matrice.

Raz sa to stane, hraničná oblasť a okolité zrno už nezdieľajú rovnaký elektrochemický potenciál, a hranica sa stáva preferovaným miestom pre rozpúšťanie.

Z austenitických nehrdzavejúcich ocelí, klasickým mechanizmom je precipitácia karbidu chrómu na hraniciach zŕn.

Chróm spotrebovaný tvorbou karbidu opúšťa zónu ochudobnenú o chróm vedľa hranice, a tento ochudobnený pás stráca dostatočnú odolnosť proti korózii, aby bol prednostne napadnutý.

ASTM A262 to považuje za štandardný problém súvisiaci so senzibilizáciou v austenitických nehrdzavejúcich oceliach, a ASTM G108 používa elektrochemickú reaktiváciu na kvantifikáciu stupňa senzibilizácie v type 304 a 304 l.

Pre hliníkové zliatiny, mechanizmus je odlišný v detailoch, ale podobný v štruktúre: precipitáty na hranici zŕn a priľahlé bezprecipitátové zóny vytvárajú lokálne mikrogalvanické články.

Zrazeniny, PFZ, a matrica môže skončiť s rôznym zložením a koróznym potenciálom, čo robí z hranice zŕn preferovanú cestu korózie.

Publikovaná práca o zliatinách hliníka tvrditeľných starnutím ukazuje, že rýchlosť ochladzovania je hlavnou premennou spracovania, pretože ovplyvňuje hraničnú segregáciu a veľkosť/distribúciu precipitátov na hranici zŕn.

3. Príčiny tohto typu poškodenia

Medzikryštalická korózia zvyčajne nevzniká z jednej príčiny. Vyvíja sa, keď sa skombinujú viaceré podmienky:

• chémia citlivej zliatiny,
• tepelný cyklus, ktorý umožňuje zrážanie alebo segregáciu na hranici zŕn,
• nedostatočná rýchlosť ochladzovania alebo nevhodné tepelné spracovanie,
• a prostredie, ktoré môže využívať oslabený hraničný región.

V nerezových oceliach, nízky obsah uhlíka pomáha, pretože znižuje dostupný uhlík pre tvorbu karbidu chrómu, a stabilizované alebo veľmi nízkouhlíkové druhy sú navrhnuté tak, aby odolávali senzibilizácii počas bežných zváracích operácií.

ASTM A262 špecificky uvádza, že triedy s extra nízkym obsahom uhlíka a stabilizované triedy, ako je 304L, 316L, 317L, 321, a 347 sa testujú po senzibilizačnom tepelnom spracovaní v rozsahu, kde je najpravdepodobnejšia precipitácia karbidov.

V hliníkových zliatinách, dôležitou príčinou je kombinácia segregácie rozpustených látok, tvorba zrazeniny, a vývoj PFZ okolo hraníc zŕn počas úpravy roztoku, zhasnutie, a starnutie.

Kalenie vodou po ošetrení roztokom môže zabrániť náchylnosti na medzikryštalickú koróziu v niektorých zliatinách hliníka tvrditeľných starnutím tým, že obmedzí škodlivé hraničné zrážanie a segregáciu.

Z duplexných nerezových ocelí, dlhodobé starnutie môže podporiť fázové zmeny, ako je sigma-fázový rast, čo zvyšuje senzibilizáciu a znižuje potenciál rozpadu.

Nedávne práce na chudej duplexnej nehrdzavejúcej oceli ukazujú, že starnutie pri 700 ° C a 800 °C mení reakciu medzikryštalickej korózie prostredníctvom fázového vývoja a samoliečebného správania.

4. Materiály náchylné na medzikryštalickú koróziu

5. Nebezpečenstvo medzikryštalickej korózie

Medzikryštalická korózia je nebezpečná nie preto, že vždy vyzerá vážne, ale preto, že sa často vyvíja tak, že je štrukturálne skryté.

Kov si môže zachovať svoj povrchový vzhľad po dlhú dobu, zatiaľ čo hranice jeho zŕn sa ticho oslabujú.

Akonáhle je hraničná sieť dostatočne napadnutá, komponent môže stratiť ťažnosť, sila, tlaková tesnosť, a odolnosť proti únave oveľa skôr, ako sa očakávalo.

To robí medzikryštalickú koróziu obzvlášť zradnou v kritických zariadeniach.

Strata mechanickej integrity

Najpriamejším nebezpečenstvom medzikryštalickej korózie je postupná strata nosnosti.

Pretože útok postupuje pozdĺž hraníc zŕn, kov môže trpieť významným znížením účinného prierezu a súdržnosti bez toho, aby vykazoval rovnomerné stenčenie typické pre všeobecnú koróziu.

Toto je obzvlášť závažné pre komponenty, ktoré závisia od:

• pevnosť v ťahu,
• ohybový odpor,
• tlakový obal,
• alebo schopnosť cyklického zaťaženia.

Časť ovplyvnená medzikryštálovou koróziou môže počas kontroly stále vyzerať ako neporušená, no jeho vnútorná sieť hraníc zŕn už môže byť vážne narušená.

Keď sa materiál neskôr naloží, oslabené hranice sa môžu oddeliť s malým varovaním.

Náhle a krehké zlyhanie typu

Medzikryštalická korózia často premieňa normálne ťažný materiál na materiál, ktorý zlyhá oveľa krehkejším spôsobom.

Raz hranice zŕn stratia súdržnosť, trhliny sa môžu rýchlo šíriť pozdĺž oslabenej siete.

Výsledkom je často povrch lomu, ktorý sa javí skôr zrnitý alebo interkryštalický než hladko tvárny.

Toto nebezpečenstvo je dôležité, pretože znižuje priestor pre varovanie. Namiesto pomalého, stenčovanie viditeľných stien, komponent môže zlyhať už po miernom dodatočnom zaťažení alebo vibráciách.

V praxi, to robí z medzikryštalickej korózie jeden z nebezpečnejších spôsobov lokalizovanej korózie z hľadiska neočakávaného zlyhania.

Tvorba netesností a tlakovo-hraničné zlyhanie

Pre potrubia, tanky, výmenník tepla, telá ventilu, a zvárané tlakové zariadenia, hlavným problémom je často nielen strata sily, ale aj strata tesnosti.

Medzikryštálová korózia môže vytvoriť hranične prepojenú sieť mikrotrhlín a dutín, ktoré nakoniec umožňujú únik tekutiny.

Toto je obzvlášť nebezpečné pri prenášaní systémov:

• korozívne kvapaliny,
• stlačených plynov,
• horúce procesné prúdy,
• alebo nebezpečných chemikálií.

Komponent môže zostať rozmerovo dostatočne pevný, aby prešiel náhodnými vizuálnymi kontrolami, ale stále zlyhávajú ako tlaková hranica, pretože korózia vytvorila cestu pre únik pozdĺž hraníc zŕn.

Rýchle šírenie trhlín v strese

Akonáhle intergranulárny útok pokročil, akýkoľvek servisný stres môže urýchliť poškodenie.

Vibrácie, tepelná cyklistika, mechanický náraz, a zvyškové napätie pomáha otvárať už oslabené hranice zŕn.

To je dôvod, prečo je medzikryštalická korózia často spojená so sekundárnymi problémami s praskaním, ako je lom za namáhania.

Nebezpečenstvo nepredstavuje len samotná korózia, ale interakcia medzi koróziou a zaťažením.

Komponent môže prežiť v stave benígneho napätia, ale rýchlo zlyhá, keď je rovnaká mikroštruktúra poškodená koróziou vystavená skutočným prevádzkovým silám.

Znížená únava života

Komponenty vystavené opakovanému zaťaženiu sú obzvlášť zraniteľné, pretože napadnutie hraníc zŕn vytvára malé iniciátory trhlín.

Tieto miesta sústreďujú napätie a znižujú počet cyklov, ktoré môže materiál prežiť pred poruchou.

Nebezpečenstvo únavy je značné:

• rotujúce hriadele,
• cyklické tlakové nádoby,
• zvárané štruktúry,
• prameň,
• a časti stroja vystavené vibráciám.

V takýchto prípadoch, medzikryštalická korózia nielenže skracuje životnosť; môže úplne zmeniť spôsob zlyhania z predvídateľnej akumulácie únavy na predčasný zlom.

Strata ťažnosti a húževnatosti

Materiál, ktorý utrpel napadnutie na hraniciach zŕn, môže mať stále prijateľné nominálne chemické zloženie, ale jeho ťažnosť a húževnatosť môžu byť výrazne znížené.

Vďaka tomu je menej schopný absorbovať náraz, tepelné skreslenie, alebo lokálne preťaženie.

Toto je obzvlášť problematické po výrobe, opravné zváranie, alebo vystavenie teplu, pretože možno očakávať, že sa poškodená oblasť bude správať ako zvyšok komponentu.

V skutočnosti, koróziou zmenené hranice zŕn môžu vytvoriť mechanicky slabú zónu, ktorá sa správa veľmi odlišne od neovplyvneného základného kovu.

6. Kontrolné opatrenia

Zabránenie medzikryštalickej korózii nie je jednorazový problém.

Vyžaduje si kontrolu pri štyri úrovne naraz: zliatina, tepelná história, výrobná prax, a prostredie služieb.

Ak sa niektorý z nich zanedbá, podmienky na hranici zŕn sa môžu stať chemicky nestabilnými a materiál môže zostať zraniteľný, aj keď sa objemová zliatina javí ako zdravá.

Výber materiálu: Predchádzajte problémom vo fáze návrhu

Prvým a najúčinnejším kontrolným opatrením je výber zliatiny, ktorá je vo svojej podstate menej náchylná na napadnutie hraníc zŕn v zamýšľanom prostredí..

Ak je riziko senzibilizácie, používajte nízko uhlíkové triedy

Pre nehrdzavejúce ocele, nízkouhlíkových tried ako napr 304L, 316L, a podobné extra nízkouhlíkové varianty sa uprednostňujú, keď sa očakáva zváranie alebo vystavenie zvýšenej teplote.

Nižší uhlík znižuje množstvo karbidu, ktorý sa môže tvoriť na hraniciach zŕn, čo zase znižuje vyčerpanie chrómu a s tým spojené riziko korózie.

Pre náročný tepelný servis používajte stabilizované druhy

Stupne stabilizované s titán alebo niób, ako 321 a 347, sú navrhnuté tak, aby viazali uhlík na stabilnejšie karbidy predtým, ako sa chróm môže vyčerpať z matrice.

Vďaka tomu sú oveľa odolnejšie voči senzibilizácii ako nestabilizované druhy v mnohých zváraných alebo tepelne vystavených aplikáciách.

Vyberte zliatiny prispôsobené prostrediu

V agresívnom chloride, kyslý, alebo vysokoteplotný servis, môže byť lepšie úplne sa vzdialiť od náchylných rodín a zvoliť zliatiny so silnejšou stabilitou na hranici zŕn, ako sú duplexné nehrdzavejúce ocele alebo zliatiny odolné voči korózii na báze niklu.

Inými slovami, výber materiálu by nemal byť založený len na pevnosti základného kovu, ale aj na to, ako sa zliatina správa po výrobe a počas dlhodobej expozície.

Kontrola tepelného spracovania: Spravujte mikroštruktúru, Nielen Teplota

Tepelné spracovanie je jedným z najúčinnejších nástrojov na zabránenie medzikryštalickej korózii, pretože určuje, či sa tvoria a zostávajú na mieste škodlivé zrazeniny na hranici zŕn.

Žíhanie riešenia

Pre citlivé nehrdzavejúce ocele, žíhanie riešenia je štandardná nápravná a preventívna liečba.

Zliatina sa zahrieva do rozsahu roztoku, aby sa zrazeniny rozpustili späť do matrice, potom sa dostatočne rýchlo ochladí, aby sa zabránilo opätovnému vyzrážaniu počas citlivého teplotného rozsahu.

To obnovuje jednotnejšie zloženie a pomáha obnoviť odolnosť proti korózii.

Rýchle ochladenie po zahriatí

Rýchlosť chladenia je rovnako dôležitá ako maximálna teplota. Pomalé chladenie v rozsahu senzibilizácie umožňuje tvorbu karbidov na hranici zŕn alebo intermetalických fáz.

Rýchle chladenie, často kalením, keď je to vhodné pre zliatinu a geometriu dielu, pomáha zachovať stav ošetrený roztokom.

Tepelné spracovanie po zváraní

Na zvárané diely, tepelné spracovanie po zváraní môže byť potrebné na zníženie zvyškového napätia a obnovenie priaznivejšej mikroštruktúry v tepelne ovplyvnenej zóne.

Presný cyklus závisí od rodiny zliatin, hrúbka sekcie, a servisná požiadavka.

Cieľom nie je jednoducho „znova zohriať súčiastku,ale odstrániť chémiu na hraniciach zŕn, ktorá robí región zraniteľným.

Kontrola zvárania: Udržujte zónu ovplyvnenú teplom mimo problémov

Zváranie je jednou z najčastejších príčin medzikryštalickej korózie, pretože vytvára presne také tepelné podmienky, ktoré podporujú precipitáciu a senzibilizáciu na hraniciach zŕn.

Preto musí byť zváračská prax prísne kontrolovaná.

Udržujte príkon tepla čo najnižšie

Vysoký príkon tepla zväčšuje tepelne ovplyvnenú zónu a predlžuje čas, ktorý materiál strávi v kritickom teplotnom rozsahu, kde môže dôjsť k škodlivým zrážkam.

Nižší tepelný príkon pomáha zmenšiť šírku aj závažnosť senzibilizovanej oblasti.

Obmedzte opakované tepelné cyklovanie

Viacnásobné prechody cez tú istú oblasť môžu zintenzívniť senzibilizáciu a zväčšiť postihnutú zónu.

Postupy zvárania by mali minimalizovať zbytočné prehrievanie predtým zváraných oblastí.

Prídavné kovy vyberajte opatrne

Prídavný kov by mal byť kompatibilný so základnou zliatinou a nemal by spôsobiť zbytočnú nerovnováhu uhlíka alebo zloženia.

V citlivých nehrdzavejúcich oceliach, Často sú preferované nízkouhlíkové alebo stabilizované plniace systémy, aby sa zóna zvaru nestala slabým miestom.

Kontrolujte chladenie po zváraní

Rýchle chladenie pomáha oblasti zvaru rýchlo sa pohybovať cez nebezpečnú zónu, kde sa tvoria zrazeniny.

Spôsob chladenia je potrebné zvoliť opatrne, aby nespôsobil deformácie alebo praskliny, ale základný princíp zostáva rovnaký: nedovoľte, aby zóna ovplyvnená teplom zotrvala v rozsahu senzibilizácie.

Kontrola životného prostredia: Znížte hnaciu silu pre útok

Dokonca aj citlivá mikroštruktúra môže zostať prijateľná, ak je prevádzkové prostredie mierne.

Naopak, stredne silná zliatina môže v náročnom prostredí rýchlo zlyhať.

Preto je kontrola životného prostredia kritickou súčasťou prevencie medzikryštalickej korózie.

Znížte vystavenie agresívnym médiám

Obmedzte kontakt s kyselinami, chloridy, alebo iné žieravé druhy, kedykoľvek je to možné.

V procesných systémoch, to môže znamenať zmenu chémie, zníženie teploty, alebo zníženie efektov stagnácie a koncentrácie.

V prípade potreby kontrolujte kyslík a vlhkosť

Vo vodných systémoch, rozpustený kyslík a nepriaznivé elektrochemické podmienky môžu urýchliť korózne reakcie.

Deoxygenácia alebo kontrola chémie môže pomôcť znížiť hnaciu silu útoku v citlivých systémoch.

V prípade potreby použite nátery alebo obklady

Ochranné povlaky, polymérne obloženia, alebo vnútorné bariéry môžu izolovať zliatinu od korozívneho prostredia.

To je obzvlášť užitočné, keď základná zliatina musí byť zachovaná z mechanických dôvodov, ale prostredie je príliš agresívne pre holý kov.

Aplikujte katódovú ochranu vo vhodných systémoch

Pre niektoré štruktúry, katódová ochrana môže znížiť elektrochemický sklon ku korózii.

Toto nie je univerzálne riešenie, ale v správnom prostredí môže byť účinnou súčasťou väčšieho programu na kontrolu korózie.

Ošetrenie povrchom: Obnovte a chráňte pasívny stav

Stav povrchu komponentu silne ovplyvňuje jeho korózne vlastnosti, najmä po výrobe alebo zváraní.

Pasivácia

Pasivácia sa používa na čistenie povrchu a podporu stabilnejšieho pasívneho filmu. Pomáha odstraňovať voľné železo a iné nečistoty, ktoré môžu narušiť odolnosť proti korózii.

Uvarenie

Morenie odstraňuje oxidové usadeniny, tepelný odtieň, a iné povrchové nečistoty, najmä po zváraní alebo tepelnej expozícii.

To je dôležité, pretože poškodený alebo kontaminovaný povrch sa môže stať východiskovým bodom pre lokalizované napadnutie, aj keď je vnútorná mikroštruktúra inak prijateľná..

Elektropooling

Elektroleštenie vyhladzuje povrch a môže zlepšiť rovnomernosť pasívneho filmu.

Znížením drsnosti a nerovností povrchu, môže tiež znížiť lokálne miesta, kde je pravdepodobnejšie, že začne korózia.

7. Testovacie metódy a aplikácie

Tieto štandardy sú užitočné, pretože medzikryštalická korózia je často neviditeľná, kým poškodenie nepokročilo.

ASTM A262 je teda praktická clona pre austenitické nehrdzavejúce materiály, ASTM A763 slúži feritickej rodine, a ASTM G108 poskytuje kvantitatívnu metriku senzibilizácie pre 304 a 304 l.

Používané spolu, umožňujú metalurgovi oddeliť „zjavne prijateľné“ od „skutočne odolné“.

8. Integrácia do systému riadenia integrity

Robustný systém riadenia integrity by mal zaobchádzať s medzikryštalickou koróziou ako s a problém kontroly životného cyklu, nie len problém testovania materiálu.

V praxi, to znamená kvalifikáciu zliatiny, kontrola postupu zvárania, záznamy o tepelnom spracovaní, periodická kontrola,

a spätná väzba analýzy zlyhania by mala byť prepojená, aby senzibilizácia nevstúpila znova do systému bez povšimnutia.

Toto je technický záver zo spôsobu ASTM A262, ASTM A763, a ASTM G108 sa používajú na skríning materiálov a kvantifikáciu senzibilizácie predtým, ako dôjde k poruche v poli.

Pre kritické vybavenie, najefektívnejším prístupom je spojiť výber materiálu, história výroby, a servisné prostredie do jednej riadiacej slučky.

Ak je časť nehrdzavejúca, otazka nie je len ci je nerez ale ci bol zvareny, ošetrený tepelne, a vyčistené spôsobom, ktorý zachováva pasivitu bohatú na chróm na hraniciach zŕn.

Ak ide o hliník alebo zliatinu niklu, otázka je, či sa štruktúra zrazeniny alebo segregácia na hranici zŕn dostala do korozívneho stavu.

Tento pohľad na úrovni systému je to, čo bráni tomu, aby sa IGC stalo skrytým mechanizmom obmedzujúcim život.

9. Záver

Medzikryštalická korózia je režim korózie na hranici zŕn riadený lokálnou chémiou, zrážky, oddelenie, a tepelnú históriu.

Je to nebezpečné, pretože môže odstrániť pevnosť a integritu, pričom povrch zostane klamlivo nedotknutý.

Mechanizmus je dobre známy v austenitických nehrdzavejúcich oceliach, ale vyskytuje sa aj vo feritických nehrdzavejúcich oceliach, duplexné nehrdzavejúce ocele, starnutím vytvrditeľné hliníkové zliatiny, a zliatiny na báze niklu, keď sa chémia na hranici zŕn stane nepriaznivou.

Praktická obrana je rovnako jasná: vyberte správnu zliatinu, kontrolovať prívod tepla a históriu chladenia, overiť správnou testovacou metódou ASTM, a zaobchádzať so zónou ovplyvnenou teplom ako s kritickým znakom kvality.

Medzikryštalická korózia nie je len problémom korózie; je to hutníctvo, výroba, a problém so spoľahlivosťou.

 

Časté otázky

Aký je rozdiel medzi medzikryštalickou koróziou a všeobecnou koróziou?

Všeobecná korózia napáda povrch viac-menej rovnomerne,

zatiaľ čo medzikryštalická korózia sleduje hranice zŕn a môže spôsobiť vážne vnútorné oslabenie s relatívne malou viditeľnou stratou povrchu.

Prečo sú nehrdzavejúce ocele tak často diskutované pri medzikryštalickej korózii?

Pretože veľa nehrdzavejúcich ocelí, najmä austenitické známky, môže byť senzibilizovaný, keď sa na hraniciach zŕn vytvoria karbidy chrómu a zanechajú za sebou zóny ochudobnené o chróm.

ASTM A262 existuje špeciálne na detekciu tejto náchylnosti.

Môže zváranie spôsobiť medzikryštalickú koróziu?

Áno. Zváranie môže vytvoriť tepelne ovplyvnenú zónu, ktorá trávi čas v rozsahu senzibilizácie, podporuje precipitáty alebo segregáciu,

a zanecháva tepelný odtieň alebo iné povrchové podmienky, ktoré znižujú odolnosť proti korózii.

Ako pomáhajú nízkouhlíkové nehrdzavejúce triedy?

Nižší uhlík znižuje hnaciu silu pre zrážanie karbidu chrómu,

a triedy ako 304L, 316L, 317L, 321, a 347 sa špecificky používajú na odolnosť voči senzibilizácii počas bežných zváracích operácií.