Интергрануларна корозија (ИГЦ): Механизам, Ризици, Контрола

Увођење

Интергрануларна корозија (ИГЦ), такође се назива интергрануларни напад (Ига), је локализовани облик корозије који напредује првенствено дуж граница зрна, а не кроз унутрашњост зрна.

У практичном смислу, метал може изгледати прихватљиво на површини док се испод њега развија уска мрежа напада, на крају смањујући снагу и изазивајући раздвајање, житни одред, или неуспех.

Границе зрна су инхерентно високоенергетски региони, али обично не постају проблем корозије осим ако их хемија легуре или термичка историја не чини хемијски другачијим од околне матрице.

1. Дефиниција интергрануларне корозије

Ригорозна дефиниција је јасна: интергрануларна корозија је корозија која се јавља на и уз границе зрна, са релативно малим нападом у унутрашњости зрна.

У најједноставнијој електрохемијској слици, област границе зрна постаје анодно место, а унутрашњост зрна делује као катода, па пут корозије прати граничну мрежу.

Тај гранични напад постаје посебно опасан када су границе зрна хемијски промењене падавинама или сегрегацијом.

За нерђајуће челике, АСТМ А262 идентификује подложност интергрануларном нападу у аустенитним класама помоћу више стандардизованих тестова,

и експлицитно повезује прихватљиво понашање нагризања оксалне киселине са слободом од осетљивости повезане са таложењем хром карбида.

2. Механизам формирања интергрануларне корозије

Централни механизам је промена хемије границе зрна.

Током сензибилизације или старења, легирајући елементи или нечистоће могу се таложити на границама зрна, или се заштитни елементи могу исцрпити из суседне матрице.

Једном када се то деси, гранични регион и околно зрно више не деле исти електрохемијски потенцијал, а граница постаје пожељно место за растварање.

У аустенитним нерђајућим челицима, класични механизам је таложење хром карбида на границама зрна.

Хром који се троши формирањем карбида оставља зону осиромашену хромом поред границе, и та осиромашена трака губи довољно отпорности на корозију да би била првенствено нападнута.

АСТМ А262 ово третира као стандардни проблем везан за сензибилизацију у аустенитним нерђајућим челицима, и АСТМ Г108 користи електрохемијску реактивацију да квантификује степен сензибилизације у типу 304 и 304Л.

За легуре алуминијума, механизам је различит у детаљима али сличан по структури: преципитати на граници зрна и суседне зоне без талога стварају локалне микрогалванске ћелије.

Преципитати, тхе ПФЗ, а матрица може завршити са различитим саставима и потенцијалима корозије, што чини границу зрна пожељним путем корозије.

Објављени радови о алуминијумским легурама које се очвршћавају старењем показују да је брзина гашења главна варијабла обраде јер утиче на граничну сегрегацију и величину/дистрибуцију преципитата на границама зрна.

3. Узроци ове врсте оштећења

Интергрануларна корозија обично не настаје из једног узрока. Развија се када се комбинује неколико услова:

• осетљива хемија легуре,
• термални циклус који омогућава преципитацију или сегрегацију на граници зрна,
• недовољна брзина хлађења или неодговарајућа топлотна обрада,
• и окружење које може да искористи ослабљени гранични регион.

Од нерђајућег челика, низак садржај угљеника помаже јер смањује расположиви угљеник за формирање хром карбида, и стабилизовани или екстра-нискоугљенични разреди су дизајнирани да издрже сензибилизацију током уобичајених операција заваривања.

АСТМ А262 посебно напомиње да су екстра-нискоугљеничне и стабилизоване класе као што је 304Л, 316Л, 317Л, 321, и 347 се тестирају након сензибилизирајућих топлотних третмана у опсегу где је највероватније таложење карбида.

У легурама алуминијума, важан узрок је комбинација сегрегације раствора, формирање талога, и развој ПФЗ око граница зрна током третмана раствором, гашење, и старење.

Гашење водом након третмана раствором може спречити подложност интергрануларној корозији у неким алуминијумским легурама које се стврдњавају старењем ограничавањем штетних граничних таложења и сегрегације.

У дуплекс нерђајућим челицима, дуготрајно старење може подстаћи промене фаза као што је раст у сигма фази, што повећава сензибилизацију и смањује потенцијал разградње.

Недавни радови на леан дуплек нерђајућем челику показују да старење на 700 ° Ц и 800 °Ц мења реакцију интергрануларне корозије кроз фазну еволуцију и понашање самоизлечења.

4. Материјали подложни интергрануларној корозији

5. Опасности од интергрануларне корозије

Интергрануларна корозија је опасна не зато што увек изгледа озбиљно, већ зато што се често развија на начин који је структурно скривено.

Метал може задржати изглед површине дуго времена док се његове границе зрна тихо слабе.

Једном када је гранична мрежа довољно нападнута, компонента може изгубити дуктилност, снага, непропусност притиска, и отпорност на замор много раније него што се очекивало.

То је оно што интергрануларну корозију чини посебно опасном у критичној опреми.

Губитак механичког интегритета

Најдиректнија опасност од интергрануларне корозије је постепени губитак носивости.

Зато што напад напредује дуж граница зрна, метал може претрпјети значајно смањење ефективног попречног пресјека и кохезије без показивања равномјерног стањивања типичног за општу корозију.

Ово је посебно озбиљно за компоненте које зависе од:

• затезна чврстоћа,
• отпорност на савијање,
• задржавање притиска,
• или способност цикличног оптерећења.

Део захваћен интергрануларном корозијом може и даље изгледати нетакнут током прегледа, па ипак, њена унутрашња мрежа граница зрна може већ бити озбиљно угрожена.

Када се материјал касније учитава, ослабљене границе се могу одвојити уз мало упозорења.

Изненадни и крхки квар

Интергрануларна корозија често претвара нормално дуктилни материјал у онај који се распада на много крхкији начин.

Једном када границе зрна изгубе кохезију, пукотине се могу брзо ширити дуж ослабљене мреже.

Резултат је често површина лома која изгледа грануларно или интеркристално, а не глатко дуктилно.

Ова опасност је важна јер смањује маргину за упозорење. Уместо споро, видљиво стањивање зидова, компонента може отказати након само скромног додатног оптерећења или вибрација.

У пракси, ово чини интергрануларну корозију једним од опаснијих локализованих начина корозије у смислу неочекиваног квара.

Формирање цурења и квар на граници притиска

За цеви, резервоари, Измењивачи топлоте, Тела вентила, и заварене опреме под притиском, главна брига често није само губитак снаге већ и губитак затегнутости.

Интергрануларна корозија може створити гранично повезану мрежу микропукотина и шупљина које на крају дозвољавају цурење течности.

Ово је посебно опасно код ношења система:

• корозивне течности,
• гасови под притиском,
• токови врућег процеса,
• или опасне хемикалије.

Компонента може остати довољно здрава да прође повремене визуелне провере, али и даље не функционише као граница притиска јер је корозија створила пут за цурење дуж граница зрна.

Брзо ширење прслине под напрезањем

Када интергрануларни напад напредује, сваки стрес у служби може убрзати оштећење.

Вибрације, Термални бициклизам, механички удар, и резидуални стрес сви помажу да се отворе већ ослабљене границе зрна.

Због тога је интергрануларна корозија често упарена са секундарним проблемима пуцања, као што је лом изазван стресом.

Опасност није само сама корозија, али интеракција између корозије и оптерећења.

Компонента може преживјети у стању бенигног напрезања, али брзо отказати када је иста микроструктура оштећена корозијом изложена стварним радним силама.

Смањен животни век умора

Компоненте изложене сталном оптерећењу су посебно рањиве јер напад на границу зрна ствара мале иницијаторе пукотина.

Ова места концентришу стрес и смањују број циклуса које материјал може да преживи пре квара.

Опасност од умора је значајна у:

• ротирајућим вратилима,
• цикличне посуде под притиском,
• Заварене структуре,
• опруга,
• и делови машина изложени вибрацијама.

У таквим случајевима, интергрануларна корозија не само да скраћује животни век; може у потпуности променити режим отказа од предвидљивог нагомилавања замора до прераног лома.

Губитак дуктилности и жилавости

Материјал који је претрпео напад на границу зрна може и даље имати прихватљиву номиналну хемију, али се његова дуктилност и жилавост могу нагло смањити.

То га чини мање способним да апсорбује удар, термичка дисторзија, или локално преоптерећење.

Ово је посебно проблематично након израде, ремонтно заваривање, или излагање топлоти, јер се може очекивати да се оштећени регион понаша као остатак компоненте.

У стварности, корозијом измењене границе зрна могу створити механички слабу зону која се понаша веома различито од нетакнутог основног метала.

6. Контролне мере

Спречавање интергрануларне корозије није проблем само једне акције.

Захтева контролу на четири нивоа одједном: Избор легуре, термичка историја, фабричка пракса, и сервисно окружење.

Ако се било шта од овога занемари, стање на граници зрна може постати хемијски нестабилно и материјал може остати рањив чак и када легура изгледа здрава.

Избор материјала: Спречите проблем у фази пројектовања

Прва и најефикаснија контролна мера је одабир легуре која је инхерентно мање подложна нападима граница зрна у предвиђеном окружењу.

Користите нискоугљеничне разреде тамо где постоји ризик од сензибилизације

За нерђајуће челике, нискоугљеничне класе као нпр 304Л, 316Л, и сличне варијанте са екстра ниским садржајем угљеника су пожељни када се очекује заваривање или изложеност повишеној температури.

Нижи угљеник смањује количину карбида који се може формирати на границама зрна, што заузврат смањује исцрпљивање хрома и повезан ризик од корозије.

Користите стабилизоване класе за захтевне термичке услуге

Оцене стабилизоване са титанијум или ниобијум, као што је 321 и 347, дизајнирани су да вежу угљеник у стабилније карбиде пре него што се хром може исцрпити из матрице.

Ово их чини далеко отпорнијим на сензибилизацију од нестабилизованих типова у многим завареним или топлотним апликацијама.

Изаберите легуре које одговарају околини

У агресивном хлориду, киселина, или услуге високе температуре, можда би било боље да се потпуно удаљите од осетљивих породица и изаберете легуре са јачом стабилношћу границе зрна, као што су дуплекс нерђајући челици или легуре отпорне на корозију на бази никла.

Другим речима, избор материјала треба да се заснива не само на чврстоћи основног метала, али и на то како се легура понаша након израде и током дуготрајног излагања.

Контрола топлотне обраде: Управљајте микроструктуром, Не само температура

Топлотна обрада је један од најмоћнијих алата за спречавање интергрануларне корозије јер одређује да ли се штетни преципитати на граници зрна формирају и остају на месту.

Решење жарења

За осетљиве нерђајуће челике, Решење жарења је стандардни корективни и превентивни третман.

Легура се загрева у опсегу раствора тако да се преципитати растварају назад у матрицу, затим охлађен довољно брзо да спречи поновно таложење током осетљивог температурног опсега.

Ово враћа уједначенији састав и помаже у обнављању отпорности на корозију.

Брзо хлађење након загревања

Брзина хлађења је једнако важна као и вршна температура. Споро хлађење кроз опсег сензибилизације омогућава формирање карбида на граници зрна или интерметалних фаза.

Брзо хлађење, често гашењем када одговара легури и геометрији дела, помаже у очувању стања третираног раствором.

Пост-заваривање топлоте

За заварене делове, Топлотна обрада након заваривања може бити потребна да би се смањио преостали напон и обновила повољнија микроструктура у зони погођеној топлотом.

Тачан циклус зависи од породице легура, дебљина секције, и захтев за услугу.

Циљ није једноставно „поново загрејати део,” али да се елиминише хемија граница зрна која чини регион рањивим.

Контрола заваривања: Чувајте зону погођену топлотом ван невоља

Заваривање је један од најчешћих узрока интергрануларне корозије јер ствара управо оне термичке услове који подстичу преципитацију и сензибилизацију на граници зрна..

Због тога се пракса заваривања мора строго контролисати.

Држите унос топлоте што је могуће мањим

Висок унос топлоте повећава зону погођену топлотом и повећава време које материјал проводи у критичном температурном опсегу где може доћи до штетних падавина.

Мањи унос топлоте помаже да се смањи и ширина и озбиљност осетљивог региона.

Ограничите поновљене термичке циклусе

Вишеструки пролази преко истог региона могу појачати сензибилизацију и повећати захваћену зону.

Поступци заваривања треба да минимизирају непотребно поновно загревање претходно заварених подручја.

Пажљиво бирајте метале за пуњење

Метал за пуњење треба да буде компатибилан са основном легуром и не би требало да доводи до непотребне неравнотеже угљеника или састава.

У осетљивим нерђајућим челицима, нискоугљенични или стабилизовани системи пунила су често пожељни тако да зона завара не постане слаба тачка.

Контролишите хлађење након заваривања

Брзо хлађење помаже да се област заваривања брзо креће кроз опасну зону где се формирају преципитати.

Метода хлађења мора бити пажљиво одабрана како не би изазвала изобличење или пуцање, али основни принцип остаје исти: не дозволите да се зона погођена топлотом задржи у опсегу сензибилизације.

Контрола заштите животне средине: Смањите погонску снагу за напад

Чак и осетљива микроструктура може остати прихватљива ако је услужно окружење благо.

Обрнуто, умерена легура може брзо да пропадне у тешким условима.

Због тога је контрола животне средине критични део превенције интергрануларне корозије.

Смањите изложеност агресивним медијима

Ограничите контакт са киселинама, хлориди, или друге корозивне врсте кад год је то могуће.

У процесним системима, ово може значити промену хемије, снижавање температуре, или смањење ефеката стагнације и концентрације.

Контролишите кисеоник и влагу где је релевантно

У воденим системима, растворени кисеоник и неповољни електрохемијски услови могу убрзати реакције корозије.

Деоксигенација или контрола хемије могу помоћи у смањењу покретачке силе за напад у осетљивим системима.

Користите премазе или облоге када је то прикладно

Заштитни премази, Полимерне облоге, или унутрашње баријере могу изоловати легуру од корозивне средине.

Ово је посебно корисно када се основна легура мора задржати из механичких разлога, али је окружење превише агресивно за голи метал.

Примените катодну заштиту у одговарајућим системима

За неке структуре, катодна заштита може смањити електрохемијску склоност ка корозији.

Ово није универзално решење, али у правом окружењу може бити ефикасан део већег програма за контролу корозије.

Површински третман: Вратите и заштитите пасивно стање

Стање површине компоненте снажно утиче на њен учинак корозије, посебно након израде или заваривања.

Пасивација

Пасивација се користи за чишћење површине и промовисање стабилнијег пасивног филма. Помаже у уклањању слободног гвожђа и других загађивача који могу ометати отпорност на корозију.

Кисело

Кисељење уклања оксидни каменац, топлотна нијанса, и других површинских загађивача, посебно након заваривања или термичког излагања.

Ово је важно јер оштећена или контаминирана површина може постати полазна тачка за локализовани напад чак и када је унутрашња микроструктура иначе прихватљива.

Електрополирање

Електрополирање изглађује површину и може побољшати униформност пасивног филма.

Смањењем храпавости и неравнина површине, такође може смањити локална места где је већа вероватноћа да ће корозија започети.

7. Методе испитивања и примене

Ови стандарди су корисни јер је интергрануларна корозија често невидљива све док оштећење није добро узнапредовало.

АСТМ А262 је стога практичан екран за аустенитне нерђајуће материјале, АСТМ А763 служи феритној породици, а АСТМ Г108 даје квантитативну метрику сензибилизације за 304 и 304Л.

Користи се заједно, омогућавају металургу да одвоји „наизглед прихватљиво“ од „стварно отпорног“.

8. Интеграција у систем управљања интегритетом

Робустан систем управљања интегритетом треба да третира интергрануларну корозију као а проблем контроле животног циклуса, не само проблем испитивања материјала.

У пракси, то значи квалификација легуре, контрола поступка заваривања, записи о термичкој обради, периодични преглед,

и повратне информације анализе неуспеха треба да буду повезане заједно како сензибилизација не би поново ушла у систем непримећено.

Ово је инжењерски закључак из начина АСТМ А262, АСТМ А763, и АСТМ Г108 се користе за скрининг материјала и квантификацију сензибилизације пре него што дође до квара на терену.

За критичну опрему, најефикаснији приступ је повезивање селекције материјала, историја израде, и услужно окружење у једну контролну петљу.

Ако је део нерђајући, питање није само да ли је нерђајући него да ли је заварен, топлота третирана, и очишћени на начин који је сачувао пасивност богату хромом на границама зрна.

Ако је у питању алуминијум или легура никла, питање је да ли је структура талога или сегрегација на граници зрна гурнута у корозивно стање.

Тај поглед на нивоу система је оно што спречава ИГЦ да постане скривени механизам који ограничава живот.

9. Закључак

Интергрануларна корозија је начин корозије на граници зрна вођен локалном хемијом, падавина, сегрегација, и термалну историју.

Опасно је јер може уклонити снагу и интегритет, остављајући површину варљиво нетакнутом.

Механизам је добро схваћен у аустенитним нерђајућим челицима, али се појављује и у феритним нерђајућим челицима, Дуплек нехрђајући челик, легуре алуминијума које се стврдњавају старењем, и легуре на бази никла када хемија граница зрна постане неповољна.

Практична одбрана је подједнако јасна: изаберите праву легуру, контролисати унос топлоте и историју хлађења, потврдити исправним АСТМ методом испитивања, и третирати зону погођену топлотом као критичну особину квалитета.

Интергрануларна корозија није само проблем корозије; то је металургија, измишљотина, и проблем поузданости.

 

Често постављана питања

Која је разлика између интергрануларне корозије и опште корозије?

Општа корозија више или мање равномерно напада површину,

док интергрануларна корозија прати границе зрна и може изазвати озбиљно унутрашње слабљење са релативно малим видљивим губитком површине.

Зашто се нерђајући челици тако често расправљају у интергрануларној корозији?

Јер многи нерђајући челици, Посебно аустенитски разреде, може постати сензибилизирана када се хром карбиди формирају на границама зрна и остављају зоне осиромашене хромом иза себе.

АСТМ А262 постоји посебно за откривање ове осетљивости.

Може ли заваривање изазвати интергрануларну корозију?

Да. Заваривање може створити зону под утицајем топлоте која проводи време у опсегу сензибилизације, промовише преципитате или сегрегацију,

и оставља топлотну нијансу или друге услове површине који смањују отпорност на корозију.

Како помажу нискоугљеничне нерђајуће класе?

Нижи угљеник смањује покретачку силу за таложење хром карбида,

и класе као што је 304Л, 316Л, 317Л, 321, и 347 се посебно користе за отпорност на преосетљивост током обичних операција заваривања.