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

دسته: فنی و مهندسی

فرمت فایل: doc

حجم فایل: 2492 کیلوبایت

تعداد صفحات فایل: 78

...کلیک جهت دانلود...


سه فایل مشابه؟


  • بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی
  • مقاله بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی
  • پروژه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی
  • تحقیق بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی ت
  • پایان نامه بررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بین دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن استیلی

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

مقدمه

فولادهای زنگ نزن 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 تنش زدایی که بر فولاد اعمال می شود، ممکن است باعث رسوب فاز کاربید کروم در مرز دانه های 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 دانه ای’ حساس بشود. اگر فولاد تحت این شرایط، در محیط سرویس قرار بگیرد، مناطق حساس شده، خورده می شوند و در نهایت، قطعه دچار شکست ناشی از خوردگی خواهد شد.

طبق آمارهای موجود، سهم عمده ای از شکست قطعات در صنایع، شکست ناشی از خوردگی می باشد که قسمتی از آن نیز به خوردگی بین دانه ای مربوط می شود. در نتیجه، با توجه به اهمیت موضوع، هنگام انتخاب فولاد، باید از مقاومت به خوردگی بین دانه ای فولاد مورد نظر، بعد از اتمام پروسه های ساخت، اطمینان حاصل نمود.

خوردگی بین دانه ای، 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 ملاحظه ای اتفاق افتاده است. با این همه، کماکان این سئوال مطرح است که هم اکنون نیز در استفاده از این فولادها، با پدیده خوردگی بین دانه ای روبرو می شویم یا خیر؟

نتیجه تحقیقات فراوان انجام شده در سالیان گذشته و یافته های 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 دانه ای می تواند 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 روش های جلوگیری از آن اختصاص دارد. Knife Line Attack نیز نوعی خوردگی موضعی است که مکانیزم آن با مکانیزم خوردگی بین دانه ای تفاوت دارد و در فولادهای تثبیت شده اتفاق می افتد، ولی به علت شباهت به خوردگی بین دانه ای، در بعضی مراجع، نوعی از خوردگی بین دانه ای در نظر گرفته می شود.

1-1- تعریف خوردگی

به تغییراتی که در نتیجه واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی مواد با محیط اطراف آنها ایجاد شده و باعث تخریب تدریجی قطعات می شود، خوردگی گفته می شود. خوردگی، یک واکنش نامطلوب است که سبب جدا شدن تدریجی اتمها از سطح قطعات و تخریب آنها می شود که در نهایت باعث شکست قطعه شده و خساراتی را بوجود می آورد] 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) می تواند به خوردگی کمک کند] 1 [.

پدیده خوردگی، در اغلب فلزات و آلیاژهای آنها ظاهر می شود 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 خوردگی های مرسوم پرداخته می شود.

1-2- خوردگی الکتروشیمیایی

متداولترین نوع خوردگی، خوردگی الکتروشیمیایی است. این نوع خوردگی غالباً در محیط آبی که شامل یونهای نمک محلول است رخ می دهد. بنابراین آب حاوی یونها، از مایعات الکترولیتی محسوب می شود که محیط مناسبی برای انجام بیشترین واکنشهای خوردگی است. برای درک بهتر خوردگی الکتروشیمیایی، در ذیل، به تشریح واکنشهای الکتروشیمیایی پرداخته می شود] 1 [.

موقعی که قطعه فلزی، در مایع الکترولیتی (مانند HCl) قرار گیرد، اتمهای فلز در اسید حل می شوند یا به عبارتی، توسط اسید خورده می شوند. بدین صورت اتمهای فلز طبق واکنش، به صورت یون، از فلز جدا می شوند و داخل الکترولیت قرار می گیرند. به این ترتیب مدار الکتریکی در سیستم (بین فلز و الکترولیت) برقرار می شود. مطابق شکل 1-1 این سیستم دارای 4 جزء است:

1- آند: الکترونها را به مدار داده و یونهای فلزی از آن جدا می شوند و آند زنگ می زند.

2- کاتد: الکترونها را می گیرد.

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

4- الکترولیت مایع: که باید با آند و کاتد در تماس باشد. الکترولیت هادی بوده و مدارالکتریکی را کامل می کند. الکترولیت ها، وسیله حرکت یونهای فلزی را از سطح آند به سمت کاتد تأمین می کنند] 1 [.

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

بنابراین واکنشهای خوردگی الکتروشیمیایی، با واکنشهای اکسیداسیون که الکترونها را تولید می کند و واکنشهای احیاء که آنها را مصرف می کند، 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 می گیرد به صورتی که فلز، یونیزه می شود:

(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 می شود (واکنش احیاء)، واکنش کاتدی نامیده می شود:

(2) (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 شکل گیری یونهای فلز در محلولهای مایع به کار می رود، 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 می رود. خوردگی یکنواخت هنگامی اتفاق می افتد که شار یونهای فلزی از سطح و شار یون های کاتدی (روابط 1 و 2 در صفحه قبل) به سطح، در ابعاد اتمی، یکنواخت باشد. از نقطه نظر عملی، خوردگی یکنواخت هنگامی اتفاق می افتد 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 مرزدانه ها، عیوب کریستالی نظیر نابجائیها، پله های 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 می دهند (مثلا’ بعضی صفحات در محیط های آبی آندی تر می شوند). دانه های 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 می شود. در بعضی حالات، حمله خوردگی بسیار موضعی است و به شکست موضعی (localized failure) منجر می شود] 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 می افتدکه 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 می گیرند و وقتی که در سرعتهای بالا سرد شده باشند، رفتار مقاوم به خوردگی از خود نشان می دهند. مقاومت به خوردگی فقط برای ترکیبات آلیاژی بدست می آید 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 می کنند 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 تنش زدایی اهمیت دارد] 2 [.

خوردگی های موضعی، بطور متداول در فولادهای زنگ نزن بویژه در فولادهای زنگ نزن اوستنیتی، اتفاق می افتد. 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 زنگ نزن بوده اند، 2/55 درصد آن مربوط به خوردگی می باشد. همانطوریکه در جدول1-1 نشان داده شده است، قسمت عمده شکست های ناشی از خوردگی، به خوردگی های موضعی از نوع SCC، IGC، Pitting، Corrosion Fatigue و Crevice corrosion ارتباط دارد. از این بین، حدود 6/5 درصد شکست ها نیز به خوردگی بین دانه ای مربوط می شود] 3 [.

شکل 2‑1- رابطه بین انرژی جوش و ماکزیمم زمانی که HAZ بین دماهای 550 و 850 درجه سانتی گراد قرار می گیرد. محدوده پایینی برای دمای بین پاسی 100 درجه سانتی گراد و محدوده بالایی برای دمای اتاق] 5 [.

بطور مشابه، یک پاس جوش با یک انرژی جوش مشخص، حساسیت کمتری در یک ورق ضخیم نسبت به یک ورق نازک ایجاد می کند. این مسأله در شکل 2-1 در نظر گرفته شده و برای فولاد با ضخامت 3 تا 16 میلی متر می باشد. اگر ضخامت فولاد نازکتر باشد، ناحیه، به سمت راست حرکت می کند] 5 [.

با استفاده از شرایط مرزی نشان داده شده توسط خطوط و ، مقداری که اتصال به خوردگی بین دانه ای حساس می شود، می تواند با در نظر گرفتن یک حد محافظه کارانه فقط به انرژی جوش ربط داده شود و دیگر احتیاجی نیست که Heat Sink اتصال را هم در نظر بگیریم] 5 [.

بسیاری از سازه ها از جوشهای چند پاسه بوجود آمده اند و در این حالت، در حساسیت به خوردگی بین دانه ای، بیش از یک پاس سهیم اند که همه آنها باید در نظر گرفته شوند. چون حداکثر زمان قرار گرفتن HAZ بین 850 – 550 درجه سانتی گراد مستقیما’ به انرژی جوش بستگی دارد، حداکثر زمانی که در آن حساسیت اتفاق می افتد، می تواند بر حسب یک انرژی جوش جمعی (Accumulative) پاسهای جوش، توصیف شود. حال این نکته مطرح است که چند تا از این پاسها بر حساسیت یک ناحیه مورد نظر در HAZ به خوردگی بین دانه ای اثر می گذارند. شکل 2-2 ما را در بررسی اثر پاسهای دیگر راهنمایی می کند. در این شکل، فاصله ایزوترم 550 درجه سانتی گراد از خط ذوب (یعنی حداکثر فاصله ای از جوش که در آن خوردگی بین دانه ای می تواند اتفاق بیفتد) در مقابل عرض بستر جوش، به عنوان پارامتری که به آسانی می تواند دیده شود، رسم شده است. این شکل، برای همان محدوده ضخامت و فرایندهای مربوط به شکل 2-1 رسم شده است. همانطوریکه ملاحظه می شود، حداکثر عرضی از فولاد که می تواند حساس شود، در هر طرف جوش حدودا’ مساوی عرض بستر جوش می باشد (یعنی همان خط ST).

برای نشان دادن این روش برای ارزیابی اثر حساس کنندگی جوشهای چند پاسه، شکل 2-3، یک جوش لب به لب در مخزنی از جنس فولاد زنگ نزن با ضخامت دیواره 10 میلی متر را نشان می دهد. ابتدا باید تعیین کرد که چند پاس، در حساسیت دیواره بیرونی که در تماس با محیط سرویس است، یعنی نقطه X ، اثر دارند. عرض بستر جوش تقریبا’ 4 میلی متر است. با دنبال کردن خط چین در شکل 2-2 مشاهده می شود که خط ایزوترم 550 درجه سانتی گراد، در 6 میلیمتری خط ذوب قرار می گیرد. پس نتیجه می گیریم که فقط پاسهای 1، 2 و3 باعث می شوند که نقطه مورد نظر، در محدوده دمایی حساسیت قرار بگیرد. انرژی جوش برای هر پاس محاسبه می شود و Total Sensivity Heat Input این پاسها بدست می آید] 5 [.

Distance of 550 c isotherm from fusion boundary, mm

شکل 2‑2- رابطه بین عرض بستر جوش و ماکزیمم فاصله ای از جوش که خوردگی بین دانه ای می تواند اتفاق بیفتد. محدوده بالایی برای شرایط جوشکاری معمولی با دمای بین پاسی 100 درجه سانتی گراد و محدوده پایینی برای پاسهای Cosmetic با استفاده از فرایند TIG در ورق های نازک] 5 [.

شکل 2‑3- نمونه ای از یک اتصال لب به لب که پاسهای جوشی که باعث حساسیت در نقطه X می شود را نشان می دهد] 5 [. A: ایزوترم c550 برای پاسهای 1، 2 و 3. B: ایزوترم c 550 برای پاسهای 4، 5 و 6.

هرچند این Approach بسیار ساده است، حساسیت در دمای 550 درجه سانتی گراد، بسیار آهسته اتفاق می افتد و بنا براین روش، محافظه کارانه است] 5 [. یک اصلاح کوچک باید در شکل 2-2 انجام شود. پاسهای Cosmetic معمولا’ با استفاده از فرایند TIG بدون استفاده از فیلر یا با استفاده از فیلر به مقدار کم، انجام می شود. در این حالت، سرعت جوشکاری خیلی کم و انرژی جوش از مقدار پیش بینی شده بالاتر است، مخصوصا’ در ورقهای نازک. در این موقعیتها، ایزوترم 550 درجه سانتی گراد می تواند 2 یا 3 برابر عرض بستر جوش باشد و پیشنهاد می شود که خط به جای خط استفاده شود. اگرچه این اثر، اهمیت عملی چندانی ندارد؛ زیرا انرژی جوش در این شرایط هنوز هم در مقایسه با مثلا’ روش SAW نسبتا’ کمتر است و احتمال کمی برای وقوع خوردگی بین دانه ای در سرویس وجود دارد] 5 [.

دو نکته دیگر باید برای تعیین مقدار حساسیت با عملیات جوشکاری در نظر گرفته شود. اول اینکه همانطوریکه نشان داده شد، تغییر شکل پلاستیک اولیه فولاد نظیر آنچه در عملیات شکل دهی سرد انجام می شود، اثر مهمی بر روی حساسیت در طول جوشکاری ندارد و دوم اینکه در جوشکاری چند پاسه ممکن است در شرایطی، حرارت دادن بین پاسها در دمایی بالاتر از دمای اتاق انجام شود. با توجه به شکل 2-1، جایی که زمان حساسیت با دمای بین پاسی 100 درجه سانتی گراد، اندازه گیری می شود، مجازیم که زمان حساسیت را به انرژی جوش ربط بدهیم. این نکته قابل ذکر است که در انرژی جوشهای کم، در جوشکاری فولادها تا ضخامت حداکثر 6 میلی متر، دمای بین پاسی تأثیر چندانی در زمان حساسیت ندارد. ولی در انرژی جوشهای بالاتر، دمای بین پاسی اهمیت بیشتری پیدا می کند و می تواند تأثیر قابل ملاحظه ای بر زمان حساسیت داشته باشد. اگرچه دمای بین پاسی اثر چندانی در حداکثر عرض منطقه HAZ که تا بالای دمای 550 درجه سانتی گراد، حرارت داده می شود، ندارد]

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

...کلیک جهت دانلود...