پروژه بررسی دو نوع خوردگی ، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولاد های زنگ نزن آستنیتی

چکیده

این تحفیق در دو بخش ، بخش اول به بررسی خوردگی بین دانه ای1 و دیگری به خوردگی توام با تنش2  در فولادهای زنگ نزن پرداخته شده است .اینکه پدیده حساس شدن چیست  و چه عواملی سبب حساس شدن فولاد می شوند مورد بررسی قرار گرفته است . همچنین به برخی از راههای عمومی پیشگیری از مستعد شدن فولادها برای خوردگی بین دانه ای اشاره شده است. در مورد خوردگی تنشی هم فاکتورهای اثر گذار در این پدیده آورده شده است . در پایان هربخش تحقیقات انجام گرفته در آن زمینه مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج آنها جمع بندی[1] شده است.

-مقدمه

فولاد های زنگ‌ نزن اوستنیتی به علت دارا بودن خواص مکانیکی مناسب و مقاومت عالی به خوردگی، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند. اگر چه حالت کارشده (Wrought) این فولادها، مقاوم به خوردگی است، اما حالت جوشکاری شده آن ممکن است مقاوم به خوردگی نباشد. سیکل حرارتی ناشی از جوشکاری و یا عملیات حرارتی تنش‌زدایی که بر فولاد اعمال می‌شود، ممکن است باعث رسوب فاز کاربید کروم در مرز دانه‌های فولاد، در منطقه متأثر از جوش بشود. نتیجه این فرایند، کاهش غلظت عنصر کروم در مناطق چسبیده به رسوبها است که ممکن است این اختلاف غلظت در ترکیب شیمیایی، باعث از دست رفتن مقاومت فولاد به خوردگی بشود و فولاد به نوعی خوردگی به نام "خوردگی بین دانه‌ای" حساس بشود. اگر فولاد تحت این شرایط، در محیط سرویس قرار بگیرد، مناطق حساس شده، خورده می‌شوند و در نهایت، قطعه دچار شکست ناشی از خوردگی خواهد شد.

طبق آمارهای موجود، سهم عمده‌ای از شکست قطعات در صنایع، شکست ناشی از خوردگی می‌باشد که قسمتی از آن نیز به خوردگی بین دانه‌ای مربوط می‌شود. در نتیجه، با توجه به اهمیت موضوع، هنگام انتخاب فولاد، باید از مقاومت به خوردگی بین دانه‌ای فولاد مورد نظر، بعد از اتمام پروسه‌های ساخت، اطمینان حاصل نمود.

خوردگی بین دانه‌ای، اولین بار حدود 75 سال پیش شناخته شد. از آن موقع به بعد، تحقیقات فراوانی به منظور شناخت بهتر این پدیده و روشهای جلوگیری از آن صورت گرفت. در طول این مدت، در عملیات تولید فولاد و روشهای جوشکاری آن، تغییرات قابل ملاحظه‌ای اتفاق افتاده است. با این همه، کماکان این سئوال مطرح است که هم اکنون نیز در استفاده از این فولادها، با پدیده خوردگی بین دانه‌ای روبرو می‌شویم یا خیر؟

نتیجه تحقیقات فراوان انجام شده در سالیان گذشته و یافته‌های محققان در زمینه مقابله با این پدیده در این گزارش آورده شده است. شرایط ترکیب شیمیایی، روشهای جوشکاری، عملیات حرارتی و شرایط محیطی که تحت آن خوردگی بین دانه‌ای می‌تواند اتفاق بیفتد، مشخص شده و روشهای جوشکاری برای حداقل کردن این پدیده، معرفی شده است.  

          قسمتی از این گزارش به پدیده Knife Line Attack و مکانیزم تشکیل و روش‌های جلوگیری از آن اختصاص دارد. Knife Line Attack  نیز نوعی خوردگی موضعی است که مکانیزم آن با مکانیزم خوردگی بین دانه‌ای تفاوت دارد و در فولادهای تثبیت شده اتفاق می‌‌افتد، ولی به علت شباهت به خوردگی بین دانه‌ای، در بعضی مراجع، نوعی از خوردگی بین دانه‌ای در نظر گرفته می‌شود.

1-1-   تعریف خوردگی

به تغییراتی که در نتیجه واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی مواد با محیط اطراف آنها ایجاد شده و باعث تخریب تدریجی قطعات می‌شود، خوردگی گفته می‌شود. خوردگی، یک واکنش نامطلوب است که سبب جدا شدن تدریجی اتمها از سطح قطعات و تخریب آنها می‌شود که در نهایت باعث شکست قطعه شده و خساراتی را بوجود می‌آورد ]1[.

سرعت فعل و انفعالات خوردگی به عواملی مانند درجه حرارت و غلظت محیط اثرکننده بستگی دارد. البته عوامل دیگری نیز مانند تنش مکانیکی (Stress) و فرسایش (Erosion) می‌تواند به خوردگی کمک کند ]1[.

پدیده خوردگی ، در اغلب فلزات و آلیاژهای آنها ظاهر می‌شود زیرا اغلب فلزات و آلیاژها تمایل به ایجاد ترکیباتی با اتمها یا مولکولهایی از محیط اطراف خود که تحت شرایط موجود از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است، دارند. فقط تعداد کمی از فلزات مانند طلا یا پلاتین، تحت شرایط معمولی پایدار هستند و تمایلی به ایجاد واکنش با محیط اطراف ندارند ]1[.

در ادامه این فصل به تشریح برخی از خوردگی‌های مرسوم پرداخته می‌شود.

1-2-  خوردگی الکتروشیمیایی

متداولترین نوع خوردگی، خوردگی الکتروشیمیایی است. این نوع خوردگی غالباً در محیط آبی که شامل یونهای نمک محلول است رخ می‌دهد. بنابراین آب حاوی یونها، از مایعات الکترولیتی محسوب می‌شود که محیط مناسبی برای انجام بیشترین واکنشهای خوردگی است. برای درک بهتر خوردگی الکتروشیمیایی، در ذیل، به تشریح واکنشهای الکتروشیمیایی پرداخته می‌شود ]1[.

موقعی که قطعه فلزی، در مایع الکترولیتی (مانند HCl) قرار گیرد، اتمهای فلز در اسید حل می‌شوند یا به عبارتی، توسط اسید خورده می‌شوند. بدین صورت اتمهای فلز طبق واکنش ، به صورت یون، از فلز جدا می‌شوند و داخل الکترولیت قرار می‌گیرند. به این ترتیب مدار الکتریکی در سیستم (بین فلز و الکترولیت) برقرار می‌شود. مطابق شکل 1-1 این سیستم دارای 4 جزء است:

1-

کاتد: الکترونها را می‌گیرد.

اتصال الکتریکی: به منظور جریان الکترونها از آند به سمت کاتد و ادامه واکنش بین آند و کاتد برقرار می‌شود.

الکترولیت مایع: که باید با آند و کاتد در تماس باشد. الکترولیت هادی بوده و مدارالکتریکی را کامل می‌کند. الکترولیت‌ها، وسیله حرکت یونهای فلزی را از سطح آند به سمت کاتد تأمین می‌کنند ]1[.

(نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

 بنابراین واکنشهای خوردگی الکتروشیمیایی، با واکنشهای اکسیداسیون که الکترونها را تولید می‌کند و واکنشهای احیاء که آنها را مصرف می‌کند، در ارتباط است. هر واکنش، یعنی واکنشهای اکسیداسیون و احیاء باید همزمان و با سرعت یکسان انجام شوند. واکنش زیر بصورت اکسیداسیون در آند انجام می‌گیرد به صورتی که فلز، یونیزه می‌شود :

 (1)                                     (به داخل فلز)   (به داخل الکترولیت) (در سطح فلز) برعکس، واکنش زیر که در آن فلز با گرفتن الکترون به صورت فلز اتمی آزاد می‌شود (واکنش احیاء)، واکنش کاتدی نامیده می‌شود :

(2)         (رسوب در سطح ‌خارجی‌ کاتد)  (الکترون ‌از فلز)  (یون ‌موجود در الکترولیت) 

تمایل فلزات برای خوردگی در محیط خورنده خاص متفاوت است. یکی از روشهایی که برای مقایسه تمایل فلزات برای شکل‌گیری یونهای فلز در محلولهای مایع به کار می‌رود، مقایسه پتانسیلهای اکسیداسیون یا احیای نیم پیل آنها با پتانسیل مربوط به نیم پیل یون هیدروژن به عنوان مبناست (الکترود هیدروژن استاندارد) ]1[.

1-3-  خوردگی یکنواخت و خوردگی موضعی

عنوان خوردگی موضعی، در مقایسه با خوردگی یکنواخت به کار می‌رود. خوردگی یکنواخت هنگامی اتفاق می‌افتد که شار یونهای فلزی از سطح و شار یون‌های کاتدی (روابط 1 و 2 در صفحه قبل) به سطح، در ابعاد اتمی، یکنواخت باشد. از  نقطه نظر عملی، خوردگی یکنواخت هنگامی اتفاق می‌افتد که سایتهای (sites) موضعی کاتدی و آندی، به اندازه کافی کوچک باشند و بطور یکنواخت توزیع شده باشند تا به شکست به واسطه موضعی شدن واکنش آندی منجر نشوند. در واقع، هر ناهمواری فیزیکی در سطح فلز، به تشکیل یک آند موضعی تمایل دارد مانند مرزدانه‌ها، عیوب کریستالی نظیر نابجائیها، پله‌های سطحی، فازهای متفاوت و سطح خشن ناشی از ماشینکاری، سنگ زدن، خراش و ... . همچنین صفحات کریستالی مختلف شبکه کریستالی از یک فلز، آرایش اتمی مختلف دارند و رفتار الکتروشیمیایی متفاوتی از خود نشان می‌دهند (مثلا" بعضی صفحات در محیط‌های آبی آندی‌تر می‌شوند). دانه‌های سطحی از یک فلز پلی کریستال ممکن است در معرض محیط خورنده، سرعت خوردگی متفاوتی از خود نشان دهند. اغلب اوقات این اختلاف در رفتار موضعی کوچک است و در مقیاس ماکروسکوپی خوردگی بصورت یکنواخت ظاهر می‌شود. در بعضی حالات، حمله خوردگی بسیار موضعی است و به شکست موضعی (localized failure) منجر می‌شود ]2[.

خوردگی موضعی ممکن است در اثر عوامل مختلفی اتفاق بیفتد. در مورد خوردگی مورد نظر ما، خوردگی موضعی در اثر تغییر در ترکیب شیمیایی اتفاق می‌افتدکه عبارتست از جدایش شیمیایی در نتیجه رسوب یک فاز از محلول جامدی که از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است. تعداد زیادی از آلیاژها هنگامی که در سرویس قرار می‌گیرند و وقتی که در سرعتهای بالا سرد شده باشند، رفتار مقاوم به خوردگی از خود نشان می‌دهند. مقاومت به خوردگی فقط برای ترکیبات آلیاژی بدست می‌آید که در دمای بالا محلول جامد کاملی تشکیل دهند و این محلول جامد در سرعتهای سرد کردن عملی، باقی بماند. اگر سرد شدن خیلی آرام باشد یا به دنبال کوئنچ کردن (سرد کردن سریع) دوباره آلیاژ را تا دمای نسبتا" بالا حرارت دهیم، یک یا چند فاز از محلول جامد رسوب می‌کنند و تغییرات موضعی در ترکیب شیمیایی به واسطه تشکیل رسوب ممکن است آلیاژ را به خوردگی موضعی حساس کند. بسته به نوع آلیاژ، زمان مورد نیاز برای رسوب، ممکن است از چند ثانیه تا چند ساعت باشد. زمانهای کم در جوشکاری و زمانهای بالا در تنش‌ زدایی اهمیت دارد ]2[.

 خوردگی‌های موضعی، بطور متداول در فولادهای زنگ‌نزن بویژه در فولادهای زنگ‌نزن اوستنیتی، اتفاق  می‌افتد. طبق آماری که از صنایع شیمیایی Dupont منتشر شده است، از 685 مورد شکست در خطوط لوله و تجهیزات این کارخانه در مدت 4 سال که بیشتر از90 درصد آنها از جنس فولاد زنگ‌نزن بوده‌اند، 2/55 درصد آن مربوط به خوردگی می‌باشد. همانطوریکه در جدول1-1 نشان داده شده است، قسمت عمده شکست‌های ناشی از خوردگی، به خوردگی‌های موضعی از نوع SCC، IGC، Pitting، Corrosion Fatigue و Crevice corrosion  ارتباط دارد. از این بین، حدود 6/5 درصد شکست‌ها نیز به خوردگی بین دانه‌ای مربوط می‌شود]3[.

1-4-  اثر جوشکاری بر خوردگی

اگر چه شکل کار شده (Wrought) یک فلز یا آلیاژ در یک محیط بخصوص، مقاوم به خوردگی است، ولی حالت جوشکاری شده آن ممکن است مقاوم به خوردگی نباشد. اگر چه مثالهای بسیاری وجود دارد که در آنها فلز جوش، مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به فلز پایه جوشکاری نشده نشان می‌دهد، در مواقعی نیز فلز جوش، مقاومت به خوردگی خود را از دست می‌دهد. شکست ناشی از خوردگی در جوش در حالتی که فلز پایه و فیلر به درستی انتخاب شوند و کدها و استانداردهای صنعتی هم رعایت شوند و جوش با نفوذ کامل و دارای شکل مناسب هم رسوب داده شود، می‌تواند اتفاق بیفتد]4[. بعضی اوقات مشکل است که بفهمیم چرا جوشها خورده می‌شوند، ولی بطور کلی یک یا چند مورد از فاکتورهای زیر ممکن است در خوردگی جوشها مؤثر باشند:

طراحی جوش

تکنیکهای تولید (Fabrication Technique)

عملیات جوشکاری (Welding Practice)

پاسهای جوشکاری (Welding Sequence)

رطوبت

ذرات معدنی و آلی

پوسته و فیلم اکسیدی

سرباره و Spatter جوش

ذوب یا نفوذ ناقص جوش

تخلخل

ترک ها (شیارها)

تنشهای پسماند بالا

انتخاب نادرست فیلر

پرداخت نهایی سطح (Final Surface Finish)

1-5-  پدیده‌های متالورژیکی ناشی از جوشکاری

سیکل گرم شدن و سرد شدن که در طول فرایند جوشکاری اتفاق می‌افتد، بر زیر ساختار و ترکیب سطح جوشها و فلز پایه مجاور تأثیر می‌گذارد. در نتیجه، ممکن است جوشهای بدون فیلر و جوشهایی که با فیلری که از نظر ترکیب شیمیایی با فلز پایه یکسان است ((match بوجود بیایند و به خاطر یک یا چند عامل از عوامل زیر، مقاومت به خوردگی کمتری نسبت به فلز پایه‌ای که به درستی آنیل شده است، داشته باشند]4[:

Micro Segregation

رسوب فازهای ثانویه

تشکیل نواحی مخلوط نشده (Unmixed zone)

تبلور مجدد و رشد در منطقه HAZ

تبخیر عناصر آلیاژی از حوضچه جوش مذاب

آلودگی های حوضچه جوش منجمد شونده

1-5-1- تغییرات فازی و جدایش

 بعضی اوقات لازم است که پس از عملیات جوشکاری، عملیات تنش‌زدایی بر روی مقاطع سنگین از جنس فولادهای زنگ‌نزن انجام شود و این عملیات معمولا" شامل نگه‌ داشتن قطعه در دمای 850 درجه سانتی‌گراد برای مدت چند ساعت می‌باشد. دماهای کاری برای فولادهای 18Cr-10Ni تا حدود 750 درجه سانتی‌گراد و برای grade های مقاوم در برابر حرارت (Heat Resisting) در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد می باشد. در این دماها و مخصوصا در محدوده 900-600 درجه سانتی‌گراد، استحاله فریت به فازهای σ وχ و رسوب کاربیدها، ممکن است اتفاق بیفتد]6[.

ترکیب شیمیایی فازهای σ وχ در فلز جوش فولاد 316 پس از عملیات حرارتی در دمای 850 درجه سانتی‌گراد، در جدول1-2 آمده است. تشکیل فازهای σ و χ با افزایش درصد مولیبدن و کروم، ترغیب می‌شود و به عنوان مثال، در یک نمونه فلز جوش از جنس فولاد 316، فریت از این عناصر غنی می‌باشد. جدول 1-3 ترکیب شیمیایی دو فلز جوش، یکی حاوی 6 درصد فریت و دیگری حاوی 18 درصد فریت را نشان می‌دهد. همانطوریکه ملاحظه می‌شود، جدایش مولیبدن در فریت، بسیار زیاد می‌باشد که این امر، تشکیل مقدار قابل توجهی فاز  σو χ را در فلز جوشی  که حاوی فریت بیشتری است، پس از عملیات حرارتی در دمای 850 درجه سانتی‌گراد، نتیجه می‌دهد]6