خوردگی بین دانه ای پس از جوشکاری: چرا حساسیت اتفاق می افتد و چگونه ASTM A262 برای آن آزمایش می کند

خوردگی بین دانه ای چیست و چرا جوشکاری را دنبال می کند؟

خوردگی بین دانه‌ای (IGC) یک حمله موضعی است که در امتداد مرزهای دانه‌های فولاد ضد زنگ یا آلیاژ نیکل اجرا می‌شود در حالی که قسمت‌های داخلی دانه‌ها تا حد زیادی دست نخورده باقی می‌ماند، و جوشکاری رایج‌ترین محرک آن است زیرا گرما-منطقه تحت تأثیر (HAZ) از محدوده دمایی که مکانیسم حمله تشکیل می‌شود عبور می‌کند.

برخلاف خوردگی عمومی، که سطح را به طور یکنواخت نازک می کند و با اندازه گیری تلفات دیواره{0}}به راحتی قابل تشخیص است، خوردگی بین دانه ای به شبکه باریکی از مرزها در زیر سطح حمله می کند. یک قطعه می تواند کاملاً دست نخورده به نظر برسد و همچنان بیشتر استحکام مکانیکی و شکل پذیری خود را در امتداد شبکه دانه از دست داده است، و این همان چیزی است که باعث می شود در پالایشگاه ها، کارخانه های شیمیایی، و قرقره لوله ها به جای یک نقص آرایشی، یک حالت خرابی با پیامدهای{{2} بالا باشد.

مکانیسم متالورژیکی است، نه تصادفی: فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای مقاومت در برابر خوردگی به یک لایه غیرفعال غنی از کروم{0} پیوسته متکی هستند.هنگامی که کروم از محلول در مرز دانه بیرون کشیده می شود تا کاربید تشکیل شود، خود مرز لایه غیرفعال خود را به صورت محلی از دست می دهد، حتی اگر محتوای کروم فله آلیاژ بدون تغییر باشد. جوشکاری دقیقاً شرایط حرارتی را ایجاد می کند که کروم را در یک نوار باریک در دو طرف خط همجوشی از محلول خارج می کند - که متالوژیست ها آن را حساسیت می نامند.

چرا جوشکاری باعث ایجاد حساسیت می شود؟

جوشکاری باعث ایجاد حساسیت می‌شود زیرا منطقه تحت تأثیر گرما{0}}در محدوده بارش کاربید 425-870 درجه (800-1600 درجه فارنهایت) زمانی که گرم و سرد می‌شود، می‌گذرد و به کربن اجازه می‌دهد تا سریع‌تر از کروم با کروم در مرز دانه‌ها ترکیب شود تا اینکه کروم بتواند دوباره به داخل منطقه پخش شود تا دوباره پر شود.

برای اینکه این اتفاق بیفتد باید سه شرط وجود داشته باشد و درک هر یک از آنها چیزی است که به مهندس جوشکاری اجازه می‌دهد آن را کنترل کند نه اینکه به سادگی امیدوار باشد که رخ ندهد:

کربن در محلولگریدهای استاندارد کربن آستنیتی (304، 316) تقریباً 0.04-0.08 درصد کربن را در محلول جامد در دمای بازپخت نگه می دارند. این کربن به محض ورود مجدد آلیاژ به محدوده حساس برای واکنش در دسترس است.

زمان در دماکاربید کروم (عمدتاً Cr23C6) هسته می‌شود و در مرزهای دانه در پنجره 425-870 درجه رشد می‌کند. چرخه حرارتی جوش سریع زمان را در این محدوده محدود می کند. یک پاس آهسته و با ورودی گرم{5}بالا آن را گسترش می دهد.

تاخیر در انتشار کرومکروم از طریق شبکه آستنیت بسیار کندتر از کربن پخش می شود. تشکیل کاربید کروم را از یک منطقه مرزی با عرض چند صد نانومتر سریعتر از کروم اطراف می‌کند تا بتواند جایگزین آن شود، به طوری که منطقه نازک می‌تواند به زیر آستانه کروم 10.5-12% که برای حفظ یک لایه غیرفعال نیاز است کاهش یابد، حتی اگر فلز پایه در فاصله کوتاهی کاملاً محافظ باقی بماند.

نتیجه عملی یک پوشش خالی{0}}کروم است که HAZ جوش را در دو طرف خط همجوشی ردیابی می‌کند. این پوشش، نه خود فلز جوش، معمولاً جایی است که حمله بین دانه‌ای شروع می‌شود.

کدام پارامترهای جوشکاری خطر حساسیت را افزایش می دهند؟

گرمای ورودی بالاتر، سرعت خنک‌کننده آهسته‌تر، دمای بین‌گذری بالا و عبور جوش‌های متعدد روی یک HAZ، همگی خطر حساسیت را افزایش می‌دهند، زیرا هر یک مدت زمان مصرف مواد را در محدوده بارش 425-870 درجه افزایش می‌دهد.

این متغیرها آنهایی هستند که یک مشخصات فرآیند جوشکاری (WPS) در واقع کنترل می‌کند، به همین دلیل است که حساسیت بهتر است به‌عنوان یک مشکل کنترل فرآیند-به جای یک عارضه جانبی اجتناب‌ناپذیر جوشکاری در نظر گرفته شود:

ورودی گرما (kJ/mm یا kJ/in).گرمای ورودی بالاتر، سرعت خنک‌سازی را در محدوده حساس‌کننده کاهش می‌دهد. فرآیندهایی مانند SAW و{1}}گذر SMAW گرمای ورودی بالاتری نسبت به پاس‌های ریشه GTAW دارند که خطر حساسیت را افزایش می‌دهد مگر اینکه در جای دیگری جبران شود.

دمای بین گذراجازه دادن به دمای بین پاسی برای بالا رفتن در جوش‌های چند-پاس، HAZ هر پاس بعدی را برای مدت طولانی‌تری گرم‌تر نگه می‌دارد و زمان ترکیب-در-درجه حرارت در سراسر محل اتصال است.

ضخامت مقطع و مهار مفصل.بخش‌های ضخیم‌تر گرما را طولانی‌تر نگه می‌دارند و آهسته‌تر از لوله‌های دیواره نازک- سرد می‌شوند و پنجره حساس‌کننده را حتی در ورودی گرمای قابل مقایسه گسترش می‌دهند.

تعداد دفعات و چرخه های گرم کردن مجددهر پاس بعدی، HAZ مجاور را از پاس قبلی دوباره گرم می کند، بنابراین جوش های چند پاسه و جوش های تعمیری می توانند بیش از یک بار یک ناحیه را حساس کنند.

هیچ یک از این عوامل نیاز به حذف ندارند - آنها باید توسط یک WPS/PQR واجد شرایط (بخش IX ASME) محدود شوند که رفتار حساس‌سازی درجه خاصی را که جوش می‌شود منعکس می‌کند.

حمله خطی با چاقو- چیست و چرا هنوز در درجات تثبیت شده اتفاق می افتد؟

حمله خط چاقو، نوار باریکی از خوردگی بین دانه‌ای است که بلافاصله در مجاورت خط همجوشی در تیتانیوم- یا نیوبیم{2}}گریدهای تثبیت‌شده (321، 347) هنگامی که یک پاس جوش در دمای بالا، کاربیدهای تثبیت‌کننده و درجه حرارت پایین‌تر را حل می‌کند، تشکیل می‌شود. قبل از اینکه تثبیت کننده ها اصلاح شوند، دوباره-کاربید کروم را رسوب می دهد.

گریدهای تثبیت شده معمولاً در برابر حساسیت مقاوم هستند-زیرا تیتانیوم یا نیوبیم ترجیحاً با کربن پیوند می‌یابند و کروم را از واکنش تشکیل‌دهنده کاربید خارج می‌کند. حمله خط چاقو یک استثنا باریک است: یک پاس جوش در دمای بسیار بالا (نزدیک خط همجوشی) می‌تواند کاربیدهای تیتانیوم/نیوبیم موجود را دوباره در محلول حل کند. در هنگام خنک شدن، کاربید کروم می‌تواند در آن نوار نازک قبل از ایجاد مجدد کاربیدهای تثبیت‌کننده آهسته‌تر- رسوب کند و یک خط حساس باریک باقی بگذارد که مرز همجوشی را به جای یک پوشش پهن HAZ نشان می‌دهد. یک آنیل تثبیت کننده یا کنترل فرآیند که چرخه های گرمایش مجدد را در خط همجوشی محدود می کند، به این حالت خرابی خاص می پردازد.

چگونه ASTM A262 حساسیت را تشخیص می دهد؟

ASTM A262 حساسیت را به‌طور غیرمستقیم تشخیص می‌دهد: نمونه را در معرض محیط خورنده‌ای قرار می‌دهد که ترجیحاً برای حمله به مرزهای کروم{1} تخلیه شده انتخاب شده است، سپس به جای اندازه‌گیری مستقیم محتوای کروم، نتیجه را با میکروسکوپ، شکل‌پذیری خمشی یا کاهش جرم ارزیابی می‌کند.

ASTM A262، روش‌های استاندارد برای تشخیص حساسیت به حمله بین دانه‌ای در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، پنج روش آزمایشی را تعریف می‌کند - A، B، C، E، و F - که هر کدام برای خانواده‌های آلیاژی، شکل محصول یا سطح سختی متفاوتی مناسب است. هیچ یک از آنها یک محیط خدمات خاص را شبیه سازی نمی کند. هر کدام یک تست تسریع شده استاندارد شده است که معیارهای قبولی/شکست با رفتار{4}حساسیت جهانی واقعی مرتبط است.

منبع: ASTM A262، شیوه های استاندارد برای تشخیص حساسیت به حمله بین دانه ای در فولادهای زنگ نزن آستنیتی.

برای هر کسی که این تست ها را مشخص می کند دو نکته مهم است. اولاً، تمرین A یک ابزار غربالگری است: یک ساختار اچ مطلوب می‌تواند بدون آزمایش بیشتر واجد شرایط باشد، اما ساختار نامطلوب به خودی خود مواد را رد نمی‌کند - یک آزمایش کمی بعدی را آغاز می‌کند (معمولاً B، C یا F). ثانیاً، شیوه‌ها جایگزین‌های قابل تعویض نیستند. هر کدام ترکیب متفاوتی از شیمی آلیاژ و مکانیسم تخریب را هدف قرار می‌دهند، به همین دلیل است که A262 به‌عنوان منوی تمرین‌ها نوشته می‌شود تا یک تست قبولی/عدم شکست.

کدام تمرین A262 را برای یک برنامه مشخص باید مشخص کنید؟

تمرین A را برای غربالگری معمول مواد ورودی{0}}از هر درجه آستنیتی، تمرین E برای روش جوش و صلاحیت محصول جوش، و تمرین C یا F را زمانی که نگرانی‌های فاز مولیبدن-یا سیگما{2}} نیازمند نتیجه کمی دقیق‌تری است، مشخص کنید.

مشخصات خرید و مشخصات روش جوشکاری باید به صورت نامه بیان شود، نه فقط به «ASTM A262» استناد شود - روش‌ها منطق عبور/خرابی متفاوتی دارند و معیارهای پذیرش پروژه (ساختار اچ، حد نرخ خوردگی، یا نتیجه خمش) باید با عملی که در حال اجرا است مطابقت داشته باشد.

چگونه از ایجاد حساسیت در طول ساخت جلوگیری می کنید؟

قابل اطمینان ترین پیشگیری، انتخاب مواد است که - مشخص کردن گریدهای کم-کربن 'L' یا گریدهای تثبیت شده است، بنابراین کربن کمی برای تشکیل کاربید کروم - با پشتوانه ورودی گرما و کنترل دمای بینگذر، و عملیات حرارتی پس از-جوشکاری در جایی که برنامه هنوز به آن نیاز دارد، موجود نیست یا وجود ندارد.

1. درجات کم-کربن 'L' را مشخص کنید

304L و 316L کربن را در حداکثر 0.03٪ در مقابل تقریباً 0.08٪ برای گریدهای استاندارد نگه می دارند. با آن کربن کم موجود، سرعت تشکیل کاربید کروم به اندازه‌ای کاهش می‌یابد که اکثر چرخه‌های حرارتی جوشکاری ساخت، بدون هیچ تغییری در روش جوشکاری، حساسیت معنی‌داری ایجاد نمی‌کنند.

2. درجه‌های تثبیت‌شده برای خدمات جوشکاری-بالا یا مکرر-

321 (تیتانیوم-تثبیت شده) و 347 (نیوبیم-تثبیت شده) کربن را به عنوان تیتانیوم یا کاربید نیوبیم در طول پردازش آسیاب می‌بندند، و کربن کمی را برای واکنش با کروم در طول جوشکاری بعدی یا خدمات دمای بالا باقی می‌گذارند. اینها انتخاب استاندارد برای قطعاتی هستند که خدمات طولانی‌تر از 425 درجه را مشاهده می‌کنند، یا ساختی که شامل چرخه‌های جوش/جوش‌کاری متعدد می‌شود، که در آن درجه‌های L-به تنهایی ممکن است کافی نباشد.

3. حرارت ورودی و بین پاسی را کنترل کنید

یک WPS که ورودی گرما را محدود می‌کند، دمای بین گذر را محدود می‌کند، و از فرآیندهای ورودی سریع‌تر و کمتر{{0}گرم-برای پاس‌های بحرانی، زمانی را کاهش می‌دهد که هر نقطه از HAZ در محدوده 425-870 درجه صرف می‌کند. این یک اهرم کم‌هزینه نسبت به جایگزینی مواد است و معمولاً در کنار آن استفاده می‌شود، نه به جای آن.

4. در صورت نیاز، عملیات حرارتی جوش یا محلول آنیلینگ را اعمال کنید

بازپخت محلول (گرمایش بیش از تقریباً 1040 درجه و سرد شدن سریع) کاربیدهای کروم را دوباره حل می کند و توزیع کروم یکنواخت را در سراسر مرز دانه بازیابی می کند. این کامل ترین درمان اصلاحی است اما همیشه برای مجموعه های بزرگ ساخته شده یا جوش های میدانی عملی نیست، به همین دلیل است که انتخاب درجه و کنترل فرآیند اولین خطوط دفاعی است و PWHT در جایی که شرایط سرویس یا کد آن را ایجاب می کند اعمال می شود.

سوالات متداول

س: آیا حساسیت یک فولاد ضد زنگ را حتی قبل از خوردگی ضعیف تر می کند؟

پاسخ: نه به خودی خود. یک ریزساختار حساس اساساً همان خواص مکانیکی حجیم را دارد که-حساس نشده تا زمانی که مرزهای دانه‌های کروم-تهی شده در معرض یک محیط خورنده قرار نگیرند. شکل پذیری و از دست دادن استحکام به دنبال حمله خوردگی است، نه بارش کاربید به تنهایی.

س: آیا 316 یا 316L با وجود اینکه حاوی مولیبدن است، همچنان می تواند حساس شود؟

ج: بله. مولیبدن مقاومت در برابر خوردگی حفره ای و شکافی را بهبود می بخشد، اما از رسوب کاربید کروم در مرز دانه ها جلوگیری نمی کند. به همین دلیل است که نمرات مولیبدن-بر اساس ASTM A262 Practice F مورد آزمایش قرار می‌گیرند، نه اینکه فرض بر این باشد که ایمنی{4}}حساسیت دارند.

س: آیا نتیجه مطلوب ASTM A262 Practice A برای پذیرش مطالب بدون آزمایش بیشتر کافی است؟

پاسخ: برای بسیاری از مشخصات خرید، بله - یک ساختار پله یا اچ دوگانه معمولاً بدون آزمایش بیشتر پذیرفته می‌شود. یک سازه گودال به طور خودکار مواد را رد نمی کند، اما برای تعیین مقبولیت، بر اساس مشخصات خرید حاکم، نیازمند یک تمرین کمی-پیگیری (B، C، یا F) است.

س: آیا PWHT همیشه خطر حساسیت را از بین می برد؟

پاسخ: یک آنیل محلول به درستی کاربیدهای کروم را حل می کند و شرایط حساس را از بین می برد، اما هر گونه جوشکاری بعدی یا خدمات دمای بالا می تواند مواد را دوباره حساس کند. PWHT به یک وضعیت حساس موجود می پردازد. این آلیاژ را در برابر حساسیت های آینده مصون نمی کند.