دانلود پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی

پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی در 78 صفحه ورد قابل ویرایش

دسته بندی	فنی و مهندسی
فرمت فایل	doc
حجم فایل	2492 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	78

پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی در 78 صفحه ورد قابل ویرایش 

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.

فهرست مطالب

عنوان	صفحه
چکیده	الف
فهرست	ب و ج
1-مقدمه	1
1-1- تعریف خوردگی	2
1-2- خوردگی الکترو شیمیایی	3
1-3- خوردگی یکنواخت و موضعی	4
1-4- اثر جوشکاری بر خوردگی	6
1-5- پدیده های متالورژیکی ناشی از جوشکاری	7
1-5-1- تغییرات فازی و جدایش	8
1-6- خوردگی بین دانه ای	10
1-7- خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن اوستنیتی در اثر جوشکاری	12
1-8- عوامل موثر بر خوردگی بین دانه ای	17
1-8-1-  ترکیب شیمیایی و ریز ساختار	18
1-8-2- تاریخچه حرارتی	26
1-8-3- تنش وتغییر شکل پلاستیک	29
1-8-4- اثر محیط	30
2- روشها و پارامترهای جوشکاری به منظور اجتناب از خوردگی بین دانه ای	37
2-1- دامنه کاربرد روشهای جوشکاری پیشنهادی	37
2-2- اثر فرآیند جوشکاری وشرایط جوشکاری در وقوع حساسیت	38
2-3- رابطه بین انرژی جوش حساس کننده وحساسیت به خوردگی بین دانه ای	42
3-جنبه های متالورژیکی Knife Line Attack  در فولادهای زنگ نزن تثبیت شده	45
3-1- خوردگی KLA در فولادهای زنگ نزن تثبیت شده	45
3-2- خصوصیات KLA	46
3-3- آنالیز دلایل 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 مکانیزمها	65
4-2-1- مکانیزمهای متالورژیکی	66
4-2-2- مکانیزمهای حل شدن	66
4-2-3- مکانیزمهای هیدروژن	67
4-2-4- مکانیزمهای مکانیکی	68
4-3- روشهای جلوگیری	68
5- نتیجه گیری	71
6- مراجع	73

1-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 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 نتیجة 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 قطعة 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-   آند: الکترونها را به مدار داده و یونهای فلزی از آن جدا می‌شوند و آند زنگ می‌زند.

2-   کاتد: الکترونها را می‌گیرد.

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

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

شکل 1‑1- اجزای یک پیل ساده الکتروشیمیایی]1[.

 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 خورندة 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 تنش‌زدایی 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[.

شکل ‏3‑4- اثر Superheating اولیه بر وقوع حساسیت به خوردگی بین دانه‌ای. منحنی 1- دمای عملیات حرارتی اولیه، 1320 درجه سانتی‌گراد و منحنی 2- دمای عملیات حرارتی اولیه، 1050 درجه سانتی‌گراد]8[.

حال، این سؤال به ذهن خطور می‌کند که علت این اتفاق چیست و سؤال دیگر اینکه چرا در همه اتصالات جوشکاری شده از جنس فولادهای تثبیت شده، هنگامی که تحت عملیات حرارتی دو مرحله‌ای قرار می‌گیرند، KLA رخ نمی‌دهد.

برای تشریح این مطلب، احتیاج به در نظر گرفتن فرایندهای پیچیده‌ای نظیر تجزیه فریت، تشکیل فاز سیگما به همراه رسوب کربن، حضور تنش و نوع محیط خورنده، می‌باشد. برای بررسی KLA، می‌توان دو حالت زیر را در نظر گرفت]8[ :

1-     هنگامی که درصد کربن نسبتا" پایین است.

2-     هنگامی که درصد کربن حداکثر 06/0 درصد می باشد.

اگر درصد کربن فولاد پایین باشد، KLA، بطور پراکنده اتفاق می‌افتد. در حالتی که درصد کربن کم باشد و در فولاد عناصر تثبیت کننده اضافی وجود داشته باشد، علی‌رغم اندرکنش عناصر تثبیت کننده با کاربید، به مقدار کافی عنصر تثبیت کننده باقی می‌ماند تا با کربن موجود ترکیب شود و از رسوب کاربید کروم جلوگیری کند. پس در این حالت کروم در نواحی مرز دانه‌ها، بطور جدی و خطرناک، تهی نمی‌شود]8[. در حالتی که عناصر تثبیت کننده، ترکیبات دیگری تشکیل می‌دهند، مثلا" با گوگرد، اکسیژن و نیتروژن ترکیب می‌شوند، ضروری است که مقدار بیشتری عنصر تثبیت کننده به فولاد اضافه کنیم. در فولادهای کم کربن، نسبت تیتانیوم به کربن باید در حدود 6 به 1 باشد. و برای فولاد با 06/0 درصد کربن، نسبت تیتانیوم به کربن باید در رنج 6 تا 8 به 1 باشد. نسبت‌های بیشتر از 8 به 1 برای تیتانیوم به کربن و 12 به 1 برای نیوبیوم به کربن مفید نیست؛ زیرا این عناصر، تثبیت کننده فریت‌اند. در نتیجه افزایش آنها باعث افزایش درصد فریت در فولاد می‌شود و با افزایش درصد فریت، فاز سیگمای بیشتری می‌تواند بوجود بیاید که فاز مضری می‌باشد و می‌تواند باعت وقوع خوردگی بین دانه‌ای بشود]8[.

هنگامی که درصد عناصر تثبیت کننده تیتانیوم و نیوبیوم نسبت به کربن بالاست، حمله خوردگی KLAیی می‌تواند اتفاق بیفتد که مربوط به تشکیل فاز سیگما می‌باشد. تحقیقات نشان داده است که پس از آنیل در دمای حدود °c750 و در محیطی که باعث خوردگی در حالت ترانس پسیو (شکل 1-24 ملاحظه شود) می‌شود، KLA به مقدار زیادی مشاهده شده است. فاز سیگما بطور مخصوص در ناحیه ترانس پسیو ظاهر می‌شود. وجود فریت اضافی که در نتیجه غلظت زیاد عناصر تثبیت کننده می‌باشد، باعث تشکیل سریع فاز سیگما در محدوده حرارتی حساس کردن می‌شود. هسته‌گذاری تجزیه اولیه فریت به فاز سیگما، روی فصل مشترک فریت - اوستنیت اتفاق می‌افتد. بعد از آن، ادامه واکنش در داخل فاز فریت اتفاق می‌افتد تا اینکه تمام دانه فریت مصرف می‌شود. ساختاری که در نهایت بوجود می‌آید، شامل فاز سیگمای لایه‌ای ( Lamellar sigma phase) و اوستنیت ثانویه می‌باشد]8[.

تمام فرایند فوق به نفوذ کربن از فریت به سمت فاز سیگمای در حال رشد مربوط می‌شود. بنابراین، با این تغییر ساختار، یک تغییر در ترکیب شیمیایی موضعی اتفاق می‌افتد که در شکل 3-5 نشان داده شده است. شکل 35 اندرکنش بین عملیات حرارتی و محیط را نشان می‌دهد]8[.

دانلود پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی

پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی در 78 صفحه ورد قابل ویرایش

دسته بندی	فنی و مهندسی
فرمت فایل	doc
حجم فایل	2492 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	78

پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه‌ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ ‌نزن استیلی در 78 صفحه ورد قابل ویرایش 

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.

فهرست مطالب

عنوان	صفحه
چکیده	الف
فهرست	ب و ج
1-مقدمه	1
1-1- تعریف خوردگی	2
1-2- خوردگی الکترو شیمیایی	3
1-3- خوردگی یکنواخت و موضعی	4
1-4- اثر جوشکاری بر خوردگی	6
1-5- پدیده های متالورژیکی ناشی از جوشکاری	7
1-5-1- تغییرات فازی و جدایش	8
1-6- خوردگی بین دانه ای	10
1-7- خوردگی بین دانه ای فولادهای زنگ نزن اوستنیتی در اثر جوشکاری	12
1-8- عوامل موثر بر خوردگی بین دانه ای	17
1-8-1-  ترکیب شیمیایی و ریز ساختار	18
1-8-2- تاریخچه حرارتی	26
1-8-3- تنش وتغییر شکل پلاستیک	29
1-8-4- اثر محیط	30
2- روشها و پارامترهای جوشکاری به منظور اجتناب از خوردگی بین دانه ای	37
2-1- دامنه کاربرد روشهای جوشکاری پیشنهادی	37
2-2- اثر فرآیند جوشکاری وشرایط جوشکاری در وقوع حساسیت	38
2-3- رابطه بین انرژی جوش حساس کننده وحساسیت به خوردگی بین دانه ای	42
3-جنبه های متالورژیکی Knife Line Attack  در فولادهای زنگ نزن تثبیت شده	45
3-1- خوردگی KLA در فولادهای زنگ نزن تثبیت شده	45
3-2- خصوصیات KLA	46
3-3- آنالیز دلایل 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 مکانیزمها	65
4-2-1- مکانیزمهای متالورژیکی	66
4-2-2- مکانیزمهای حل شدن	66
4-2-3- مکانیزمهای هیدروژن	67
4-2-4- مکانیزمهای مکانیکی	68
4-3- روشهای جلوگیری	68
5- نتیجه گیری	71
6- مراجع	73

1-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 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 نتیجة 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 قطعة 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-   آند: الکترونها را به مدار داده و یونهای فلزی از آن جدا می‌شوند و آند زنگ می‌زند.

2-   کاتد: الکترونها را می‌گیرد.

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

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

شکل 1‑1- اجزای یک پیل ساده الکتروشیمیایی]1[.

 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 خورندة 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 تنش‌زدایی 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[.

شکل ‏3‑4- اثر Superheating اولیه بر وقوع حساسیت به خوردگی بین دانه‌ای. منحنی 1- دمای عملیات حرارتی اولیه، 1320 درجه سانتی‌گراد و منحنی 2- دمای عملیات حرارتی اولیه، 1050 درجه سانتی‌گراد]8[.

حال، این سؤال به ذهن خطور می‌کند که علت این اتفاق چیست و سؤال دیگر اینکه چرا در همه اتصالات جوشکاری شده از جنس فولادهای تثبیت شده، هنگامی که تحت عملیات حرارتی دو مرحله‌ای قرار می‌گیرند، KLA رخ نمی‌دهد.

برای تشریح این مطلب، احتیاج به در نظر گرفتن فرایندهای پیچیده‌ای نظیر تجزیه فریت، تشکیل فاز سیگما به همراه رسوب کربن، حضور تنش و نوع محیط خورنده، می‌باشد. برای بررسی KLA، می‌توان دو حالت زیر را در نظر گرفت]8[ :

1-     هنگامی که درصد کربن نسبتا" پایین است.

2-     هنگامی که درصد کربن حداکثر 06/0 درصد می باشد.

اگر درصد کربن فولاد پایین باشد، KLA، بطور پراکنده اتفاق می‌افتد. در حالتی که درصد کربن کم باشد و در فولاد عناصر تثبیت کننده اضافی وجود داشته باشد، علی‌رغم اندرکنش عناصر تثبیت کننده با کاربید، به مقدار کافی عنصر تثبیت کننده باقی می‌ماند تا با کربن موجود ترکیب شود و از رسوب کاربید کروم جلوگیری کند. پس در این حالت کروم در نواحی مرز دانه‌ها، بطور جدی و خطرناک، تهی نمی‌شود]8[. در حالتی که عناصر تثبیت کننده، ترکیبات دیگری تشکیل می‌دهند، مثلا" با گوگرد، اکسیژن و نیتروژن ترکیب می‌شوند، ضروری است که مقدار بیشتری عنصر تثبیت کننده به فولاد اضافه کنیم. در فولادهای کم کربن، نسبت تیتانیوم به کربن باید در حدود 6 به 1 باشد. و برای فولاد با 06/0 درصد کربن، نسبت تیتانیوم به کربن باید در رنج 6 تا 8 به 1 باشد. نسبت‌های بیشتر از 8 به 1 برای تیتانیوم به کربن و 12 به 1 برای نیوبیوم به کربن مفید نیست؛ زیرا این عناصر، تثبیت کننده فریت‌اند. در نتیجه افزایش آنها باعث افزایش درصد فریت در فولاد می‌شود و با افزایش درصد فریت، فاز سیگمای بیشتری می‌تواند بوجود بیاید که فاز مضری می‌باشد و می‌تواند باعت وقوع خوردگی بین دانه‌ای بشود]8[.

هنگامی که درصد عناصر تثبیت کننده تیتانیوم و نیوبیوم نسبت به کربن بالاست، حمله خوردگی KLAیی می‌تواند اتفاق بیفتد که مربوط به تشکیل فاز سیگما می‌باشد. تحقیقات نشان داده است که پس از آنیل در دمای حدود °c750 و در محیطی که باعث خوردگی در حالت ترانس پسیو (شکل 1-24 ملاحظه شود) می‌شود، KLA به مقدار زیادی مشاهده شده است. فاز سیگما بطور مخصوص در ناحیه ترانس پسیو ظاهر می‌شود. وجود فریت اضافی که در نتیجه غلظت زیاد عناصر تثبیت کننده می‌باشد، باعث تشکیل سریع فاز سیگما در محدوده حرارتی حساس کردن می‌شود. هسته‌گذاری تجزیه اولیه فریت به فاز سیگما، روی فصل مشترک فریت - اوستنیت اتفاق می‌افتد. بعد از آن، ادامه واکنش در داخل فاز فریت اتفاق می‌افتد تا اینکه تمام دانه فریت مصرف می‌شود. ساختاری که در نهایت بوجود می‌آید، شامل فاز سیگمای لایه‌ای ( Lamellar sigma phase) و اوستنیت ثانویه می‌باشد]8[.

تمام فرایند فوق به نفوذ کربن از فریت به سمت فاز سیگمای در حال رشد مربوط می‌شود. بنابراین، با این تغییر ساختار، یک تغییر در ترکیب شیمیایی موضعی اتفاق می‌افتد که در شکل 3-5 نشان داده شده است. شکل 35 اندرکنش بین عملیات حرارتی و محیط را نشان می‌دهد]8[.