پروژهبررسی دو نوع خوردگی، خوردگی بين دانه ای و خوردگی توام با تنش در فولادهای زنگ نزن آستنيتی

۱-مقدمه

فولادهاي زنگ‌نزن اوستنيتي به علت دارا بودن خواص مكانيكي مناسب و مقاومت عالي به خوردگي، كاربردهاي فراواني در صنايع مختلف دارند. اگر چه حالت كارشده (Wrought) اين فولادها، مقاوم به خوردگي است، اما حالت جوشكاري شده آن ممكن است مقاوم به خوردگي نباشد. سيكل حرارتي ناشي از جوشكاري و يا عمليات حرارتي تنش‌زدايي كه بر فولاد اعمال، ممكن است باعث رسوب فاز كاربيد كروم در مرز دانه‌هاي فولاد، در منطقه متأثر از جوش بشود.

نتيجه اين فرايند، كاهش غلظت عنصر كروم در مناطق چسبيده به رسوبها است كه ممكن است اين اختلاف غلظت در تركيب شيميايي، باعث از دست رفتن مقاومت فولاد به خوردگي بشود و فولاد به نوعي خوردگي به نام “خوردگي بين دانه‌اي” حساس بشود. اگر فولاد تحت اين شرايط، در محيط سرويس قرار بگيرد، مناطق حساس شده، خورده مي‌شوند و در نهايت، قطعه دچار شكست ناشي از خوردگي خواهد شد.

طبق آمارهاي موجود، سهم عمده‌اي از شكست قطعات در صنايع، شكست ناشي از خوردگي مي‌باشد كه قسمتي از آن نيز به خوردگي بين دانه‌اي مربوط مي‌شود. در نتيجه، با توجه به اهميت موضوع، هنگام انتخاب فولاد، بايد از مقاومت به خوردگي بين دانه‌اي فولاد مورد نظر، بعد از اتمام پروسه‌هاي ساخت، اطمينان حاصل نمود.
خوردگي بين دانه‌اي، اولين بار حدود ۷۵ سال پيش شناخته شد. از آن موقع به بعد، تحقيقات فراواني به منظور شناخت بهتر اين پديده و روشهاي جلوگيري از آن صورت گرفت. در طول اين مدت، در عمليات توليد فولاد و روشهاي جوشكاري آن، تغييرات قابل ملاحظه‌اي اتفاق افتاده است. با اين همه، كماكان اين سئوال مطرح است كه هم اكنون نيز در استفاده از اين فولادها، با پديده خوردگي بين دانه‌اي روبرو مي‌شويم يا خير؟

نتيجه تحقيقات فراوان انجام شده در ساليان گذشته و يافته‌هاي محققان در زمينه مقابله با اين پديده در اين گزارش آورده شده است. شرايط تركيب شيميايي، روشهاي جوشكاري، عمليات حرارتي و شرايط محيطي كه تحت آن خوردگي بين دانه‌اي مي‌تواند اتفاق بيفتد، مشخص شده و روشهاي جوشكاري براي حداقل كردن اين پديده، معرفي شده است.

قسمتي از اين گزارش به پديده Knife Line Attack و مكانيزم تشكيل و روش‌هاي جلوگيري از آن اختصاص دارد. Knife Line Attack نيز نوعي خوردگي موضعي است كه مكانيزم آن با مكانيزم خوردگي بين دانه‌اي تفاوت دارد و در فولادهاي تثبيت شده اتفاق مي‌‌افتد، ولي به علت شباهت به خوردگي بين دانه‌اي، در بعضي مراجع، نوعي از خوردگي بين دانه‌اي در نظر گرفته مي‌شود.

۱-۱- تعريف خوردگي

به تغييراتي كه در نتيجة واكنش‌هاي شيميايي يا الكتروشيميايي مواد با محيط اطراف آنها ايجاد شده و باعث تخريب تدريجي قطعات مي‌شود، خوردگي گفته مي‌شود. خوردگي، يك واكنش نامطلوب است كه سبب جدا شدن تدريجي اتمها از سطح قطعات و تخريب آنها مي‌شود كه در نهايت باعث شكست قطعه شده و خساراتي را بوجود مي‌آورد ]۱[.

سرعت فعل و انفعالات خوردگي به عواملي مانند درجه حرارت و غلظت محيط اثركننده بستگي دارد. البته عوامل ديگري نيز مانند تنش مكانيكي (Stress) و فرسايش (Erosion) مي‌تواند به خوردگي كمك كند ]۱[.
پديده خوردگي، در اغلب فلزات و آلياژهاي آنها ظاهر مي‌شود زيرا اغلب فلزات و آلياژها تمايل به ايجاد تركيباتي با اتمها يا مولكولهايي از محيط اطراف خود كه تحت شرايط موجود از لحاظ ترموديناميكي پايدار است، دارند. فقط تعداد كمي از فلزات مانند طلا يا پلاتين، تحت شرايط معمولي پايدار هستند و تمايلي به ايجاد واكنش با محيط اطراف ندارند ]۱[.

در ادامه اين فصل به تشريح برخي از خوردگي‌هاي مرسوم پرداخته مي‌شود.

۱-۲- خوردگي الكتروشيميايي

متداولترين نوع خوردگي، خوردگي الكتروشيميايي است. اين نوع خوردگي غالباً در محيط آبي كه شامل يونهاي نمك محلول است رخ مي‌دهد. بنابراين آب حاوي يونها، از مايعات الكتروليتي محسوب مي‌شود كه محيط مناسبي براي انجام بيشترين واكنشهاي خوردگي است. براي درك بهتر خوردگي الكتروشيميايي، در ذيل، به تشريح واكنشهاي الكتروشيميايي پرداخته مي‌شود ]۱[.

موقعي كه قطعة فلزي، در مايع الكتروليتي (مانند HCl) قرار گيرد، اتمهاي فلز در اسيد حل مي‌شوند يا به عبارتي، توسط اسيد خورده مي‌شوند. بدين صورت اتمهاي فلز طبق واكنش ، به صورت يون، از فلز جدا مي‌شوند و داخل الكتروليت قرار مي‌گيرند. به اين ترتيب مدار الكتريكي در سيستم (بين فلز و الكتروليت) برقرار مي‌شود. مطابق شكل ۱-۱ اين سيستم داراي ۴ جزء است:
۱- آند: الكترونها را به مدار داده و يونهاي فلزي از آن جدا مي‌شوند و آند زنگ مي‌زند.
۲- كاتد: الكترونها را مي‌گيرد.
۳- اتصال الكتريكي: به منظور جريان الكترونها از آند به سمت كاتد و ادامه واكنش بين آند و كاتد برقرار مي‌شود.
۴- الكتروليت مايع: كه بايد با آند و كاتد در تماس باشد. الكتروليت هادي بوده و مدارالكتريكي را كامل مي‌كند. الكتروليت‌ها، وسيلة حركت يونهاي فلزي را از سطح آند به سمت كاتد تأمين مي‌كنند ]۱[.

شكل ۱ ۱- اجزاي يك پيل ساده الكتروشيميايي]۱[.

بنابراين واكنشهاي خوردگي الكتروشيميايي، با واكنشهاي اكسيداسيون كه الكترونها را توليد مي‌كند و واكنشهاي احياء كه آنها را مصرف مي‌كند، در ارتباط است. هر واكنش، يعني واكنشهاي اكسيداسيون و احياء بايد همزمان و با سرعت يكسان انجام شوند. واكنش زير بصورت اكسيداسيون در آند انجام مي‌گيرد به صورتي كه فلز، يونيزه مي‌شود :
(۱) (به داخل فلز) (به داخل الكتروليت) (در سطح فلز) برعكس، واكنش زير كه در آن فلز با گرفتن الكترون به صورت فلز اتمي آزاد مي‌شود (واكنش احياء)، واكنش كاتدي ناميده مي‌شود :
(۲) (رسوب در سطح ‌خارجي‌ كاتد) (الكترون ‌از فلز) (يون ‌موجود در الكتروليت)

تمايل فلزات براي خوردگي در محيط خورندة خاص متفاوت است. يكي از روشهايي كه براي مقايسه تمايل فلزات براي شكل‌گيري يونهاي فلز در محلولهاي مايع به كار مي‌رود، مقايسه پتانسيلهاي اكسيداسيون يا احياي نيم پيل آنها با پتانسيل مربوط به نيم پيل يون هيدروژن به عنوان مبناست (الكترود هيدروژن استاندارد) ]۱[.

۱-۳- خوردگي يكنواخت و خوردگي موضعي

عنوان خوردگي موضعي، در مقايسه با خوردگي يكنواخت به كار مي‌رود. خوردگي يكنواخت هنگامي اتفاق مي‌افتد كه شار يونهاي فلزي از سطح و شار يون‌هاي كاتدي (روابط ۱ و ۲ در صفحه قبل) به سطح، در ابعاد اتمي، يكنواخت باشد. از نقطه نظر عملي، خوردگي يكنواخت هنگامي اتفاق مي‌افتد كه سايتهاي (sites) موضعي كاتدي و آندي، به اندازه كافي كوچك باشند و بطور يكنواخت توزيع شده باشند تا به شكست به واسطه موضعي شدن واكنش آندي منجر نشوند. در واقع، هر ناهمواري فيزيكي در سطح فلز، به تشكيل يك آند موضعي تمايل دارد مانند مرزدانه‌ها، عيوب كريستالي نظير نابجائيها، پله‌هاي سطحي، فازهاي متفاوت و سطح خشن ناشي از ماشينكاري، سنگ زدن، خراش و … . همچنين صفحات كريستالي مختلف شبكه كريستالي از يك فلز، آرايش اتمي مختلف دارند و رفتار الكتروشيميايي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند (مثلا” بعضي صفحات در محيط‌هاي آبي آندي‌تر مي‌شوند).

دانه‌هاي سطحي از يك فلز پلي كريستال ممكن است در معرض محيط خورنده، سرعت خوردگي متفاوتي از خود نشان دهند. اغلب اوقات اين اختلاف در رفتار موضعي كوچك است و در مقياس ماكروسكوپي خوردگي بصورت يكنواخت ظاهر مي‌شود. در بعضي حالات، حمله خوردگي بسيار موضعي است و به شكست موضعي (localized failure) منجر مي‌شود ]۲[.
خوردگي موضعي ممكن است در اثر عوامل مختلفي اتفاق بيفتد. در مورد خوردگي مورد نظر ما، خوردگي موضعي در اثر تغيير در تركيب شيميايي اتفاق مي‌افتدكه عبارتست از جدايش شيميايي در نتيجه رسوب يك فاز از محلول جامدي كه از نظر ترموديناميكي ناپايدار است. تعداد زيادي از

آلياژها هنگامي كه در سرويس قرار مي‌گيرند و وقتي كه در سرعتهاي بالا سرد شده باشند، رفتار مقاوم به خوردگي از خود نشان مي‌دهند. مقاومت به خوردگي فقط براي تركيبات آلياژي بدست مي‌آيد كه در دماي بالا محلول جامد كاملي تشكيل دهند و اين محلول جامد در سرعتهاي سرد كردن عملي، باقي بماند. اگر سرد شدن خيلي آرام باشد يا به دنبال كوئنچ كردن (سرد كردن

سريع) دوباره آلياژ را تا دماي نسبتا” بالا حرارت دهيم، يك يا چند فاز از محلول جامد رسوب مي‌كنند و تغييرات موضعي در تركيب شيميايي به واسطه تشكيل رسوب ممكن است آلياژ را به خوردگي موضعي حساس كند. بسته به نوع آلياژ، زمان مورد نياز براي رسوب، ممكن است از چند ثانيه تا چند ساعت باشد. زمانهاي كم در جوشكاري و زمانهاي بالا در تنش‌زدايي اهميت دارد ]۲[.
خوردگي‌هاي موضعي، بطور متداول در فولادهاي زنگ‌نزن بويژه در فولادهاي زنگ‌نزن اوستنيتي، اتفاق مي‌افتد. طبق آماري كه از صنايع شيميايي Dupont منتشر شده است، از ۶۸۵ مورد

شكست در خطوط لوله و تجهيزات اين كارخانه در مدت ۴ سال كه بيشتر از۹۰ درصد آنها از جنس فولاد زنگ‌نزن بوده‌اند، ۲/۵۵ درصد آن مربوط به خوردگي مي‌باشد. همانطوريكه در جدول۱-۱ نشان داده شده است، قسمت عمده شكست‌هاي ناشي از خوردگي، به خوردگي‌هاي موضعي از نوع SCC، IGC، Pitting، Corrosion Fatigue و Crevice corrosion ارتباط دارد. از اين بين، حدود ۶/۵ درصد شكست‌ها نيز به خوردگي بين دانه‌اي مربوط مي‌شود]۳[.

جدول۱ ۱: درصد شكست‌هاي ناشي از خوردگي در صنايع Dupont در مدت ۴ سال]۳[.

۱-۴- اثر جوشكاري بر خوردگي

اگر چه شكل كار شده (Wrought) يك فلز يا آلياژ در يك محيط بخصوص، مقاوم به خوردگي است، ولي حالت جوشكاري شده آن ممكن است مقاوم به خوردگي نباشد. اگر چه مثالهاي بسياري وجود دارد كه در آنها فلز جوش، مقاومت به خوردگي بهتري نسبت به فلز پايه جوشكاري نشده نشان مي‌دهد، در مواقعي نيز فلز جوش، مقاومت به خوردگي خود را از دست مي‌دهد. شكست ناشي از خوردگي در جوش در حالتي كه فلز پايه و فيلر به درستي انتخاب شوند و كدها و

استانداردهاي صنعتي هم رعايت شوند و جوش با نفوذ كامل و داراي شكل مناسب هم رسوب داده شود، مي‌تواند اتفاق بيفتد]۴[. بعضي اوقات مشكل است كه بفهميم چرا جوشها خورده مي‌شوند، ولي بطور كلي يك يا چند مورد از فاكتورهاي زير ممكن است در خوردگي جوشها مؤثر باشند:
طراحي جوش
تكنيكهاي توليد (Fabrication Technique)
عمليات جوشكاري (Welding Practice)
پاسهاي جوشكاري (Welding Sequence)
رطوبت
ذرات معدني و آلي
پوسته و فيلم اكسيدي
سرباره و Spatter جوش
ذوب يا نفوذ ناقص جوش
تخلخل
ترك ها (شيارها)
تنشهاي پسماند بالا
انتخاب نادرست فيلر
پرداخت نهايي سطح (Final Surface Finish)

۱-۵- پديده‌هاي متالورژيكي ناشي از جوشكاري

سيكل گرم شدن و سرد شدن كه در طول فرايند جوشكاري اتفاق مي‌افتد، بر زير ساختار و تركيب سطح جوشها و فلز پايه مجاور تأثير مي‌گذارد. در نتيجه، ممكن است جوشهاي بدون فيلر و جوشهايي كه با فيلري كه از نظر تركيب شيميايي با فلز پايه يكسان است ((match بوجود بيايند و به خاطر يك يا چند عامل از عوامل زير، مقاومت به خوردگي كمتري نسبت به فلز پايه‌اي كه به درستي آنيل شده است، داشته باشند]۴[

:
Micro Segregation
رسوب فازهاي ثانويه
تشكيل نواحي مخلوط نشده (Unmixed zone)
تبلور مجدد و رشد در منطقة HAZ
تبخير عناصر آلياژي از حوضچه جوش مذاب
آلودگي هاي حوضچه جوش منجمد شونده

۱-۵-۱- تغييرات فازي و جدايش

بعضي اوقات لازم است كه پس از عمليات جوشكاري، عمليات تنش‌زدايي بر روي مقاطع سنگين از جنس فولادهاي زنگ‌نزن انجام شود و اين عمليات معمولا” شامل نگه‌ داشتن قطعه در دماي ۸۵۰ درجه سانتي‌گراد براي مدت چند ساعت مي‌باشد. دماهاي كاري براي فولادهاي ۱۸Cr-10Ni تا حدود ۷۵۰ درجه سانتي‌گراد و براي grade هاي مقاوم در برابر حرارت (Heat Resisting) در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتي‌گراد مي باشد. در اين دماها و مخصوصا در محدوده ۹۰۰-۶۰۰ درجه، استحاله فريت به فازهاي σ وχ و رسوب كاربيدها، ممكن است اتفاق بيفتد]۶[.
تركيب شيميايي فازهاي σ وχ در فلز جوش فولاد ۳۱۶ پس از عمليات حرارتي در دماي ۸۵۰ درجه سانتي‌گراد، در جدول۱-۲ آمده است. تشكيل فازهاي σ و χ با افزايش درصد موليبدن و كروم، ترغيب مي‌شود و به عنوان مثال، در يك نمونه فلز جوش از جنس فولاد ۳۱۶، فريت از اين عناصر

غني مي‌باشد. جدول ۱-۳ تركيب شيميايي دو فلز جوش، يكي حاوي ۶ درصد فريت و ديگري حاوي ۱۸ درصد فريت را نشان مي‌دهد. همانطوريكه ملاحظه مي‌شود، جدايش موليبدن در فريت، بسيار زياد مي‌باشد كه اين امر، تشكيل مقدار قابل توجهي فاز σو χ را در فلز جوشي كه حاوي فريت بيشتري است، پس از عمليات حرارتي در دماي ۸۵۰ درجه سانتي‌گراد، نتيجه مي‌دهد]۶[.

جدول ۱ ۲: تركيب شيميايي فازهاي حاصل از تجزيه فريت و فاز كاربيد]۶[.

مطالعات نشان داده كه فلز جوشهاي كروم ـ نيكل اوستنيتي به Microsegregationحساسند و اين حساسيت اولا” به دليل تشكيل دندريت و ثانيا” به خاطر تقسيم شدن عناصر حل شونده بين دو فاز فريت و اوستنيت و ثالثا” به خاطر رسوب كاربيد و تركيب‌هاي بين فلزي مي‌باشد. اگر اين اثر به اندازه كافي شديد باشد، باعث تهي شدن بعضي نواحي، از كروم و موليبدن مي‌شود تا حدي كه مقاومت به خوردگي آنها به مقدار زيادي كاهش مي‌يابد]۶[.

جدول ۱‏۰ ۳: تركيب شيميايي اوستنيت و فريت در فولاد زنگ‌نزن ۳۱۶ در شرايط as-weld ]6[.

همچنين، جدايش، پسيو بودن فلز جوش را تا حدي كاهش مي‌دهد كه نسبت به اطراف خود آندي مي‌شود، و اين امر باعث خوردگي ترجيحي فلز جوش مي‌شود. در شرايطي كه اين حمله امكان‌پذير است و براي آلياژهايي كه حاوي موليبدن هستند (به اندازه فولاد ۳۱۶ )، اثر جدايش مي‌تواند با افزايش درصد موليبدن و كروم جبران شود و توليد‌كنندگان الكترودهاي پوشش‌دار، اين نكته را در نظر مي‌گيرند]۶[.
مسأله جدايش براي فولادهاي سوپر اوستيني بسيار شديدتر است. اين فولادها براي مقاومت در محيط‌هايي با خورندگي شديد به كار مي‌روند نظير محيط‌هايي كه حاوي يونهاي كلريد مي‌باشند. اين فولادها معمولآ حاوي حدود ۶ درصد موليبدن مي‌باشند. درمورد اين فولادها، جبران كردن اثر

جدايش با آلياژهاي پايه آهن امكان پذير نيست، بنابراين براي جوشكاري اين فولادها، از مواد مصرفي پايه نيكل استفاده مي‌شود. جدول ۱-۴ مقايسه تركيب شيميايي يك آلياژ با تركيب شيميايي نوك دندريت آن و تركيب شيميايي نواحي بين دندريتي، براي رسوب جوش حاصل از فولاد سوپر اوستيتي بدون استفاده از فيلر و با استفاده از فيلر پايه نيكل با دو تركيب شيميايي مختلف را نشان مي‌دهد]۶[.

جدول ۱ ۴: Microsegregation فولاد زنگ‌نزن سوپر اوستنيتي]۶[.

۱-۶- خوردگي بين دانه‌اي

رسوب از يك محلول جامد ناپايدار است و چون مرزدانه‌ها مسيرهاي نفوذ مناسب و نيز مكانهاي جوانه زني مناسب براي رسوب فازها هستند، معمولا” در مرزدانه‌ها اتفاق مي‌افتد (انرژي لازم براي تشكيل يك رسوب در مرزدانه‌ كم است). همراه اين فرايند، يك گراديان تركيب شيميايي به واسطه تهي شدن نواحي اطراف مرزدانه از عنصر حل شونده (كه فصل مشترك‌هاي فاز رسوب كرده با دانه‌هاي اطراف است)، بوجود مي‌آيد. نتيجه اين فرايندها، غلظت كمتر عنصر حل شونده در مناطقي از محلول جامد چسبيده به رسوبها است كه ممكن است اين اختلاف در تركيب شيميايي براي شروع خوردگي در اين نواحي موضعي كافي باشد]۲[.
يك متغير مهم، مقدار پيوستگي فاز رسوب كرده در مرزدانه‌هاست. اگر اين رسوب مانند مورد a در شكل ۲ دورتادور دانه‌ها بطور پيوسته باشد، تمام مرزدانه‌ها يك ناحيه پيوسته در اطرافشان خواهند داشت كه از عنصر حل شونده (كه به سمت مرزدانه‌ها نفوذ مي‌كند) تهي شده است.

اگر رسوب ناپيوسته باشد، مانند مورد b در شكل ۱-۲، مناطقي در مرز دانه بين ذرات رسوب كرده وجود دارد كه از نظر تركيب شيميايي تغيير نكرده و يا كمتر تغيير كرده است]۲[. حمله خوردگي به اين بستگي خواهد داشت كه كداميك از نواحي قسمت تغيير نكرده داخل دانه، نواحي تهي شده چسبيده به مرزدانه‌ها و فاز رشد كرده، تمايل دارند به عنوان سطح كاتدي يا آندي عمل كنند]۲[.

شكل ‏۰۱-۲- نمايش شماتيك ريزساختار حساس به خوردگي بين دانه‌اي a: رسوب پيوسته و b: رسوب ناپيوسته]۲[.
اگر فاز دوم رسوب كرده، پيوسته باشد و نسبت به هر دو ناحيه تهي شده و كمتر تهي شده (يا دست نخورده) محلول جامد اطراف، آندي باشد، رسوب خورده مي‌شود و يك شكاف پيوسته بوجود مي‌آورد كه تمايل به منتشر شدن در دورتا دور دانه دارد، اين مورد در شكل ۱-۳ قسمت a نشان داده شده است. همچنين طبق مورد b‌ درشكل ۱-۳، اگر فاز دوم ناپيوسته و آندي باشد، رسوب

خورده مي‌شود وحفره‌هاي ايزوله (isolated pit) در طول مرزدانه‌ها بوجود مي‌آورد. روشن است كه در حالت اول، شرايط سخت تري بوجود مي‌آورد كه به جدايش كامل دانه‌ها در طول مرزدانه و جدايش (disintegration) احتمالي آلياژ منتهي مي‌شود ]۲[.

شكل ‏۰۱ ۳- پروفيل فصل مشترك خوردگي بين دانه‌اي هنگامي كه فاز رسوب كرده آندي است a: خوردگي ترجيحي فازپيوسته AB2 و b: خوردگي ترجيحي فاز ناپيوسته DE3 ]2[.

اگر مناطق تهي شده محلول جامد چسبيده به رسوب‌هاي مرزدانه، آندي باشد و واكنش كاتدي توسط ذرات رسوب و يا قسمت كمتر تهي شده محلول جامد داخل دانه انجام شود، حمله خوردگي در نواحي نزديك رسوب، موضعي مي‌شود كه در شكل ۱-۴ نشان داده شده است. حمله خوردگي بسته به توزيع رسوب در مرزدانه، پيوسته و يا ناپيوسته خواهد بود. به ندرت مشاهده مي‌شود كه قسمت كمتر تهي شده محلول جامد داخل دانه، نسبت به نواحي تهي شده در مرزدانه، آندي ‌شود. در اين حالت به واسطه اينكه سطح كاتد نسبت به سطح آند بسيار بزرگ است، خوردگي موضعي با سرعت بسيار زياد اتفاق مي‌افتد]۲[.

شكل ۱ ۴- پروفيل فصل مشترك خوردگي بين دانه‌اي هنگامي كه نواحي تهي شده از ماده حل شدني آندي باشند a: خوردگي بين دانه‌اي هنگامي كه رسوب و نواحي تهي شده پيوسته هستند. b: خوردگي بين دانه‌اي هنگامي كه رسوب و نواحي تهي شده پيوسته نيستند]۲[.

۱-۷- خوردگي بين دانه اي فولادهاي زنگ نزن اوستنيتي در اثر جوشكاري

فولادهاي زنگ‌نزن اوستنيتي كه حاوي تقريباً ۱۸ درصد كروم و ۱۰ درصد نيكل هستند، به خاطر مقاومت عالي به خوردگي كاربردهاي فراواني در صنايع مختلف نظير صنايع شيميايي، نفت، توليد برق و محيط‌هاي خورنده ديگر دارند و نيز در كارخانجاتي كه محصول توليدي با خلوص بسيار بالا احتياج است و آلودگي‌هاي ناشي از خوردگي قابل چشم پوشي نيست، استفاده مي‌شوند]۵[.

مقاومت به خوردگي اين فولادها به خاطر خاصيت غير فعال (Passive) بودن سطح آنها است. به اين معني كه هنگاميكه فولاد زنگ نزن اوستنيتي حتي در يك محيط اكسيد كننده ضعيف هم قرار بگيرد، يك فيلم نازك سخت و چسبنده از اكسيد كروم، روي سطح آن تشكيل مي‌شود كه بطور مؤثر بين فلز و محيط خورنده مانند يك مانع عمل مي‌كند. به منظور بدست آوردن خاصيت “پسيو” در آلياژهاي پايه آهن، ضروري است كه به آنها حداقل حدود ۱۱-۱۰ درصد كروم اضافه شود. اما پايداري فيلم پسيو، با افزايش مقدار كروم، بهبود مي‌يابد و در نهايت محتواي كروم ۱۸ درصد، به منظور تضمين پسيو بودن فولاد، در اغلب شرايط سرويس دهي فولاد به كار مي‌رود. كروم در دماهاي حدود ۵۵۰ تا ۸۵۰ درجه سانتي‌گراد ميل تركيبي شديدي با كربن دارد و اگر فولاد زنگ‌نزن ۱۰/۱۸ (منظور، فولادها با محتواي ۱۸ درصد كروم و ۱۰ درصد نيكل است) در اين بازه حرارتي، براي مدت زمان بيشتر از يك حد مشخص، حرارت داده شوند، كاربيدهاي غني از كروم در مرزدانه‌هاي فلز، تشكيل مي‌شوند (شكل۱-۵ و۱-۶ ) ]۵[.

 

شكل۱ ۵- مرز دانه در a: فولاد زنگ‌نزن ۱۸/۱۰ عمليات انحلالي شده، هيچ كاربيدي وجود ندارد وb: فولاد زنگ‌نزن۱۸/۱۰ حساس شده، رسوبات كاربيد كروم زيادي ديده مي‌شود]۵[. بزرگنمايي:۱۰۰۰۰×

اگر اين كاربيدها تشكيل شوند، محيط اطراف اين كاربيدها، از عنصر كروم تهي مي‌شود. مقدار كروم نواحي اطراف مرزدانه‌ها، ممكن است به مقداري برسد كه از مقدار لازم براي پسيو ماندن، كمتر باشد (شكل۱-۷ ) و اگر اين اتفاق بيفتد، هنگام سرويس دهي در فولاد، خوردگي بين دانه‌اي اتفاق خواهد افتاد.

شكل ۱‏۰ ۶- حرارت دادن فولاد در منطقه خط‌چين، باعث حساسيت مي‌شود]۵[.

شكل ‏۰۱ ۷- پروفيل غلظت كروم در عرض مرزدانه]۳[.

در طول جوشكاري، نواحي نزديك به جوش در منطقه HAZ در داخل دماي حساس‌كننده، حرارت مي‌بينند و در نتيجه، در اين مناطق، تهي شدن اطراف مرزدانه‌ها از كروم و متعاقب آن خوردگي بين دانه‌‌اي اتفاق مي‌افتد كه اين نوع خوردگي به خوردگي بين دانه‌اي مشهور است (شكل ۱-۸ و۱-۹) ]۵[.

شكل ۱ ۸- حداكثر درجه حرارت در اطراف جوش فولاد و تشكيل كاربيد در دماي حساس كننده]۱[.

براي جلوگيري از خوردگي بين دانه‌اي، سه روش مي‌تواند استفاده شود كه عبارتند از:
۱- استفاده از عناصر تثبيت كننده (Stabilizing) مانند تيتانيوم يا نيوبيوم به فولاد. اين عناصر نسبت به كروم، ميل تركيبي بيشتري با كربن دارند. پس در شرايط مشابه، به جاي كروم با كربن تشكيل كاربيد مي‌دهند و درنتيجه اين عمل، كروم به اندازه كافي براي تشكيل فيلم پسيو در زمينه فولاد باقي مي‌ماند]۵[.

۲- استفاده از فولادهاي (Extra Low Carbon) ELC. اين فولادها حاوي كمتر از ۰۳/۰% كربن هستند و چون كربن كمي دارند، مقدار اين كربن براي تشكيل كاربيد، كافي نمي‌باشد و درنتيجه كروم نمي‌تواند با كربن، كاربيد تشكيل دهد و در زمينه فولاد، باقي مي‌ماند و با تشكيل فيلم پسيو، مقاومت به خوردگي را حفظ مي‌كند]۵[.

شكل ‏۰۱ ۹- خوردگي بين دانه‌اي در يك ورق ۱۶ ميلي‌متري، a: بزرگنمايي۵/۰× و b: بزرگنمايي ۵۰۰× ]۵[.

۳- عمليات حرارتي كل ساختار پس از اتمام فعاليت‌هاي ساخت، در دماي بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتي‌گراد. دليل انجام آن، حل كردن كاربيدهاي بوجود آمده در ساختار فولاد است كه باعث مي‌شود كروم به محلول جامد (يعني زمينه فولاد) بازگردانيده شود. يكي از نكات مهم اين روش، سرد كردن سريع فولاد پس از عمليات حرارتي مي‌باشد. به اين منظور كه در محدوده حرارتي حساس كننده، دوباره كاربيد كروم تشكيل نشود]۵[. به علت مشكلات اجرايي، اين روش بندرت استفاده مي‌شود.
پديده خوردگي بين دانه‌اي به استفاده از فولادهاي تثبيت نشده مربوط است. اين پديده حدود ۷۵ سال پيش، هنگامي كه فولاد تثبيت نشده با درصد كربن بالا (حدود ۱۲/۰% )، با استفاده از فرايند جوشكاري اكسي استيلن كه روشي با انرژي جوش بالا است جوشكاري شده بود، مشاهده شد. امروزه فولادهاي تثبيت نشده، معمولاً حاوي حدود ۰۶/۰ درصد كربن هستند و جوشكاري آنها معمولاً با روشهاي قوس الكتريكي انجام مي‌شود كه در آن سرعت گرم شدن و سرد شدن، بالا است. و به دلايل فوق، امروزه احتمال بروز خوردگي بين دانه‌اي، بسيار كاهش يافته است]۵[.
با اين وصف ترس از وقوع خوردگي بين دانه‌اي هنگام سرويس دهي، مانع از استفاده از فولادهاي تثبيت نشده مي‌شود، علي‌رغم اينكه انجام روش‌هاي ذكر شده به منظور اجتناب از خوردگي بين دانه‌اي، باعث افزايش قيمت فولاد مي‌شود]۵[.

در اغلب فولادهاي كارشده، تنشهاي طراحي براي دماهايي حدود دماي محيط، براي فولادهاي تثبيت شده و تثبيت نشده، شبيه به هم است. بنابراين در استفاده از فولادهاي تثبيت نشده، افت مكانيكي رخ نمي‌دهد. از طرفي grade هاي ELC نسبت به فولادهاي تثبيت شده و تثبيت نشده با درصد كربن بالاتر، استحكام كمتري دارند، بنابراين هنگام استفاده از فولادهاي ELC، بايد از مقاطع ضخيمتر استفاده كرد كه اين كار، باعث افزايش قيمت سازه مورد نظر نيز مي‌شود]۵[.

۱-۸- عوامل موثر بر خوردگي بين دانه اي

چهار فاكتور اصلي زير، حساسيت فولاد زنگ نزن را به خوردگي بين دانه‌اي تعيين مي‌كند]۵[:
۱- تركيب شيميايي و ريز ساختار
۲- تاريخچه حرارتي(Thermal History)
3- تنش‌هاي دروني و خارجي كه از تغيير شكل (Deformation)، جوشكاري و يا بارگذاري هنگام سرويس‌دهي ناشي مي‌شوند.
۴- محيط سرويس
در ذيل، به توضيح در مورد هر يك از فاكتورهاي ذكر شده در بالا، پرداخته مي‌شود.

۱-۸-۱- تركيب شيميايي و ريز ساختار

كربن

مهمترين فاكتور تركيب شيميايي كه بر حساسيت به خوردگي بين دانه‌اي تأثير مي‌گذارد، مقدارعنصر كربن است. علت اهميت كربن به اين خاطر است كه اين عنصر تعيين مي‌كند كه چقدر كروم در تشكيل كاربيد شركت ‌كند و مقدار وسعت تهي شدن اطراف مرز دانه‌ها از كروم چقدر مي‌باشد. با كاهش درصد كربن فولاد تا زير سطح حلاليت در محلول جامد در محدوده حرارتي حساس شدن، مي‌توان از حساسيت نمونه جلوگيري كرد. البته اين امر هميشه عملي نيست زيرا براي رسيدن به اين شرايط بايد درصد كربن را تا زير ۰۱/۰ درصد كاهش داد. ذكر اين نكته ضروري

است كه با پيشرفت هاي اخير در روشهاي فولادسازي، مي‌توان فولاد با درصد كربن ۰۱۵/۰ تا ۰۲۰/۰ توليد كرد. بايد به اين نكته نيز توجه كرد كه كاهش درصد كربن، باعث افت خواص مكانيكي مي‌شود. براي اهداف عملي، Grade‌ هاي ELC با درصد كربن حداكثر ۰۳/۰ درصد رضايت‌بخش به نظر مي‌رسد. و در اين فولادها، هيچ نمونه‌اي از خوردگي بين دانه‌اي نشده است. نرخ حساس شدن به خوردگي بين دانه‌اي قويا” به درصد كربن بستگي دارد. و فولاد با مقدار كربن ۰۸/۰ درصد، نرخ حساس شدني حدود ۳ تا ۵ بار سريع‌تر از فولاد با مقدار كربن ۰۶/۰ درصد دارد]۵[.
در شكل ۱-۱۰، دو منحني نمايش داده شده است كه بازه دمايي تشكيل كاربيد در فولادهاي حاوي ۱۵/۰% كربن و ۰۵/۰ % كربن را نشان مي‌دهد. همانطوريكه مشاهده مي‌شود زمان حرارت دادن لازم براي حساس شدن در فولاد با درصد كربن كمتر، بسيار بيشتر است (زمان B در مقايسه با زمان A) و درنتيجه، احتمال وقوع خوردگي بين دانه‌اي، بسيار كمتر مي باشد]۵[.

 

شكل ۱ ۱۰- شرايط عمليات حرارتي كه باعث رسوب كاربيد و حساسيت به خوردگي بين دانه‌اي در فولادهايي با درصد كربن ۱۵/۰(منحني مماس با خط A) و ۰۵/۰ (منحني مماس با خط B) درصد مي‌شود]۵[.