ترک خوردگی تنشی و انواع آن

ترک خوردگی تنشی و انواع آن

خوردگی تنشی Stress Corrosion

اثر همزمان خوردگی و تنش‌، خوردگی تنشی است و چون گاهی مواقع عامل ایجاد این نوع خوردگی ترک است به اختصار SCC می‌گویند‌. این نوع خوردگی بیشتر در جاهایی که سیستم تحت تأثیر نیروی کششی قرار دارد و خوردگی هم در محیط نقش دارد‌، ظاهر می‌شود‌. عواملی همچون تنش کششی و محیط خورنده و آلیاژ حساس به دو عامل قبل باعث ایجاد خوردگی تنشی می‌شوند‌.

انواع ترک‌های خوردگی تنشی

ترک‌های ایجاد شده در قطعه به دو صورت پیشروی می‌کنند.

ترک‌های ترد که دانه‌ها را از مرز دانه‌ها از هم جدا می‌کند که ترک بین دانه‌ای هم می‌گویند و بیشتر در فلزات سخت رخ می‌دهد‌. این ترک دیر تشکیل شده ولی سریع رشد می‌کند و عامل مهم جوانه ترک است‌.

نوع دوم ترک‌های میان دانه‌ای که ترک می‌تواند دانه‌ها را از وسط بشکافد که معمولاً در فلزات نرم دیده می‌شود‌.

دو مثال از این نوع خوردگی‌

تردی بازی

در قرن نوزده مشاهده کردند فولاد در محیطی که مقداری سود (‌ NAOH= محیط بازی‌) وجود دارد بعد از مدتی کار در جاهایی که توسط میخ پرچ شده‌اند ترک‌هایی ظاهر می‌شود و چون د‌ر محیط بازی اتفاق می‌افتد و اسم آن را تردی بازی نامیدند‌.

ترک خوردن فصلی

مخصوص آلیاژهای مس (برنج) و در محیط‌های قلیایی همانند آمونیاک بوده است‌‌.

در جنگ جهانی دوم انگلیسی‌ها مهمات خود را در انبارهایی ذخیره می‌کردند که کشاورزان مواد شیمیایی خود را در ان قرار می‌دادند و محیط هم در اثر باران‌های فراوان مرطوب بوده است‌. در این زمان فشنگ‌ها که پوکه‌ها آن به قسمت اصلی پرچ شده بود ترک می‌خوردند‌. علت این دو نوع ترک خوردگی تنشی بوده است به طوری که در مثال اول فولاد در محیط قلیایی مثل سود (NaOH) و تحت تأثیر تنش شروع به ترک خوردن از محل پرچ‌ها می‌کرده است‌. همچنین پوکه‌های فشنگ آلیاژهای برنج‌اند که در محیط آمونیاکی شروه به خورده شدن  ترک خوردن می‌کنند‌.

‌عامل تنش در هر دو مورد بسیار مهم است. تنش به دو صورت تنش بارگزاری و تنش پسماند می‌تواند اثر بگذارند‌. تنش‌های پسماند ناشی از هر گونه عملیات ریختگی‌، جوشکاری‌، نورد‌، کار سرد‌، کار مکانیکی و … است‌‌. تنش کششی اعمال شده بر یک قطعه موجب می‌شود فاصله اتم‌ها نسبت به حالت عادی بیشتر شده و خوردگی راحت تر بتواند برای تأثیر بگذارد‌.

برای ارزیابی خوردگی تنشی قطعه مورد استفاده را آماده کرده و تحت تنش قرار می‌دهیم‌. تحت نیروی مشخص قطعه از هم جدا می‌شود سپس همین آزمایش را در حضور محیط خورنده انجام  می‌دهند‌. از سرعت‌های پایین شروع به اعمال تنش می‌کنند تا  سرعت های بالاتر ادامه می‌دهند‌.

عوامل موثر بر خوردگی تنشی‌

فاکتورهای محیطی

اگر محیط دارای یون‌های مشخصی باشد سرعت خوردگی را افزایش می‌دهد‌. یکی از عوامل مهم و تأثیر گذار بر خوردگی اکسیژن است بطوری که اگر از حد (x) در محیط بالاتر رود موجب ایجاد خوردگی تنشی می‌شود‌.

درجه حرارت

افزایش دماحساسیت به خوردگی تنشی را افزایش می‌دهد‌. استحکام و مقامت به خوردگی در دماهای بالا به طور کلی کم می‌شوند‌.

چند فازی بودن محیط‌های چند فازی با سرعت بیشتری خورده می‌شوند‌. مثلاً اگر قطعه‌ای در مرز آب و هوا باشد در این محل غلظت یون‌های مضر بیشتر خواهد بود‌.

فاکتورهای متالوژیکی و ساختاری

‌آلیاژهای تک فاز در برابر خوردگی مقاوم‌تر‌ هستند‌. فازهای نرم در برخی موارد خوردگی تنشی را کاهش می‌دهند چون تنش دانه را به راحتی نمی‌تواند بشکند و زمان بیشتر طی می‌شود.

روش‌های جلوگیری از خوردگی تنشی ‌

1. در این نوع خوردگی تنش‌های اعمالی بر قطعه از تنش تسلیم قطعه مورد نظر خیلی کمتر است‌. پس می‌توان با کاهش تنش از آن جلوگیری کرد مثلاً برای حذف تنش‌های پسماند قطعه را تحت عملیات حرارتی قرار داد‌.
2. حذف عوامل محیطی همانند اکسیژن ، کلر و …
3. استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی تنشی به طوری که مقاوم به ترک باشد‌.

ترک خوردن ناشی از خوردگی توام با تنش SCC

‌یک نوع حملـه ناشـی از تـنش کشـشی و محـ یط خورنـده بـه طـور تـو‌أم است. در SCC  فلز یا آلیاژ تقریباً خورده نمی‌شود اما ترک‌های ریزی درون آن بوجود می‌آید و رشد می‌کند. قدیمی‌ترین گزارش‌های SCC ، مربوط به ترک خوردن فصلی Cracking Season پوکه‌های برنجی فشنگ‌های نظامی، در اوقات بارانی جنگ جهانی اول، و تردی بازیEmbrittlement Caustic  فولاد است، که در لوکوموتیوهای بخاری اولیه رخ می‌داد.‌ برای رخدادSCC  حداقل به دو مقوله جداگانه تنش و خوردگی نیاز است. تنش به تنهایی معمولاً اثراتی نظیر خزش، خستگی و گسیختگی ایجاد می‌کند و خوردگی تنها هم، به واکنش انحلالی منتهی می‌شود. اما ترکیب این دو اگر با شرایط مساعد دیگری همراه شود، می‌تواند اثر فاجعه بار داشته باشد. در احتمال رخداد SCC بزرگی تنش، درجه حرارت محیط، ترکیب شیمیایی محلول خورنده، ترکیب شیمیایی و ساختار متالورژیکی فلز از عوامل مهم هستند. در SCC  هر دو نوع ترک بین دانه‌ای Intergranular و میان دانه‌ای Transgranular رخ می‌دهد.

‌ معیار اصلی تنش‌هایی که سبب SCC می‌شوند این است که از حدی بالاتر و از نوع کششی باشند. تنش می‌تواند از نوع تنش‌های ناشی از بهره برداری، پس ماند، حرارتی یا جوشکاری باشد. خوردگی نیز مولد تنش است و گاهی تنش‌های بزرگی در اثر محصو‌لات خوردگی بوجود می‌آید.

زمان شکست اهمیت زیادی دارد و خسارت‌های مهمی که در SCC رخ می‌دهد در مراحل نهایی صورت می‌گیرد. نزد محققان خوردگی، الگویی کلی برای محیط‌هایی که در آن آلیاژهای مختلف دچار SCC می‌شوند وجود ندارد. برخی از خوردگی‌های SCC در محیط آبی، برخی در نمک‌ها و فلزات مذاب و برخی در مایعات معدنی فاقد آب رخ می‌دهند. شیبه اکثر واکنش‌های شیمیایی،‌‌SCC  با افزایش درجه حرارت، شدت می‌یابد. ترک خوردگی SCC در فلزاتی که بطور کامل درون مایع قرار داشته باشند، معمولاً کمتر از مناطقی است که در معرض خشک و تر شدن متناوب باشند.

مجموعه متغیرهـای وارد شـده در پدیـده SCC مـدرکی کـافی جهت اینکه مکانیزم مربوطه ساده نبوده و یا اینکه به سـادگی درک نمـی‌شـود، است. تئـوری‌هـای مختلفی در این زمینه ارائه شده است. تئوری‌های حاضرعموماً به دو مکانیزم زیر محدود می‌شود.

1. ‌تئوری الکتروشیمیایی شامل گسیختگی فیلم اکسیدی که خـوردگی غیرپیوسـتگی‌هـای روی سـطح فلز، یک ترک میکروسکوپی را شکل می‌دهد. تمرکـز تـنش در نـوک تـرک از تـشکیل فـیلم جدیـد در آنجا جلوگیری خواهد کرد اما فیلم روی گوشه‌هـای تـرک شـکل مـی‌گیـرد و آن را کاتـدی مـی‌کنـد. بنابراین، نوک ترک بیشتر خورده می‌شود.‌
2. ‌تئوری تنش جذب سطحی شامل شرا‌یط انرژی سطحی یا ضعیف شدن پیوند اتم‌های نزدیک سطح به وسیله جذب اجزاء محیط.

شکل دهی و تغییر شکل سرد، جوشکاری، عملیات حرارت دهی و ماشین کاری از جمله عوامل ایجاد تنش‌های باقیمانده هستند. بزرگی و اهمیت چنین تنش‌هایی اغلب نادیده انگاشته می‌شود. با وجود SCC معمولاً عمده سطح از حملات در امان است اما ترک‌های ریزی به عمق مواد نفوذ می‌نمایند. در میکرو استراکچر، این ترک‌ها می‌توانند از مورفولوژی intergranular یا transgranular برخوردار باشند. در ابعاد ماکرو، شکست‌های SCC ظاهری شکننده دارند. دما، فشار، نوع/غلظت/میزان فعالیت عوامل مهاجم، pH ، پتانسیل الکتروشیمیایی، ویسکوزیته محلول و هم زدن (عدم سکون) از جمله پارامترهای محیطی هستند که بر نرخ رشد ترک‌ها موثرند‌ که آن را می‌توان ‌‌یکی از مهمترین صور SCC‌، خوردگی تنشی ناشی از کلراید خوردگی بین دانه‌ای به حساب آورد.

این نوع خوردگی در مورد steel stainless austenitic تحت تنش در حضور یون‌های کلراید و اکسیژن و دمای بالا به وقوع می‌پیوندد. فولادهای کربنی در طیف وسیعی از محیط‌های متمایل به تشکیل فیلم پسیو محافظی از اکسیدها یا دیگر عوامل شامل محلول‌های قلیایی، فسفات‌ها، نیترات‌ها و کربنات‌ها ممکن است دچار SCC شوند.

روش‌‌های جلوگیری از SCC

• انتخاب صحیح مواد با توجه به نوع محیط
• حذف عواملی که به منجر به ایجاد تنش می‌شوند
• کاهش عوامل مهاجمی‌ نظیر هیدروکسیدها، کلریدها و اکسیژن
• بازدارنده‌های خوردگی
• پوشش‌ها و عایق‌های مناسب

فولادهای ساده کربنی گرچه در مقابل خوردگی عمومی ضعیفتر از فولادهای زنگ نزن هستند، اما در برابر SCC از فولادهای زنگ نزن مقاومترند. به عنوان اصل کلی، فولادهای کربنی و کم آلیاژی با استحکام کمتر در قبال SCC نسبت به فولادهای با استحکام بیشتر مقاوم‌ترند. با افزایش استحکام فولاد به ترک خوردن مستعدتر می‌شود.

ملاحظه‌های عمومی در مورد مکانیزم SCC مکانیزم SCC به دلیل پیچیدگی روابط فلز، فصل مشترک و محیط خورنده، هنوز بخوبی روشن نشده است. بیشتر نظرها بر این است که مکانیزم SCC در تمام سیستم‌های خورنده یکسان نیست. اما همه اذعان دارند که در بوجود آوردن و آغاز ترک‌ها، خوردگی رل مهمی بازی می‌کند. وجود حفره، شیار، یا هر غیر یکنواختی دیگر روی سطح، سبب تمرکز تنش در آن نقاط می‌شود و امکان ایجاد ترک را تسریع می‌کند. با شروع ترک، تمرکز تنش در راس شیار، به علت کوچکی شعاع شیار، به شدت افزایش و ترک ایجاد می‌شود.

خوردگی تنشی فولاد زنگ نزن

فولاد‌های زنگ نزن آستنیتی در معرض خوردگی تنشی قرار دارند. پاره‌ای از شرایط محیطی در خوردگی تنشی موثرند اما می‌توان آن‌ها به دو دسته بر اساس گسترش ترک دانه‌ای و مرز دانه‌ای تقسیم بندی کرد. خوردگی تنشی مرزدانه‌ای در محیط‌های با یون کلرید و یون‌های هیدروکسیل ایجاد می‌شود. ترک‌های دانه‌ای در محیط‌های آبی رخ می‌دهد اما به ایجاد نواحی حساس وابسته است. مهم‌ترین محیط‌هایی که منجر به ایجاد خوردگی تنشی در فولادهای زنگ نزن می‌شود، شامل موارد زیر است.

• محلول‌های کلریدی
• محلول‌های سود سوزآور
• اسید پلی تیونیک

‌تنش‌هایی که در مقادیر کمتر آن‌ها خوردگی تنشی رخ نمی‌دهد به خوبی مشخص شده‌اند اما باید مقدار آن کم‌تر در نظر گرفته شود زیرا تنش‌های باقی مانده جوش اغلب بسیار بالا هستند. خوردگی تنشی کلرید در فولادهای زنگ نزن معمولاً خوردگی تنشی کلرید در فولاد زنگ نزن آستنیتی به صورت مرزدانه‌ای و منشعب شده است. فاکتورهایی که سرعت و شدت ترک را تحت تاثیر قرار می‌دهند، مقدار کلراید، مقدار اکسیژن، دما، مقدار تنش و pH محلول‌های آبی هستند. به طور کلی، برای این که خوردگی تنشی کلریدی در فولادهای زنگ نزن رخ دهد غلظت کلرید باید ۳۰ ppm یا بیشتر باشد و اگر این غلظت در حدود ۲۰ ppm باشد معمولاً شرایط خورنده نیست. اگر چه در حالتی که مقدار اندکی کلرید وجود دارد، ممکن است تمرکز غلظت به صورت موضعی رخ داده و منجر به ایجاد ترک شود. با طراحی مناسب به عنوان مثال طراحی یک دریچه برای ایجاد جریان می‌توان از ایجاد مناطق با غلظت بالای کلرید جلوگیری کرد. بیشتر تخریب‌های ناشی از خوردگی تنشی بالای ۱۷۰ درجه فارنهایت (۷۵ درجه سانتی گراد) و ۱۲۰ درجه فارنهایت (۵۰ درجه سانتی گراد) معمولاً به عنوان حد آستانه برای خوردگی تنشی به کار می‌رود.

خوردگی تنشی سود سوز آور

خوردگی تنشی سود سوزآور در فولادهای زنگ نزن در دماهای بالاتر از ۱۲۰ درجه سانتی گراد رخ می‌دهد. در دماهای بالاتر، از انواع جدیدتر فولادهای زنگ نزن فریتی، نیکل و آلیاژهایی با درصد بالای نیکل به عنوان جایگزین برای فولاد زنگ نزن آستنیتی در اواپوراتور سوزآور استفاده می‌شود.

این مواد در بسیاری از کاربردهای صنعتی که با یون‌های کلرید سر و کار دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. خوردگی تنشی فولادهای زنگ نزن آستنیتی جوشکاری شده سطح فولادهای زنگ نزن آستنیتی درگیر تنش‌های کششی است که در هنگام ساخت یا در اثر اعمال تنش خارجی به وجود آمده‌اند و می‌توانند در محلول‌های کلریدی منجر به شکست مرزدانه‌ای شوند. اتصالات جوشکاری شده به دلایل زیر مستعد خوردگی تنشی هستند.

• فرآیند جوشکاری، تنش کششی باقی مانده‌ای را در منطقه جوش باقی می‌گذارد مگر اینکه عملیات تنش زدایی موثری پس از جوشکاری انجام گیرد.
• معمولاً تمرکز تنش وجود دارد‌.
• سیکل‌های حرارتی ممکن است ریز ساختار حساس شده ایجاد کند. عملیات حرارتی تنش زدایی می‌تواند یک راه حل جایگزین برای جلوگیری از خوردگی تنشی باشد.

خوردگی تنشی فولادهای زنگ نزن آستنیتی جوشکاری شده

سطح فولادهای زنگ نزن آستنیتی درگیر تنش‌های کششی است که در هنگام ساخت یا در اثر اعمال تنش خارجی به وجود آمده‌اند و می‌توانند در محلول‌های کلریدی منجر به شکست مرزدانه‌ای شوند. اتصالات جوشکاری شده به دلایل زیر مستعد خوردگی تنشی هستند.

• فرآیند جوشکاری، تنش کششی باقی مانده‌ای را در منطقه جوش باقی می‌گذارد مگر اینکه عملیات تنش زدایی موثری پس از جوشکاری انجام گیرد.
• معمولاً تمرکز تنش وجود دارد.
• سیکل‌های حرارتی ممکن است ریز ساختار حساس شده ایجاد کند. عملیات حرارتی تنش زدایی می‌تواند یک راه حل جایگزین برای جلوگیری از خوردگی تنشی باشد.

در این رابطه عملیات حرارتی حل سازی کامل در دمای ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد ممکن است مورد نیاز نباشد اما آنیل پایدار سازی در دمای ۸۷۰ تا ۹۵۰ درجه سانتی گراد معمولاً برای قطعات جوشکاری شده که در صنعت پتروشیمی به کار می‌روند برای جلوگیری از خوردگی اسید پلی تیونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترک برداشتن ناشی از خوردگی تنشی SCC فولاد کربنی در محیط آمونیاک

خوردگی تنشی آمونیاک علاوه بر فولاد کربنی، در مس، روی و آلیاژهای مس هم رخ می‌دهد. در کاربرد واشرها،‌Bearings  و رینگ‌های پیستون پمپ‌ها و کمپرسورهایی که در محیط آمونیاک کار می‌کنند، باید کنش، آمونیاک با مصالح فوق را در نظر گرفت. اما چون به علت‌های اقتصادی، ظروف نگهداری آمونیاک مایع تحت فشار یا فوق سرد، از فولادهای کربنی ساخته می‌شوند، مقوله ترک خوردگی تنشی فولادهای کربنی، در محیط آمونیاک مایع، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده است. عدم توجه به مکانیزم و د‌لایل این نوع خوردگی، می‌تواند سبب حوادث فاجعه بار شود. در عین حال با کنترل چند مقوله ساده، مخازن فولاد کربنی، برای زمان‌های طو‌لانی و گاهی بیش از ۱۰ سال به خوبی بهره برداری شده‌اند.

تاثیر دما بر SCC فولاد کربنی در محیط آمونیاک

دمای اتاق

در دمای معمولی اگر آلودگی اکسیژنی در سیستم نباشد، SCC  رخ نخواهد داد. اثر ناخالصی اکسیژن در فضای بالای مخزن که حاوی بخار آمونیاک است و آمونیاک در سطح فلز کندانس می‌شود، بسیار زیاد است. اگر میزان آب کمتر از ۵۰۰ppm تا ۱۰۰۰ باشد، حتی با مقدار ناچیزی از اکسیژن (کمتر از ppm ۰/۵ ) نیز، احتمال ایجاد ترک وجود دارد .

دمای ۳۳-

اصولاً در دمای پایین احتمال ایجاد ترک کمتر می‌شود. اگر میزان اکسیژن از ۰/۵ تا ۱ و آب کمتر از ppm ۱۰۰ پی پی ام باشد احتمال ایجاد ترک‌های ریز, وجود دارد، در حالتی که میزان اکسیژن از ۶-۱۰ و آب کمتر از ppm ۱۰۰ باشد ترک‌های بزرگتر رخ می‌دهد. بدترین حالت در این دما، مربوط به وقتی است که اکسیژن بیش از ۱۰ و آب کمتر از ۵۰ppm  شود.

اثر جوشکاری بر SCC فولاد کربنی در محیط آمونیاک مایع

طور کلی جوشکاری اثر نامناسبی بر SCC دارد. پس از جوشکاری، احتمال افزایش سختی، فلز جوش Metal Weld و ناحیه تحت تاثیر حرارت HAZ ‌ وجود دارد. مطالعات نشان می‌دهد که منطقه HAZ در جوش‌های ذوبی نسبت به فلز جوش دارای تنش پسماند و سختری بیشتری است. ترک‌ها در جوش و ناحیه تحت تاثیر حرارت سخت شده و دارای تنش پسماند، جمع می‌کنند. پیش گرمایی و تنش زدایی نقش زیادی در رفع سختی این نواحی دارد و از حساسیت به ترک می‌کاهد. توصیه می‌شود که تمام جوش‌های اتصال Head به Shell و جوش های طولی صد در صد پرتوگرافی شود. پس از تنش زدایی نیز توصیه می‌شود که جوش‌هایHead به Shell به ازای هر ۱/۵ متر طول، حداقل ۱۵ سانتی متر، پرتوگرافی شود.

بازرسی

برنامه مداوم بازرسی، می‌تواند ترک‌ها را در مراحل اولیه شناسایی و از حوادث فاجعه بار جلوگیری کند. بازرسی چشمی و غیر مخرب مناسب، از سطح داخلی مخازن بهترین روش کشف ترک‌های احتمالی، حتی در مقیاس بسیار کوچک است. اما در عین حال بازررسی داخلی، خطر ورود اکسیزن به سیسیتم را افزایش می‌دهد. در برنامه بازرسی باید توجه خاصی به تکنیک‌های خروج هوا از مخزن در زمان شروع بهره برداری شود. به د‌لایل فوق بازرسی از خارج مخزن، گرچه از لحاظ اطمینان و دقت، قابل مقایسه به بازرسی داخلی نیست، اما اهمیت زیادی کسب کرده است. مناسبترین روش آزمایش غیر مخرب در تشخیص ترک عبارتند از بازرسی چشمی، روش پودرهای مغناطیسی، مایع نافذ فلورسانس و التراسونیک با پروب زاویه دار، برنامه متناوب و منظم بازرسی اهمیت دارد.

راه حل‌هایی برای به حداقل رساندن احتمال وقوع ترک خوردگی تنشی در محیط آمونیاک مایع

• خارج کردن هوای درون مخزن با دمش Perge گازهای بی‌اثر، پس از باز شدن ورودی‌ها‌‌
• افزودن حداقل ۰/۲ درصد وزنی آب به آمونیاک‌
• استفاده از روش‌هایی که کندانس آمونیاک را به حداقل برساند. مانند پایین آوردن دمای آمونیاک، تا حدی که ممکن باشد
• استفاده از عملیات حرارتی نرم کردن Anneling ، پس از جوشکاری و ساخت، میزان تنش‌های پسماند منطقه تحت تاثیر حرارت و فلز جوش را کم می‌کند، سختی را کاهش و انعطاف پذیری Ductility را افزایش می‌دهد
• استفاده از فولاد با کمترین مقاومت کششی ممکن، احتمال ایجاد ترک را به حداقل می‌رساند

بازرسی دوره‌ای مرتب و طبق برنامه، بسیاری از ترک‌ها را در مرحله ابتدایی کشف می‌کند. الویت با بازرسی خارج از مخزن است. بهترین روش بازرسی غیر مخرب NDT‌، بازرسی چشمی، بازرسی با پودر مغناطیسی، Penetrant Flourescent Liquied، التراسونیک و  Emmision Acoustic است. / همیار ناظر