بررسی دو نوع خوردگی خوردگی بین دانه و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی

موضوع : بررسی دو نوع خوردگی خوردگی بین دانه و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی

توضیح: این فایل به صورت ورد و آماده ی چاپ می باشد

چکيده

اين تحفيق در دو بخش ، بخش اول به بررسي خوردگی بين دانه ای1 و ديگری به خوردگی توام با تنش2  در فولادهای زنگ نزن پرداخته شده است .اينکه پديده حساس شدن چيست  و چه عواملی سبب حساس شدن فولاد می شوند مورد بررسی قرار گرفته است . همچنين به برخی از راههای عمومی پيشگيری از مستعد شدن فولادها برای خوردگی بين دانه ای اشاره شده است. در مورد خوردگی تنشی هم فاکتورهای اثر گذار در اين پديده آورده شده است . در پايان هربخش تحقيقات انجام گرفته در آن زمينه مورد مطالعه قرار گرفته و نتايج آنها جمع بندی  شده است.

1-مقدمه

فولادهاي زنگ‌نزن اوستنيتي به علت دارا بودن خواص مكانيكي مناسب و مقاومت عالي به خوردگي، كاربردهاي فراواني در صنايع مختلف دارند. اگر چه حالت كارشده (Wrought) اين فولادها، مقاوم به خوردگي است، اما حالت جوشكاري شده آن ممكن است مقاوم به خوردگي نباشد. سيكل حرارتي ناشي از جوشكاري و يا عمليات حرارتي تنش‌زدايي كه بر فولاد اعمال مي‌شود، ممكن است باعث رسوب فاز كاربيد كروم در مرز دانه‌هاي فولاد، در منطقه متأثر از جوش بشود. نتيجه اين فرايند، كاهش غلظت عنصر كروم در مناطق چسبيده به رسوبها است كه ممكن است اين اختلاف غلظت در تركيب شيميايي، باعث از دست رفتن مقاومت فولاد به خوردگي بشود و فولاد به نوعي خوردگي به نام "خوردگي بين دانه‌اي" حساس بشود. اگر فولاد تحت اين شرايط، در محيط سرويس قرار بگيرد، مناطق حساس شده، خورده مي‌شوند و در نهايت، قطعه دچار شكست ناشي از خوردگي خواهد شد.
طبق آمارهاي موجود، سهم عمده‌اي از شكست قطعات در صنايع، شكست ناشي از خوردگي مي‌باشد كه قسمتي از آن نيز به خوردگي بين دانه‌اي مربوط مي‌شود. در نتيجه، با توجه به اهميت موضوع، هنگام انتخاب فولاد، بايد از مقاومت به خوردگي بين دانه‌اي فولاد مورد نظر، بعد از اتمام پروسه‌هاي ساخت، اطمينان حاصل نمود.
خوردگي بين دانه‌اي، اولين بار حدود 75 سال پيش شناخته شد. از آن موقع به بعد، تحقيقات فراواني به منظور شناخت بهتر اين پديده و روشهاي جلوگيري از آن صورت گرفت. در طول اين مدت، در عمليات توليد فولاد و روشهاي جوشكاري آن، تغييرات قابل ملاحظه‌اي اتفاق افتاده است. با اين همه، كماكان اين سئوال مطرح است كه هم اكنون نيز در استفاده از اين فولادها، با پديده خوردگي بين دانه‌اي روبرو مي‌شويم يا خير؟
نتيجه تحقيقات فراوان انجام شده در ساليان گذشته و يافته‌هاي محققان در زمينه مقابله با اين پديده در اين گزارش آورده شده است. شرايط تركيب شيميايي، روشهاي جوشكاري، عمليات حرارتي و شرايط محيطي كه تحت آن خوردگي بين دانه‌اي مي‌تواند اتفاق بيفتد، مشخص شده و روشهاي جوشكاري براي حداقل كردن اين پديده، معرفي شده است. 
          قسمتي از اين گزارش به پديده Knife Line Attack و مكانيزم تشكيل و روش‌هاي جلوگيري از آن اختصاص دارد. Knife Line Attack  نيز نوعي خوردگي موضعي است كه مكانيزم آن با مكانيزم خوردگي بين دانه‌اي تفاوت دارد و در فولادهاي تثبيت شده اتفاق مي‌‌افتد، ولي به علت شباهت به خوردگي بين دانه‌اي، در بعضي مراجع، نوعي از خوردگي بين دانه‌اي در نظر گرفته مي‌شود.

1-1-     تعريف خوردگي

به تغييراتي كه در نتيجة واكنش‌هاي شيميايي يا الكتروشيميايي مواد با محيط اطراف آنها ايجاد شده و باعث تخريب تدريجي قطعات مي‌شود، خوردگي گفته مي‌شود. خوردگي، يك واكنش نامطلوب است كه سبب جدا شدن تدريجي اتمها از سطح قطعات و تخريب آنها مي‌شود كه در نهايت باعث شكست قطعه شده و خساراتي را بوجود مي‌آورد ]1[.
سرعت فعل و انفعالات خوردگي به عواملي مانند درجه حرارت و غلظت محيط اثركننده بستگي دارد. البته عوامل ديگري نيز مانند تنش مكانيكي (Stress) و فرسايش (Erosion) مي‌تواند به خوردگي كمك كند ]1[.
پديده خوردگي، در اغلب فلزات و آلياژهاي آنها ظاهر مي‌شود زيرا اغلب فلزات و آلياژها تمايل به ايجاد تركيباتي با اتمها يا مولكولهايي از محيط اطراف خود كه تحت شرايط موجود از لحاظ ترموديناميكي پايدار است، دارند. فقط تعداد كمي از فلزات مانند طلا يا پلاتين، تحت شرايط معمولي پايدار هستند و تمايلي به ايجاد واكنش با محيط اطراف ندارند ]1[.
در ادامه اين فصل به تشريح برخي از خوردگي‌هاي مرسوم پرداخته مي‌شود.

1-2-    خوردگي الكتروشيميايي

متداولترين نوع خوردگي، خوردگي الكتروشيميايي است. اين نوع خوردگي غالباً در محيط آبي كه شامل يونهاي نمك محلول است رخ مي‌دهد. بنابراين آب حاوي يونها، از مايعات الكتروليتي محسوب مي‌شود كه محيط مناسبي براي انجام بيشترين واكنشهاي خوردگي است. براي درك بهتر خوردگي الكتروشيميايي، در ذيل، به تشريح واكنشهاي الكتروشيميايي پرداخته مي‌شود ]1[.
موقعي كه قطعة فلزي، در مايع الكتروليتي (مانند HCl) قرار گيرد، اتمهاي فلز در اسيد حل مي‌شوند يا به عبارتي، توسط اسيد خورده مي‌شوند. بدين صورت اتمهاي فلز طبق واكنش  ، به صورت يون، از فلز جدا مي‌شوند و داخل الكتروليت قرار مي‌گيرند. به اين ترتيب مدار الكتريكي در سيستم (بين فلز و الكتروليت) برقرار مي‌شود. مطابق شكل 1-1 اين سيستم داراي 4 جزء است:
1-    آند: الكترونها را به مدار داده و يونهاي فلزي از آن جدا مي‌شوند و آند زنگ مي‌زند.
2-    كاتد: الكترونها را مي‌گيرد.
3-    اتصال الكتريكي: به منظور جريان الكترونها از آند به سمت كاتد و ادامه واكنش بين آند و كاتد برقرار مي‌شود.
4-    الكتروليت مايع: كه بايد با آند و كاتد در تماس باشد. الكتروليت هادي بوده و مدارالكتريكي را كامل مي‌كند. الكتروليت‌ها، وسيلة حركت يونهاي فلزي را از سطح آند به سمت كاتد تأمين مي‌كنند ]1[.

 بنابراين واكنشهاي خوردگي الكتروشيميايي، با واكنشهاي اكسيداسيون كه الكترونها را توليد مي‌كند و واكنشهاي احياء كه آنها را مصرف مي‌كند، در ارتباط است. هر واكنش، يعني واكنشهاي اكسيداسيون و احياء بايد همزمان و با سرعت يكسان انجام شوند. واكنش زير بصورت اكسيداسيون در آند انجام مي‌گيرد به صورتي كه فلز، يونيزه مي‌شود :
 (1)                                     (به داخل فلز)    (به داخل الكتروليت)  (در سطح فلز)  برعكس، واكنش زير كه در آن فلز با گرفتن الكترون به صورت فلز اتمي آزاد مي‌شود (واكنش احياء)، واكنش كاتدي ناميده مي‌شود :
(2)         (رسوب در سطح ‌خارجي‌ كاتد)   (الكترون ‌از فلز)   (يون ‌موجود در الكتروليت) 
تمايل فلزات براي خوردگي در محيط خورندة خاص متفاوت است. يكي از روشهايي كه براي مقايسه تمايل فلزات براي شكل‌گيري يونهاي فلز در محلولهاي مايع به كار مي‌رود، مقايسه پتانسيلهاي اكسيداسيون يا احياي نيم پيل آنها با پتانسيل مربوط به نيم پيل يون هيدروژن به عنوان مبناست (الكترود هيدروژن استاندارد) ]1[.


1-3-    خوردگي يكنواخت و خوردگي موضعي

عنوان خوردگي موضعي، در مقايسه با خوردگي يكنواخت به كار مي‌رود. خوردگي يكنواخت هنگامي اتفاق مي‌افتد كه شار يونهاي فلزي از سطح و شار يون‌هاي كاتدي (روابط 1 و 2 در صفحه قبل) به سطح، در ابعاد اتمي، يكنواخت باشد. از  نقطه نظر عملي، خوردگي يكنواخت هنگامي اتفاق مي‌افتد كه سايتهاي (sites) موضعي كاتدي و آندي، به اندازه كافي كوچك باشند و بطور يكنواخت توزيع شده باشند تا به شكست به واسطه موضعي شدن واكنش آندي منجر نشوند. در واقع، هر ناهمواري فيزيكي در سطح فلز، به تشكيل يك آند موضعي تمايل دارد مانند مرزدانه‌ها، عيوب كريستالي نظير نابجائيها، پله‌هاي سطحي، فازهاي متفاوت و سطح خشن ناشي از ماشينكاري، سنگ زدن، خراش و ... . همچنين صفحات كريستالي مختلف شبكه كريستالي از يك فلز، آرايش اتمي مختلف دارند و رفتار الكتروشيميايي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند (مثلا" بعضي صفحات در محيط‌هاي آبي آندي‌تر مي‌شوند). دانه‌هاي سطحي از يك فلز پلي كريستال ممكن است در معرض محيط خورنده، سرعت خوردگي متفاوتي از خود نشان دهند. اغلب اوقات اين اختلاف در رفتار موضعي كوچك است و در مقياس ماكروسكوپي خوردگي بصورت يكنواخت ظاهر مي‌شود. در بعضي حالات، حمله خوردگي بسيار موضعي است و به شكست موضعي (localized failure) منجر مي‌شود ]2[.
خوردگي موضعي ممكن است در اثر عوامل مختلفي اتفاق بيفتد. در مورد خوردگي مورد نظر ما، خوردگي موضعي در اثر تغيير در تركيب شيميايي اتفاق مي‌افتدكه عبارتست از جدايش شيميايي در نتيجه رسوب يك فاز از محلول جامدي كه از نظر ترموديناميكي ناپايدار است. تعداد زيادي از آلياژها هنگامي كه در سرويس قرار مي‌گيرند و وقتي كه در سرعتهاي بالا سرد شده باشند، رفتار مقاوم به خوردگي از خود نشان مي‌دهند. مقاومت به خوردگي فقط براي تركيبات آلياژي بدست مي‌آيد كه در دماي بالا محلول جامد كاملي تشكيل دهند و اين محلول جامد در سرعتهاي سرد كردن عملي، باقي بماند. اگر سرد شدن خيلي آرام باشد يا به دنبال كوئنچ كردن (سرد كردن سريع) دوباره آلياژ را تا دماي نسبتا" بالا حرارت دهيم، يك يا چند فاز از محلول جامد رسوب مي‌كنند و تغييرات موضعي در تركيب شيميايي به واسطه تشكيل رسوب ممكن است آلياژ را به خوردگي موضعي حساس كند. بسته به نوع آلياژ، زمان مورد نياز براي رسوب، ممكن است از چند ثانيه تا چند ساعت باشد. زمانهاي كم در جوشكاري و زمانهاي بالا در تنش‌زدايي اهميت دارد ]2[.
 خوردگي‌هاي موضعي، بطور متداول در فولادهاي زنگ‌نزن بويژه در فولادهاي زنگ‌نزن اوستنيتي، اتفاق  مي‌افتد. طبق آماري كه از صنايع شيميايي Dupont منتشر شده است، از 685 مورد شكست در خطوط لوله و تجهيزات اين كارخانه در مدت 4 سال كه بيشتر از90 درصد آنها از جنس فولاد زنگ‌نزن بوده‌اند، 2/55 درصد آن مربوط به خوردگي مي‌باشد. همانطوريكه در جدول1-1 نشان داده شده است، قسمت عمده شكست‌هاي ناشي از خوردگي، به خوردگي‌هاي موضعي از نوع SCC، IGC، Pitting، Corrosion Fatigue و Crevice corrosion  ارتباط دارد. از اين بين، حدود 6/5 درصد شكست‌ها نيز به خوردگي بين دانه‌اي مربوط مي‌شود]3[.
 

1-4-    اثر جوشكاري بر خوردگي

اگر چه شكل كار شده (Wrought) يك فلز يا آلياژ در يك محيط بخصوص، مقاوم به خوردگي است، ولي حالت جوشكاري شده آن ممكن است مقاوم به خوردگي نباشد. اگر چه مثالهاي بسياري وجود دارد كه در آنها فلز جوش، مقاومت به خوردگي بهتري نسبت به فلز پايه جوشكاري نشده نشان مي‌دهد، در مواقعي نيز فلز جوش، مقاومت به خوردگي خود را از دست مي‌دهد. شكست ناشي از خوردگي در جوش در حالتي كه فلز پايه و فيلر به درستي انتخاب شوند و كدها و استانداردهاي صنعتي هم رعايت شوند و جوش با نفوذ كامل و داراي شكل مناسب هم رسوب داده شود، مي‌تواند اتفاق بيفتد]4[. بعضي اوقات مشكل است كه بفهميم چرا جوشها خورده مي‌شوند، ولي بطور كلي يك يا چند مورد از فاكتورهاي زير ممكن است در خوردگي جوشها مؤثر باشند:
طراحي جوش
تكنيكهاي توليد (Fabrication Technique)
عمليات جوشكاري (Welding Practice)
پاسهاي جوشكاري (Welding Sequence)
رطوبت
ذرات معدني و آلي
پوسته و فيلم اكسيدي
سرباره و Spatter جوش
ذوب يا نفوذ ناقص جوش
تخلخل
ترك ها (شيارها)
تنشهاي پسماند بالا
انتخاب نادرست فيلر
پرداخت نهايي سطح (Final Surface Finish)

1-5-    پديده‌هاي متالورژيكي ناشي از جوشكاري

سيكل گرم شدن و سرد شدن كه در طول فرايند جوشكاري اتفاق مي‌افتد، بر زير ساختار و تركيب سطح جوشها و فلز پايه مجاور تأثير مي‌گذارد. در نتيجه، ممكن است جوشهاي بدون فيلر و جوشهايي كه با فيلري كه از نظر تركيب شيميايي با فلز پايه يكسان است ((match بوجود بيايند و به خاطر يك يا چند عامل از عوامل زير، مقاومت به خوردگي كمتري نسبت به فلز پايه‌اي كه به درستي آنيل شده است، داشته باشند]4[:
Micro Segregation
رسوب فازهاي ثانويه
تشكيل نواحي مخلوط نشده (Unmixed zone)
تبلور مجدد و رشد در منطقة HAZ
تبخير عناصر آلياژي از حوضچه جوش مذاب
آلودگي هاي حوضچه جوش منجمد شونده

1-5-1- تغييرات فازي و جدايش

 بعضي اوقات لازم است كه پس از عمليات جوشكاري، عمليات تنش‌زدايي بر روي مقاطع سنگين از جنس فولادهاي زنگ‌نزن انجام شود و اين عمليات معمولا" شامل نگه‌ داشتن قطعه در دماي 850 درجه سانتي‌گراد براي مدت چند ساعت مي‌باشد. دماهاي كاري براي فولادهاي 18Cr-10Ni تا حدود 750 درجه سانتي‌گراد و براي grade هاي مقاوم در برابر حرارت (Heat Resisting) در حدود 1000 درجه سانتي‌گراد مي باشد. در اين دماها و مخصوصا در محدوده 900-600 درجه سانتي‌گراد، استحاله فريت به فازهاي σ وχ و رسوب كاربيدها، ممكن است اتفاق بيفتد]6[.
تركيب شيميايي فازهاي σ وχ در فلز جوش فولاد 316 پس از عمليات حرارتي در دماي 850 درجه سانتي‌گراد، در جدول1-2 آمده است. تشكيل فازهاي σ و χ با افزايش درصد موليبدن و كروم، ترغيب مي‌شود و به عنوان مثال، در يك نمونه فلز جوش از جنس فولاد 316، فريت از اين عناصر غني مي‌باشد. جدول 1-3 تركيب شيميايي دو فلز جوش، يكي حاوي 6 درصد فريت و ديگري حاوي 18 درصد فريت را نشان مي‌دهد. همانطوريكه ملاحظه مي‌شود، جدايش موليبدن در فريت، بسيار زياد مي‌باشد كه اين امر، تشكيل مقدار قابل توجهي فاز  σو χ را در فلز جوشي  كه حاوي فريت بيشتري است، پس از عمليات حرارتي در دماي 850 درجه سانتي‌گراد، نتيجه مي‌دهد]6[.

مطالعات نشان داده كه فلز جوشهاي كروم ـ نيكل اوستنيتي به  Microsegregationحساسند و اين حساسيت اولا" به دليل تشكيل دندريت و ثانيا" به خاطر تقسيم شدن عناصر حل شونده بين دو فاز فريت و اوستنيت و ثالثا" به خاطر رسوب كاربيد و تركيب‌هاي بين فلزي مي‌باشد. اگر اين اثر به اندازه كافي شديد باشد، باعث تهي شدن بعضي نواحي، از كروم و موليبدن مي‌شود تا حدي كه مقاومت به خوردگي آنها به مقدار زيادي كاهش مي‌يابد]6[.

همچنين، جدايش، پسيو بودن فلز جوش را تا حدي كاهش مي‌دهد كه نسبت به اطراف خود آندي مي‌شود، و اين امر باعث خوردگي ترجيحي فلز جوش مي‌شود. در شرايطي كه اين حمله امكان‌پذير است و براي آلياژهايي كه حاوي موليبدن هستند (به اندازه فولاد 316 )، اثر جدايش مي‌تواند با افزايش درصد موليبدن و كروم جبران شود و توليد‌كنندگان الكترودهاي پوشش‌دار، اين نكته را در نظر مي‌گيرند]6[.
 مسأله جدايش براي فولادهاي سوپر اوستيني بسيار شديدتر است. اين فولادها براي مقاومت در محيط‌هايي با خورندگي شديد به كار مي‌روند نظير محيط‌هايي كه حاوي يونهاي كلريد مي‌باشند. اين فولادها معمولآ حاوي حدود 6 درصد موليبدن مي‌باشند. درمورد اين فولادها، جبران كردن اثر جدايش با آلياژهاي پايه آهن امكان پذير نيست، بنابراين براي جوشكاري اين فولادها، از مواد مصرفي پايه نيكل استفاده مي‌شود. جدول 1-4 مقايسه تركيب شيميايي يك آلياژ با تركيب شيميايي نوك دندريت آن و تركيب شيميايي نواحي بين دندريتي، براي رسوب جوش حاصل از فولاد سوپر اوستيتي بدون استفاده از فيلر و با استفاده از فيلر پايه نيكل با دو تركيب شيميايي مختلف را نشان مي‌دهد]6[.


فهرست مطالب
عنوان    صفحه
چکيده    الف
فهرست    ب و ج
1-مقدمه    1
1-1- تعريف خوردگی    2
1-2- خوردگی الکترو شيميايی    3
1-3- خوردگی يکنواخت و موضعی    4
1-4- اثر جوشکاری بر خوردگی    6
1-5- پديده های متالورژيکی ناشی از جوشکاری    7
1-5-1- تغييرات فازی و جدايش    8
1-6- خوردگی بين دانه ای    10
1-7- خوردگی بين دانه ای فولادهای زنگ نزن اوستنيتی در اثر جوشکاری    12
1-8- عوامل موثر بر خوردگی بين دانه ای     17
1-8-1-  ترکيب شيميايی و ريز ساختار    18
1-8-2- تاريخچه حرارتی    26
1-8-3- تنش وتغيير شکل پلاستيک     29
1-8-4- اثر محيط    30
2- روشها و پارامترهای جوشکاری به منظور اجتناب از خوردگی بين دانه ای    37
2-1- دامنه کاربرد روشهای جوشکاری پيشنهادی    37
2-2- اثر فرآيند جوشکاری وشرايط جوشکاری در وقوع حساسيت    38
2-3- رابطه بين انرژی جوش حساس کننده وحساسيت به خوردگی بين دانه ای    42
3-جنبه های متالورژيکی Knife Line Attack  در فولادهای زنگ نزن تثبيت شده    45
3-1- خوردگی KLA در فولادهای زنگ نزن تثبيت شده    45
3-2- خصوصيات KLA    46
3-3- آناليز دلايل KLA    49
3-4- KLA در اتصالات جوشکاری شده در فولادهای زنگ نزن    59
4- خوردگی توام با تنش    62

عنوان    صفحه
4-1- شکل ترکها    64
4-2- طبقه بندی مکانيزمها    65
4-2-1- مکانيزمهای متالورژيکی    66
4-2-2- مکانيزمهای حل شدن    66
4-2-3- مکانيزمهای هيدروژن    67
4-2-4- مکانيزمهای مکانيکی    68
4-3- روشهای جلوگيری    68
5- نتيجه گيری    71
6- مراجع     73