خوردگی بین دانه ای (IGC)

منظور از خوردگی بین دانه ای چیست؟

خوردگی بین دانه ای (Intergranular Corrosion) که گاهی اوقات به‌عنوان حملۀ بین دانه‌ای (Intergranular Attack) (IGA) نیز شناخته می‌شود، نوعی خوردگی ترجیحی یا موضعی است که در مرزدانه یا مرز کریستال یا مجاورت آن رخ می‌دهد. با ایجاد این نوع خوردگی در برخی مرزدانه‌ها، دیگر دانه‌ها تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند.

اگر چه اتلاف فلز در این نوع خوردگی کم است، اما IGC می‌تواند باعث خرابی فاجعه‌بار تجهیزات شود. IGC نوعی حملۀ متداول به آلیاژها در حضور محیط‌های خورنده است که منجر به از دست رفتن استحکام و شکل‌پذیری سازه‌ها می‌شود.

نکتۀ مهم این است که به ‌هیچ ‌وجه نباید خوردگی بین دانه ای را با ترک ناشی از خوردگی تنشی (SCC) اشتباه گرفت. SCC به تنش‌هایی (پسماند یا اعمال شده) نیاز دارد که به طور مداوم یا چرخه‌ای در یک محیط خورنده به سازه اعمال شود تا در یک مسیر بین دانه‌ای ترک ایجاد شود.

خوردگی بین دانه ای (IGC) چگونه رخ می‌دهد؟

تخریب IGC در مرزدانه‌ها ناشی از انحلال آندی در مناطقی است که توسط عناصر آلیاژی، رسوب فاز ثانویه یا هرگونه ناخالصی تضعیف شده‌اند. قسمت باقی‌ماندۀ سطح معمولاً به‌عنوان کاتد عمل می‌کند و به ‌این ‌ترتیب باعث خوردگی و تخریب بیشتر نواحی آندی می شود.

در خوردگی بین دانه ای، نسبت کاتد به آند به‌طورکلی بیشتر از یک است. این امر به عواملی مانند کسر حجمی و توزیع فازهای فعال به لحاظ خوردگی، توزیع عناصر آلیاژی، ناخالصی‌های مخرب و اندازۀ دانه بستگی دارد.

میزان و شدت IGC به مکانیزم غالب خوردگی بستگی دارد و عواملی مانند نفوذ گونه‌ها در رفت‌ و آمد جبهۀ آندی می‌توانند بر سینتیک خوردگی تأثیرگذار باشند. مشخصۀ قابل‌توجه IGC ایجاد عمق حملۀ نسبتاً همگن و یکنواخت است.

در نتیجۀ انحلال مرزدانه‌ها، دانه‌ها از هم جدا یا به‌اصطلاح Dislodge می‌شوند که غالباً به این رخداد، Grain Dropping یا ریزش دانه‌ها گفته می‌شود. این رخداد مسئول کاهش وزن سازه پس از قرارگرفتن در معرض خوردگی بین دانه ای است.

چه موادی معمولاً تحت تأثیر IGC قرار می‌گیرند؟

خوردگی بین دانه ای عمدتاً در فولادهای زنگ نزن شایع است و کمتر در فولادهای کربنی دیده می‌شود. فولاد زنگ نزن آستنیتی غیر تثبیت شده با گریدهای 304 و 316 که در کارخانه‌های شیمیایی استفاده می‌شود، در صورت استفاده در مرحلۀ حساسیت‌زایی (Sensitization)، مستعد حملۀ IGC هستند.

این حساسیت‌زایی ناشی از رسوب کاربید کروم در مرز دانه‌ها در منطقۀ مجاور جوش است. جایی که دما بین 500 تا 800 درجۀ سلسیوس (932 – 1472 درجۀ فارنهایت) بوده است.

آلیاژهای نیکل و مس (آلیاژ 400، UNS N04400) هنگام قرارگرفتن در معرض انواع خاصی از محلول‌های اسید هیدروفلوئوریک و اسید کرومیک، مستعد خوردگی بین دانه ای هستند.

حملۀ IGC می‌تواند در آلیاژهای نیکل-مولیبدن (آلیاژ B ، UNS N10001) که در معرض هیدروکلریک گرم و اسید سولفوریک قرار دارند، رخ دهد. این آسیب به دلیل رسوب مواد غنی از مولیبدن در مناطق مجاور مرزدانه‌ها رخ می‌دهد.

آلیاژهای نیکل کروم مانند آلیاژ 600 نیز مستعد حمله IGC هستند. از دیگر آلیاژهای مستعد، می‌توان گریدهای آلومینیوم 2024 و 7075 را نام برد. در این آلیاژها، فاز CuAl₂ در مرز دانه‌ها رسوب می‌کند. این فاز متعاقباً به‌عنوان کاتد عمل می‌کند و تخلیۀ مناطق مجاور مرزدانه را تسریع می‌کند. علاوه بر این، گریدهای آلومینیوم 5083 و 7030 نیز در معرض حملۀ IGC هستند.

منظور از اثر حساسیت‌زایی چیست؟

به‌طورکلی، منظور از حساسیت‌زایی رسوب کاربیدها در مرزدانه یک آلیاژ است که باعث می‌شود آلیاژ در برابر آلیاژهای نیکل و مس (آلیاژ 400، UNS N04400) هنگام قرارگرفتن در معرض انواع خاصی از محلول‌های اسید هیدروفلوئوریک و اسید کرومیک، مستعد خوردگی بین دانه ای هستند. یا ترک خوردگی تنشی که از دانه‌ها حاصل می‌شود، حساس شود. برخی از آلیاژها در معرض دمایی قرار می‌گیرند که به‌عنوان دمای حساس‌کننده (Sensitizing Temperature) شناخته می‌شود. در این دما و در یک فضای خورنده، مرزدانه‌های این آلیاژها بسیار واکنش‌پذیر می‌شوند و مقاومت خود را از دست می‌دهند.

حمله بین دانه‌ای در فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی

در فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی حمله بین دانه‌ای معمولاً در نتیجۀ رسوب کاربید کروم (Cr₂₃C₆) در مرزدانه‌ها رخ می‌دهد. پیش‌ از این نیز گفتیم که به این شرایط حساسیت‌زایی (Sensitization) گفته می‌شود.

از آنجا که کروم عنصر آلیاژی اصلی است که باعث مقاومت به خوردگی در فولاد زنگ نزن می‌شود، مناطق تخلیه شده از کروم مستعد حمله خوردگی هستند. چرا که محتوای کروم در مجاورت کاربید ممکن است کمتر از مقدار مورد نیاز برای آلیاژ باشد.

اگر کاربیدها یک شبکۀ پیوسته در مرزدانه تشکیل دهند، در این صورت خوردگی می‌تواند باعث ایجاد یک شکاف در مرز شود و احتمال ریزش (همان Grain Dropping) یا از هم‌پاشیدن دانه وجود دارد.

جلوگیری از حمله IGC در فولادهای زنگ نزن نیکل – کروم آستنیتی

انجام عملیات حرارتی آنیل و کوئنچ مناسب در هنگام تولید، حساسیت فولاد نزگ نزن و آلیاژهای حاوی کروم و نیکل به خوردگی بین دانه‌ای را کاهش می‌دهد. وقتی این عملیات‌ها (خصوصاً کوئنچ) با موفقیت انجام شد، کاربیدهای کروم محلول، نیتریدها و کاربیدهای مولیبدن و حالت‌های قبل از رسوب آن‌ها به‌صورت محلول باقی می‌مانند.

در فولادهای زنگ‌نزن فریتی (AISI نوع 430 و  446)، سرعت نفوذ کربن به حدی است که نمی‌توان از رسوب کاربیدهای کروم جلوگیری کرد. این فرایند حتی با کوئنچ سریع آب از دمای بالا هم غیر ممکن است. با این‌حال، میزان نفوذ کروم نیز در این آلیاژها زیاد است.

بازگرداندن مناطق تخلیه شده از کروم در اطراف رسوبات کاربید کروم با عملیات حرارتی نزدیک به 816 درجۀ سلسیوس (1500 درجۀ فارنهایت) امکان‌پذیر است. نتیجۀ این عملیات حرارتی، یک ریزساختار است که حاوی مقادیر زیادی باقی ماندۀ کاربید است که از خوردگی بین دانه‌ای ایمن است.

هنگام جوشکاری آلیاژهای زنگ نزن، در بسیاری از موارد با کاهش میزان کربن و ازت می‌توان از تشکیل کاربیدهای کروم و نیترید جلوگیری کرد. همچنین، با افزودن عناصر تیتانیوم (Ti) یا نیوبیم (Nb) نیز می‌توان از تشکیل کاربیدهای کروم در فولاد زنگ نزن جلوگیری کرد.

این عناصر با کربن ترکیب می‌شوند و غلظت آن را کاهش می‌دهند. به ‌این ‌ترتیب، هنگام قرار گرفتن در محدودۀ حساسیت‌زایی دما در هنگام جوشکاری و کاهش تنش و حتی در شرایط کار، کاربیدهای کروم تشکیل نمی‌شوند.

روش‌های تست و تشخیص تخریب IGC

تاکنون فهمیدیم که معمولاً IGC در امتداد مرزهای دانه پیش می‌رود و تشخیص آن با چشم غیرمسلح یا هر روش بازرسی غیر مخرب دیگر دشوار است. با این ‌حال، می‌توان برای تست مقاومت در برابر IGC از روش‌های آزمایشگاهی خاص مانند آزمون Huey (که از محلول نیتریک استفاده می‌کند) یا تست اشتراوس (Strauss) استفاده کرد.

آزمون Streicher نیز برای تعیین کمّی کاهش وزن در قطعه قابل اجراست. علاوه بر این، ترک خوردگی IGC زمانی قابل مشاهده است که نمونه‌ای از ناحیۀ تخریب شده، به‌صورت متالوگرافی تهیه شده و با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شود.

جمع‌بندی

ریزساختار فلزات و آلیاژها از دانه‌ها تشکیل شده است که با مرزدانه از هم جدا می‌شوند. خوردگی بین دانه‌ای به‌صورت موضعی در امتداد مرزدانه‌ها یا در مجاورت مرزها ایجاد می‌شود. در حالی ‌که قسمت عمدۀ دانه‌ها تا حد زیادی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. این شکل از خوردگی معمولاً بر اثر تفکیک شیمیایی ایجاد می‌شود؛ جایی که ناخالصی‌ها تمایل دارند مرزهای دانه را غنی از خود کنند.

در نتیجۀ این خوردگی، خصوصیات مکانیکی سازه به‌طور جدی تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. یک مثال کلاسیک حساسیت‌زایی در فولادهای زنگ نزن است که رسوبات مرزدانه غنی از کروم شده و منجر به تخلیۀ موضعی کروم در مجاورت این رسوبات می‌شود. به‌این‌ترتیب، این مناطق در برابر حملات خورنده در الکترولیت‌های خاص آسیب‌پذیر می‌شوند.

مراجع

www.corrosionpedia.com