دانش رسان |
مرکز علم و دانش کشور مقاله پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی
در حال بارگذاری
توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد
مقاله پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای ۸۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن مقاله پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی :
پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنیتی
۱-مقدمه
فولادهای زنگ‌نزن 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، 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 ۷۵ 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.
۱-۱- 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 ]۱[.
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 ]۱[.
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 ]۱[.
در ادامه این فصل به تشریح برخی از خوردگی‌های مرسوم پرداخته می‌شود.
۱-۲- 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 ]۱[.
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 ۱-۱ این سیستم دارای ۴ جزء است:
۱- آند: الکترونها را به مدار داده و یونهای فلزی از آن جدا می‌شوند و آند زنگ می‌زند.
۲- کاتد: الکترونها را می‌گیرد.
۳- اتصال الکتریکی: به منظور جریان الکترونها از آند به سمت کاتد و ادامه واکنش بین آند و کاتد برقرار می‌شود.
۴- 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 ]۱[.
شکل ۱ ۱- اجزای یک پیل ساده الکتروشیمیایی]۱[.
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 :
(۱) (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 :
(۲) (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) ]۱[.
۱-۳- 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 ۱ و ۲ 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 ]۲[.
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 تنش‌زدایی اهمیت دارد ]۲[.
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 ۶۸۵ مورد
شکست در خطوط لوله و تجهیزات این کارخانه در مدت ۴ سال که بیشتر از۹۰ درصد آنها از جنس فولاد زنگ‌نزن بوده‌اند، ۲/۵۵ درصد آن مربوط به خوردگی می‌باشد. همانطوریکه در جدول۱-۱ 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 ۶/۵ درصد شکست‌ها نیز به خوردگی بین دانهای مربوط می‌شود]۳[.
جدول۱ ۱: درصد شکست‌های ناشی از خوردگی در صنایع Dupont در مدت ۴ سال]۳[.
۱-۴- 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]۴[. 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)
۱-۵- 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]۴[
:
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
۱-۵-۱- 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 ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد برای مدت چند ساعت می‌باشد. دماهای کاری برای فولادهای ۱۸Cr-10Ni تا حدود ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد و برای grade های مقاوم در برابر حرارت (Heat Resisting) در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می باشد. در این دماها و مخصوصا در محدوده ۹۰۰-۶۰۰ درجه، استحاله فریت به فازهای و و رسوب کاربیدها، ممکن است اتفاق بیفتد]۶[.
ترکیب شیمیایی فازهای و در فلز جوش فولاد ۳۱۶ پس از عملیات حرارتی در دمای ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد، در جدول۱-۲ آمده است. تشکیل فازهای و با افزایش درصد مولیبدن و کروم، ترغیب می‌شود و به عنوان مثال، در یک نمونه فلز جوش از جنس فولاد ۳۱۶، فریت از این عناصر
غنی می‌باشد. جدول ۱-۳ ترکیب شیمیایی دو فلز جوش، یکی حاوی ۶ درصد فریت و دیگری حاوی ۱۸ درصد فریت را نشان می‌دهد. همانطوریکه ملاحظه می‌شود، جدایش مولیبدن در فریت، بسیار زیاد می‌باشد که این امر، تشکیل مقدار قابل توجهی فاز و را در فلز جوشی که حاوی فریت بیشتری است، پس از عملیات حرارتی در دمای ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد، نتیجه می‌دهد]۶[.
جدول ۱ ۲: ترکیب شیمیایی فازهای حاصل از تجزیه فریت و فاز کاربید]۶[.
مطالعات نشان داده که فلز جوشهای کروم ـ نیکل اوستنیتی به Microsegregationحساسند و این حساسیت اولا” به دلیل تشکیل دندریت و ثانیا” به خاطر تقسیم شدن عناصر حل شونده بین دو فاز فریت و اوستنیت و ثالثا” به خاطر رسوب کاربید و ترکیب‌های بین فلزی می‌باشد. اگر این اثر به اندازه کافی شدید باشد، باعث تهی شدن بعضی نواحی، از کروم و مولیبدن می‌شود تا حدی که مقاومت به خوردگی آنها به مقدار زیادی کاهش می‌یابد]۶[.
جدول ۱۰ ۳: ترکیب شیمیایی اوستنیت و فریت در فولاد زنگ‌نزن ۳۱۶ در شرایط as-weld ]6[.
همچنین، جدایش، پسیو بودن فلز جوش را تا حدی کاهش می‌دهد که نسبت به اطراف خود آندی می‌شود، و این امر باعث خوردگی ترجیحی فلز جوش می‌شود. در شرایطی که این حمله امکان‌پذیر است و برای آلیاژهایی که حاوی مولیبدن هستند (به اندازه فولاد ۳۱۶ )، اثر جدایش می‌تواند با افزایش درصد مولیبدن و کروم جبران شود و تولید‌کنندگان الکترودهای پوشش‌دار، این نکته را در نظر می‌گیرند]۶[.
مسأله جدایش برای فولادهای سوپر اوستینی بسیار شدیدتر است. این فولادها برای مقاومت در محیط‌هایی با خورندگی شدید به کار می‌روند نظیر محیط‌هایی که حاوی یونهای کلرید می‌باشند. این فولادها معمولآ حاوی حدود ۶ درصد مولیبدن می‌باشند. درمورد این فولادها، جبران کردن اثر
جدایش با آلیاژهای پایه آهن امکان پذیر نیست، بنابراین برای جوشکاری این فولادها، از مواد مصرفی پایه نیکل استفاده می‌شود. جدول ۱-۴ مقایسه ترکیب شیمیایی یک آلیاژ با ترکیب شیمیایی نوک دندریت آن و ترکیب شیمیایی نواحی بین دندریتی، برای رسوب جوش حاصل از فولاد سوپر اوستیتی بدون استفاده از فیلر و با استفاده از فیلر پایه نیکل با دو ترکیب شیمیایی مختلف را نشان می‌دهد]۶[.
جدول ۱ ۴: Microsegregation فولاد زنگ‌نزن سوپر اوستنیتی]۶[.
۱-۶- خوردگی بین دانهای
رسوب از یک محلول جامد ناپایدار است و چون مرزدانه‌ها مسیرهای نفوذ مناسب و نیز مکانهای جوانه زنی مناسب برای رسوب فازها هستند، معمولا” در مرزدانه‌ها اتفاق میافتد (انرژی لازم برای تشکیل یک رسوب در مرزدانه کم است). همراه این فرایند، یک گرادیان ترکیب شیمیایی به واسطه تهی شدن نواحی اطراف مرزدانه از عنصر حل شونده (که فصل مشترک‌های فاز رسوب کرده با دانه‌های اطراف است)، بوجود می‌آید. نتیجه این فرایندها، غلظت کمتر عنصر حل شونده در مناطقی از محلول جامد چسبیده به رسوبها است که ممکن است این اختلاف در ترکیب شیمیایی برای شروع خوردگی در این نواحی موضعی کافی باشد]۲[.
یک متغیر مهم، مقدار پیوستگی فاز رسوب کرده در مرزدانه‌هاست. اگر این رسوب مانند مورد a در شکل ۲ دورتادور دانه‌ها بطور پیوسته باشد، تمام مرزدانه‌ها یک ناحیه پیوسته در اطرافشان خواهند داشت که از عنصر حل شونده (که به سمت مرزدانه‌ها نفوذ می‌کند) تهی شده است.
اگر رسوب ناپیوسته باشد، مانند مورد b در شکل ۱-۲، مناطقی در مرز دانه بین ذرات رسوب کرده وجود دارد که از نظر ترکیب شیمیایی تغییر نکرده و یا کمتر تغییر کرده است]۲[. حمله خوردگی به این بستگی خواهد داشت که کدامیک از نواحی قسمت تغییر نکرده داخل دانه، نواحی تهی شده چسبیده به مرزدانه‌ها و فاز رشد کرده، تمایل دارند به عنوان سطح کاتدی یا آندی عمل کنند]۲[.
شکل ۰۱-۲- نمایش شماتیک ریزساختار حساس به خوردگی بین دانهای a: رسوب پیوسته و b: رسوب ناپیوسته]۲[.
اگر فاز دوم رسوب کرده، پیوسته باشد و نسبت به هر دو ناحیه تهی شده و کمتر تهی شده (یا دست نخورده) محلول جامد اطراف، آندی باشد، رسوب خورده می‌شود و یک شکاف پیوسته بوجود می‌آورد که تمایل به منتشر شدن در دورتا دور دانه دارد، این مورد در شکل ۱-۳ قسمت a نشان داده شده است. همچنین طبق مورد b درشکل ۱-۳، اگر فاز دوم ناپیوسته و آندی باشد، رسوب
خورده می‌شود وحفره‌های ایزوله (isolated pit) در طول مرزدانه‌ها بوجود می‌آورد. روشن است که در حالت اول، شرایط سخت تری بوجود می‌آورد که به جدایش کامل دانه‌ها در طول مرزدانه و جدایش (disintegration) احتمالی آلیاژ منتهی می‌شود ]۲[.
شکل ۰۱ ۳- پروفیل فصل مشترک خوردگی بین دانهای هنگامی که فاز رسوب کرده آندی است a: خوردگی ترجیحی فازپیوسته AB2 و b: خوردگی ترجیحی فاز ناپیوسته DE3 ]2[.
اگر مناطق تهی شده محلول جامد چسبیده به رسوب‌های مرزدانه، آندی باشد و واکنش کاتدی توسط ذرات رسوب و یا قسمت کمتر تهی شده محلول جامد داخل دانه انجام شود، حمله خوردگی در نواحی نزدیک رسوب، موضعی می‌شود که در شکل ۱-۴ نشان داده شده است. حمله خوردگی بسته به توزیع رسوب در مرزدانه، پیوسته و یا ناپیوسته خواهد بود. به ندرت مشاهده می‌شود که قسمت کمتر تهی شده محلول جامد داخل دانه، نسبت به نواحی تهی شده در مرزدانه، آندی شود. در این حالت به واسطه اینکه سطح کاتد نسبت به سطح آند بسیار بزرگ است، خوردگی موضعی با سرعت بسیار زیاد اتفاق میافتد]۲[.
شکل ۱ ۴- پروفیل فصل مشترک خوردگی بین دانهای هنگامی که نواحی تهی شده از ماده حل شدنی آندی باشند a: خوردگی بین دانهای هنگامی که رسوب و نواحی تهی شده پیوسته هستند. b: خوردگی بین دانهای هنگامی که رسوب و نواحی تهی شده پیوسته نیستند]۲[.
۱-۷- خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن اوستنیتی در اثر جوشکاری
فولادهای زنگ‌نزن اوستنیتی که حاوی تقریباً ۱۸ درصد کروم و ۱۰ درصد نیکل هستند، به خاطر مقاومت عالی به خوردگی کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف نظیر صنایع شیمیایی، نفت، تولید برق و محیط‌های خورنده دیگر دارند و نیز در کارخانجاتی که محصول تولیدی با خلوص بسیار بالا احتیاج است و آلودگی‌های ناشی از خوردگی قابل چشم پوشی نیست، استفاده می‌شوند]۵[.
مقاومت به خوردگی این فولادها به خاطر خاصیت غیر فعال (Passive) بودن سطح آنها است. به این معنی که هنگامیکه فولاد زنگ نزن اوستنیتی حتی در یک محیط اکسید کننده ضعیف هم قرار بگیرد، یک فیلم نازک سخت و چسبنده از اکسید کروم، روی سطح آن تشکیل می‌شود که بطور مؤثر بین فلز و محیط خورنده مانند یک مانع عمل می‌کند. به منظور بدست آوردن خاصیت “پسیو” در آلیاژهای پایه آهن، ضروری است که به آنها حداقل حدود ۱۱-۱۰ درصد کروم اضافه شود. اما پایداری فیلم پسیو، با افزایش مقدار کروم، بهبود می‌یابد و در نهایت محتوای کروم ۱۸ درصد، به منظور تضمین پسیو بودن فولاد، در اغلب شرایط سرویس دهی فولاد به کار می‌رود. کروم در دماهای حدود ۵۵۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد میل ترکیبی شدیدی با کربن دارد و اگر فولاد زنگ‌نزن ۱۰/۱۸ (منظور، فولادها با محتوای ۱۸ درصد کروم و ۱۰ درصد نیکل است) در این بازه حرارتی، برای مدت زمان بیشتر از یک حد مشخص، حرارت داده شوند، کاربیدهای غنی از کروم در مرزدانه‌های فلز، تشکیل می‌شوند (شکل۱-۵ و۱-۶ ) ]۵[.
شکل۱ ۵- مرز دانه در a: فولاد زنگ‌نزن ۱۸/۱۰ عملیات انحلالی شده، هیچ کاربیدی وجود ندارد وb: فولاد زنگ‌نزن۱۸/۱۰ حساس شده، رسوبات کاربید کروم زیادی دیده می‌شود]۵[. بزرگنمایی:۱۰۰۰۰×
اگر این کاربیدها تشکیل شوند، محیط اطراف این کاربیدها، از عنصر کروم تهی می‌شود. مقدار کروم نواحی اطراف مرزدانه‌ها، ممکن است به مقداری برسد که از مقدار لازم برای پسیو ماندن، کمتر باشد (شکل۱-۷ ) و اگر این اتفاق بیفتد، هنگام سرویس دهی در فولاد، خوردگی بین دانهای اتفاق خواهد افتاد.
شکل ۱۰ ۶- حرارت دادن فولاد در منطقه خط‌چین، باعث حساسیت می‌شود]۵[.
شکل ۰۱ ۷- پروفیل غلظت کروم در عرض مرزدانه]۳[.
در طول جوشکاری، نواحی نزدیک به جوش در منطقه HAZ در داخل دمای حساس‌کننده، حرارت می‌بینند و در نتیجه، در این مناطق، تهی شدن اطراف مرزدانه‌ها از کروم و متعاقب آن خوردگی بین دانهای اتفاق میافتد که این نوع خوردگی به خوردگی بین دانهای مشهور است (شکل ۱-۸ و۱-۹) ]۵[.
شکل ۱ ۸- حداکثر درجه حرارت در اطراف جوش فولاد و تشکیل کاربید در دمای حساس کننده]۱[.
برای جلوگیری از خوردگی بین دانهای، سه روش می‌تواند استفاده شود که عبارتند از:
۱- استفاده از عناصر تثبیت کننده (Stabilizing) مانند تیتانیوم یا نیوبیوم به فولاد. این عناصر نسبت به کروم، میل ترکیبی بیشتری با کربن دارند. پس در شرایط مشابه، به جای کروم با کربن تشکیل کاربید می‌دهند و درنتیجه این عمل، کروم به اندازه کافی برای تشکیل فیلم پسیو در زمینه فولاد باقی می‌ماند]۵[.
۲- استفاده از فولادهای (Extra Low Carbon) ELC. این فولادها حاوی کمتر از ۰۳/۰% کربن هستند و چون کربن کمی دارند، مقدار این کربن برای تشکیل کاربید، کافی نمی‌باشد و درنتیجه کروم نمی‌تواند با کربن، کاربید تشکیل دهد و در زمینه فولاد، باقی می‌ماند و با تشکیل فیلم پسیو، مقاومت به خوردگی را حفظ می‌کند]۵[.
شکل ۰۱ ۹- خوردگی بین دانهای در یک ورق ۱۶ میلی‌متری، a: بزرگنمایی۵/۰× و b: بزرگنمایی ۵۰۰× ]۵[.
۳- عملیات حرارتی کل ساختار پس از اتمام فعالیت‌های ساخت، در دمای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد. دلیل انجام آن، حل کردن کاربیدهای بوجود آمده در ساختار فولاد است که باعث می‌شود کروم به محلول جامد (یعنی زمینه فولاد) بازگردانیده شود. یکی از نکات مهم این روش، سرد کردن سریع فولاد پس از عملیات حرارتی می‌باشد. به این منظور که در محدوده حرارتی حساس کننده، دوباره کاربید کروم تشکیل نشود]۵[. به علت مشکلات اجرایی، این روش بندرت استفاده می‌شود.
پدیده خوردگی بین دانهای به استفاده از فولادهای تثبیت نشده مربوط است. این پدیده حدود ۷۵ سال پیش، هنگامی که فولاد تثبیت نشده با درصد کربن بالا (حدود ۱۲/۰% )، با استفاده از فرایند جوشکاری اکسی استیلن که روشی با انرژی جوش بالا است جوشکاری شده بود، مشاهده شد. امروزه فولادهای تثبیت نشده، معمولاً حاوی حدود ۰۶/۰ درصد کربن هستند و جوشکاری آنها معمولاً با روشهای قوس الکتریکی انجام می‌شود که در آن سرعت گرم شدن و سرد شدن، بالا است. و به دلایل فوق، امروزه احتمال بروز خوردگی بین دانهای، بسیار کاهش یافته است]۵[.
با این وصف ترس از وقوع خوردگی بین دانهای هنگام سرویس دهی، مانع از استفاده از فولادهای تثبیت نشده می‌شود، علی‌رغم اینکه انجام روشهای ذکر شده به منظور اجتناب از خوردگی بین دانهای، باعث افزایش قیمت فولاد می‌شود]۵[.
در اغلب فولادهای کارشده، تنشهای طراحی برای دماهایی حدود دمای محیط، برای فولادهای تثبیت شده و تثبیت نشده، شبیه به هم است. بنابراین در استفاده از فولادهای تثبیت نشده، افت مکانیکی رخ نمی‌دهد. از طرفی grade های ELC نسبت به فولادهای تثبیت شده و تثبیت نشده با درصد کربن بالاتر، استحکام کمتری دارند، بنابراین هنگام استفاده از فولادهای ELC، باید از مقاطع ضخیمتر استفاده کرد که این کار، باعث افزایش قیمت سازه مورد نظر نیز می‌شود]۵[.
۱-۸- عوامل موثر بر خوردگی بین دانه ای
چهار فاکتور اصلی زیر، حساسیت فولاد زنگ نزن را به خوردگی بین دانهای تعیین می‌کند]۵[:
۱- ترکیب شیمیایی و ریز ساختار
۲- تاریخچه حرارتی(Thermal History)
۳- تنشهای درونی و خارجی که از تغییر شکل (Deformation)، جوشکاری و یا بارگذاری هنگام سرویس‌دهی ناشی می‌شوند.
۴- محیط سرویس
در ذیل، به توضیح در مورد هر یک از فاکتورهای ذکر شده در بالا، پرداخته می‌شود.
۱-۸-۱- ترکیب شیمیایی و ریز ساختار
کربن
مهمترین فاکتور ترکیب شیمیایی که بر حساسیت به خوردگی بین دانهای تأثیر می‌گذارد، مقدارعنصر کربن است. علت اهمیت کربن به این خاطر است که این عنصر تعیین می‌کند که چقدر کروم در تشکیل کاربید شرکت کند و مقدار وسعت تهی شدن اطراف مرز دانه‌ها از کروم چقدر می‌باشد. با کاهش درصد کربن فولاد تا زیر سطح حلالیت در محلول جامد در محدوده حرارتی حساس شدن، می‌توان از حساسیت نمونه جلوگیری کرد. البته این امر همیشه عملی نیست زیرا برای رسیدن به این شرایط باید درصد کربن را تا زیر ۰۱/۰ درصد کاهش داد. ذکر این نکته ضروری
است که با پیشرفت های اخیر در روشهای فولادسازی، می‌توان فولاد با درصد کربن ۰۱۵/۰ تا ۰۲۰/۰ تولید کرد. باید به این نکته نیز توجه کرد که کاهش درصد کربن، باعث افت خواص مکانیکی می‌شود. برای اهداف عملی، Grade های ELC با درصد کربن حداکثر ۰۳/۰ درصد رضایت‌بخش به نظر می‌رسد. و در این فولادها، هیچ نمونه‌ای از خوردگی بین دانهای نشده است. نرخ حساس شدن به خوردگی بین دانهای قویا” به درصد کربن بستگی دارد. و فولاد با مقدار کربن ۰۸/۰ درصد، نرخ حساس شدنی حدود ۳ تا ۵ بار سریع‌تر از فولاد با مقدار کربن ۰۶/۰ درصد دارد]۵[.
در شکل ۱-۱۰، دو منحنی نمایش داده شده است که بازه دمایی تشکیل کاربید در فولادهای حاوی ۱۵/۰% کربن و ۰۵/۰ % کربن را نشان می‌دهد. همانطوریکه مشاهده می‌شود زمان حرارت دادن لازم برای حساس شدن در فولاد با درصد کربن کمتر، بسیار بیشتر است (زمان B در مقایسه با زمان A) و درنتیجه، احتمال وقوع خوردگی بین دانهای، بسیار کمتر می باشد]۵[.
شکل ۱ ۱۰- شرایط عملیات حرارتی که باعث رسوب کاربید و حساسیت به خوردگی بین دانهای در فولادهایی با درصد کربن ۱۵/۰(منحنی مماس با خط A) و ۰۵/۰ (منحنی مماس با خط B) درصد می‌شود]۵[.
- در صورتی که به هر دلیلی موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید با ما تماس بگیرید.
