ترک خوردگی تنشی (SCC) چیست و چگونه می توان آن را کنترل کرد؟

تنش به خودی خود نمی تواند باعث خوردگی شود. با این حال در صورت رخ دادن خوردگی بین دانه ای، تنش می تواند ترک هایی را در مرز دانه ها باز کرده و ساختار فلز را تضعیف کند. بیشتر افراد خوردگی را با هوا و رطوبت (آب) مرتبط می دانند.

در برخی موارد تنش ها (تنش پسماند یا تنش های اعمال شده) که بر روی ماده تأثیر می گذارند، می توانند نقش عمده ای در نوع منحصر به فردی خوردگی داشته باشند که به ترک خوردگی تنشی (SCC) معروف است. در این مقاله برای دستیابی به درک عمیق تری از تأثیر تنش، نگاه دقیق تری به مکانیک ترک خوردگی تنشی خواهیم داشت.

ترک خوردگی تنشی (SCC) چیست؟

ترک خوردگی تنشی (SCC) نوعی از ترک در فلز است که به دلیل اثر ترکیبی خوردگی و تنش کششی رخ می دهد. SCC به طبیعت فریبنده‌ای که دارد معروف است. چرا که آسیب ناشی از خوردگی از طریق بازرسی بصری همیشه مشهود نیست.

در طی SCC ممکن است فلزات به طور کامل یا حتی به صورت جزئی آسیب ظاهری خاصی نبینند. اما مقاومت مکانیکی مواد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. این پدیده اغلب می تواند منجر به شکست ناگهانی در فلزات شکل پذیر شود.

این شکل از خوردگی ناشی از تنش، می تواند علت چندین فاجعۀ صنعتی باشد. حوادثی مانند:

• پارگی لوله های انتقال گاز فشار بالا
• انفجار دیگ های بخار
• تخریب نیروگاه ها و پالایشگاه های نفت

بنابراین، برای مهندسان طراح ضروری است که رابطۀ میان تنش و خوردگی را در SCC درک کنند.

ترک خوردگی تنشی چگونه شکل می گیرد؟

انحلال مسیر فعال (Active Path Dissolution)

انحلال مسیر فعال، عبارتست از خوردگی سریع در امتداد یک مسیر آسیب پذیر مانند مرز دانه های فلزی. این پدیده در حالی روی می دهد که قسمت عمده ای از ماده بدون تأثیر باقی می ماند. به عنوان مثال، در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، عملیات حرارتی می تواند منجر به تخریب کاربیدهای کروم در نزدیکی مرزهای دانه شود.

کاهش محتوای کروم، غیرفعال (Passive) شدن مرز دانه ها را دشوارتر می کند. در نتیجه، این مرزها سبب تشکیل مناطقی ضعیف می شوند که در آن، خوردگی بین دانه ای و ترک های میکروسایز دیده می شود.

وقتی تنش ایجاد می شود، این ترک ها باز می شوند و خوردگی تسریع شده در نوک ترک ها مشاهده می شود. SCC ناشی از انحلال مسیر فعال، توسط نرخ خوردگی در نوک ترک کنترل می شود.

تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement)

اتم های هیدروژن به دلیل کوچک بودن به راحتی در ساختار بلوری فلزات جای می گیرند. این موضوع سبب می شود تا استعداد فلز به انحلالل مقادیری از هیدروژن بالا باشد. اتم های هیدروژن به مناطقی که بیشتر تحت تاثیر تنش کششی هستند، جذب می شوند.

یعنی هیدروژن ها در مناطقی متمرکز می شوند که احتمالاً ترک وجود دارد. هیدروژن محلول می تواند با سهولت در ایجاد شکاف، سبب تسریع در ایجاد تغییر شکل شدید پلاستیک و شکستگی مواد شود.

چه موادی در برابر ترک خوردگی تنشی حساس هستند؟

شرایط بسیار خاصی برای وقوع SCC باید وجود داشته باشد. در ادامۀ این مقاله، متداول ترین ترکیبات فلز و محیط شناخته شده برای تشویق SCC را لیست می کنیم.

برنج در محیط های حاوی آمونیاک

بسیاری از مطالعات نشان می دهد که شکست ناشی از ترک برنج، می تواند در شرایط مرطوب که آمونیاک، اکسیژن و آب وجود دارد رخ دهد. این پدیده اولین بار توسط ارتش انگلیس در هند مورد توجه قرار گرفت. زمانی که ارتش انگلیس در فصل بارندگی، ترک خوردگی در کارتریج های برنجی خود را مشاهده کرد.

فولادهای با مقاومت بالا که تحت شکنندگی هیدروژنی قرار می گیرند:

فولادها تحت تأثیر محیط های غنی از هیدروژن قرار می گیرند. رشد ترک خستگی ناشی از خوردگی مربوط به هیدروژن و ترک خوردگی ناشی از هیدروژن دو مورد از شواهد این حقیقت هستند.

 تردی هیدروژنی تحت بارهای ساکن، عمدتا در فولادهای با استحکام بالا مشاهده می شود و تابعی از موارد زیر است:

• غلظت هیدروژن در فولاد
• تنش کششی اعمال شده
• تمرکز تنش، ترکیب و ریزساختار فولاد

5

دقیــقه مطالعه

"فولاد" چیست؟ چه انواعی دارد؟

فولاد از چه چیزی درست شده؟ فولاد را در گذشته به صورت آلیاژی از آهن و کربن توصیف ...

تردی هیدروژنی در فولادهای با استحکام بالا احتمالاً در استحکام تسلیم زیر 600 مگاپاسکال (87ksi) رخ نمی دهد. با این حال، در استحکام تسلیم بالاتر از 1000 مگاپاسکال (145ksi)، تردی می تواند یک مسئلۀ قابل توجه باشد.

هیدروژن معمولاً در هنگام جوشکاری، آبکاری الکتریکی (Electroplating) و قرار گرفتن در معرض گازهای هیدروژن به فولادهای با استحکام بالا وارد می شود.

نقش تنش در شکست خوردگی

همان طور که قبلا ذکر شد، تنش یک عامل قابل توجه در SCC است. با این حال، همۀ تنش ها باعث شکست خوردگی نمی شوند. برای ایجاد SCC باید حداقل مقدار تنش کششی آستانه (Minimum Threshold Tensile Stress) حاصل شود. با رسیدن به این تنش آستانه، مرزهای دانه ضعیف باز شده و باعث ایجاد ترک های مینیاتوری (Miniature Cracks) در مواد می شوند.

یکی از مهمترین عوامل موثر در SCC تمرکز تنش است. تمرکز تنش در مناطقی اتفاق می افتد که تغییر ناگهانی در شکل مواد وجود دارد. جزئیات طراحی مانند گوشه ها، شکاف ها، جوش ها، تغییرات شدید سطح مقطع و غیره می توانند جریان تنش را مختل کرده و باعث افزایش ناگهانی آن شوند.

 این مکان ها مناطقی هستند که تنش های موضعی ممکن است از حداقل آستانه فراتر روند. حتی اگر تنش کلی در ماده به طور قابل توجهی کمتر باشد. جوشکاری، عملیات حرارتی و شکل دهی سرد نیز می توانند با ایجاد تنش پسماند، آغازگر SCC باشند.

کنترل ترک خوردگی تنشی

نکتۀ کلیدی در کنترل SCC این است که بدانیم چگونه و چرا فلزات از این پدیدۀ مربوط به تنش خورده می شوند؟

اولین استراتژی دفاعی در کنترل SCC انتخاب مواد مناسب است. با انتخاب موادی که در محیط کارشان حساس به SCC نیستند، می توان از مشکلات مربوط به تنش در آینده جلوگیری کرد.

محیط های تهاجمی مانند محیط حاوی آب با درجه حرارت بالا، باعث ایجاد SCC در بیشتر فلزات می شود. در این حالت، کنترل های مهندسی مناسب باید انجام شود تا اثرات سوء بر روی مواد به حداقل برسد.

از آنجا که تنش برای SCC مورد نیاز است، کنترل تنش اعمال شده یا پسماند می تواند کمک زیادی به جلوگیری از این نوع خوردگی کند. به عنوان مثال، می توان با قرار دادن فولادهای کربنی در حالت بازپخت، عملیات تنش زدایی را انجام داد.

عملیات های سطحی (مانند شات بلاست) سبب بروز تنش های فشاری هستند. این تنش ها می تواند اثرات تنش کششی پسماند را خنثی کنند. برای کنترل تنش، بهتر است از انتخاب های طراحی (به عنوان مثال گوشه های تیز، سوراخ ها، شکاف ها و غیره) که ممکن است سبب تمرکز تنش شود خودداری کنید.

5

دقیــقه مطالعه

سند بلاست و شات بلاست

تمام صنایع با سطح دست و پنجه نرم می کنند! اگر با اهمیت بالایی که سطح در قطعات مخ...

 جمع بندی

فهمیدیم که تنش به خودی خود نمی تواند باعث خوردگی شود. با این وجود، در صورت خوردگی بین دانه ای ناشی از انحلال مسیر فعال یا شکنندگی هیدروژنی، تنش های کششی ممکن است ترک ها را باز کرده و ساختار فلزی را تضعیف کنند. با درک نقش تنش در SCC، مهندسان می توانند اقدامات احتیاطی لازم را برای اطمینان از ایمنی و طول عمر طرح های خود انجام دهند.

منبع

www.corrosionpedia.com