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晶间腐蚀:什么是晶间腐蚀以及如何阻止它

通过丹尼斯·贾亚辛格 |的审查,拉格文德拉·戈帕尔对勾
出版日期:2021年4月1日
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如果在制造阶段没有使用正确的材料和适当的热处理,晶间腐蚀会导致大多数工艺设备发生灾难性故障。

腐蚀损伤有很多种类型,如均匀腐蚀点状腐蚀人们可以用肉眼很容易地看到。但是,一些腐蚀损坏是不可见的,但仍然对结构或设备的完整性有害。本文将更详细地研究一种不太可见的腐蚀损坏类型,称为晶间腐蚀(IGC),重点研究晶间腐蚀是如何发生的,受影响的材料是什么,晶间腐蚀通常发生的行业类型,以及如何检测和减轻损害。

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什么是晶间腐蚀(IGC)?

晶间腐蚀(IGC),有时被称为晶间腐蚀(IGA),是一种优先或优先的腐蚀局部腐蚀收益仅晶界或者直接靠近晶界。相比之下,大多数谷物基本没有受到影响。

虽然金属损失最小,但IGC可导致设备灾难性故障。IGC是在腐蚀介质中对合金进行腐蚀的一种常见形式,会导致强度和强度损失延展性.不应将IGC与应力腐蚀开裂(SCC).SCC要求应力(残余应力或施加应力)在腐蚀环境中连续或循环作用,从而在腐蚀后产生裂纹晶间路径

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奥氏体冷轧不锈钢薄板的晶间腐蚀。

图1.奥氏体冷轧不锈钢板的晶间腐蚀。(来源:Antkyr,知识共享共享共享3.0未经移植)(3.0 CC冲锋队))。

晶间腐蚀是如何形成的

ICG局部腐蚀在晶界处,由这个阳极溶解被合金元素、第二相沉淀或有孤立的合金元素或杂质元素的区域。外露表面的其余部分通常用作阴极,大的阴极区域支持阳极溶解过程。

阴极阳极比率通常大于1。这取决于各种因素如电化学活性相的体积分数和分布,有害合金和杂质元素的分布,以及粒度

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这个腐蚀速率取决于主要的腐蚀机制,和因素,如物种扩散到或从阳极前沿可以控制溶解动力学。IGC的一个显著特征是攻击深度相对均匀和一致。晶界的溶解导致晶粒的位移,通常称为谷物下降.颗粒掉落是IGC暴露后观察到的大部分重量损失的原因,因此腐蚀速率可以比暴露期间高出几个数量级一般腐蚀

图2.焊缝热影响区(HAZ)附近腐蚀的不锈钢。(来源:美国宇航局腐蚀工程实验室.)

通常受晶间腐蚀影响的材料

晶间腐蚀主要发生在某些类型的腐蚀中不锈钢而不是在碳钢.(相关阅读:不锈钢为什么耐腐蚀.)但是,以下材料也不排除受到IGC攻击。

  • 不稳定的奥氏体不锈钢成绩304316在化工厂中使用时,易发生IGC腐蚀敏化第二阶段:致敏是由降水引起的碳化铬在相邻区域的晶界处焊缝这里的温度在500 - 800°C(932 - 1472°F)之间。(想了解更多,请阅读热脆性和焊接对金属腐蚀的影响.)
  • 镍铜合金(合金400,UNS N04400)在暴露于某些类型的氢氟酸和铬酸溶液时,容易受到IGC攻击。
  • 由于富钼成分的沉淀,暴露在热盐酸和硫酸中的镍钼合金(合金B,UNS N10001)可能发生IGC腐蚀。
  • 镍铬合金等合金600容易受到IGC攻击。因此,它不适用于腐蚀性环境。
  • 2024和7075级的铝容易受到IGC攻击,因为CuAl2.在晶界处作为阴极析出,加速晶界附近的贫化区。此外,铝等级5083和7030也容易受到IGC攻击。
  • 高纯度的锌(Zn)不易发生IGC。但是,铝作为合金元素或锌合金中的杂质可能导致IGC侵蚀。

奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

对于奥氏体不锈钢,晶间腐蚀通常是碳化铬析出(Cr23C6.)在晶界处,在晶界处产生一个狭窄的铬耗尽区。这种情况称为敏化(图3)。敏化涉及晶界处碳化铬的沉淀,这导致晶界处的铬贫化狭窄区域。

图3。

由于铬是使不锈钢耐腐蚀的主要合金元素,贫铬区易受腐蚀侵蚀。人们认为,这是因为直接与碳化物相邻的铬含量可能低于不锈钢合金所需的铬含量。如果碳化物在晶界上形成连续的网状结构,则腐蚀会产生分离或间隙在边界和可能谷物下降或者损失。

晶间腐蚀的检测方法

通常IGC沿着晶界进行,用肉眼或任何其他方法都很难检测到无损检测技术。然而,在设备制造之前,可以对材料进行IGC电阻测试用特定的实验方法,例如休伊试验(使用硝酸溶液)或施特劳斯试验确定不锈钢对晶间腐蚀的敏感性。这个斯特里彻试验也可以使用,这是基于定量的减肥测定。此外,IGC开裂当从失效区域的样品在a扫描电子显微镜(SEM)

防止奥氏体镍铬不锈钢IGC腐蚀的缓解方法

进行适当的退火淬火制造车间或工厂的处理将降低不锈钢和富镍铬轴承合金对IGC的敏感性。当这些处理成功执行时,溶解的碳化铬、氮化物和碳化钼及其预沉淀形式在淬火过程中保持溶解状态。

铁素体不锈钢(AISI 430型、446型),碳的扩散速率如此之大,以至于无法阻止碳化铬的析出,即使通过高温退火处理进行快速水淬。然而,铬在这些合金中的扩散速率也很高。可以通过以下方法恢复碳化铬沉淀周围的贫铬区:热处理接近816摄氏度(1500华氏度)。结果是微观结构中含有大量碳化物残渣,对IGC免疫。

管道焊缝的热处理,防止晶间腐蚀。

图4。管道焊缝的热处理,以防止晶间腐蚀。(来源:Berkut34 | Dreamstime.com)

当不锈钢焊接时,通过减少碳和氮的含量,在许多情况下可以防止碳化铬和氮化物的形成。氩氧的引入脱碳过程、真空熔炼和消耗品电弧重熔大大影响防止铬合金中碳化物和氮化物形成AISI 304 l型,类型316升,合金c - 276C-4和Fe-29%Cr-4%Mo。

在不锈钢中碳化铬的形成可以通过添加元素来预防吗钛(Ti)或铌(Nb)。(相关阅读:铬在晶间腐蚀中的作用)这些元素与碳结合并降低其浓度,以便在焊接和焊接过程中,在敏化温度范围内暴露时不会形成碳化铬应力消除,甚至在工作条件下。这些被称为稳定合金,它们是AISI型321 (Ti), AISI型347(铌),合金20 cb-3(铌),合金625(Nb)和合金825(Ti)。

不同尺寸的焊接和其他焊接技术(如低热输入)可以降低敏化程度。然而,要保持明确的控制以使这种方法普遍适用并不容易。

经常受到晶间腐蚀影响的行业

IGC可发生在由奥氏体不锈钢、镍铜合金、镍钼合金、镍铬合金、铝合金和不锈钢制成的任何设备上锌合金在任何存在适当条件的行业中,这意味着如果材料未经过适当的热处理,且含有较高的碳含量(C>0.03%),则其易受影响。

如果在制造阶段未使用正确的材料和适当的热处理,大多数工艺设备中的晶间腐蚀可能导致灾难性故障。横截面厚度的损失和裂纹的引入可能会对压力安全壳等应用产生严重后果。

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作者丹尼斯·贾亚辛格Corr-Met Inspection & Consulting Inc.首席技术官

丹尼斯·贾亚辛格的个人资料照片

Dennis Jayasinghe是一名高级腐蚀工程师,在工业和研究领域拥有超过15年的综合经验。Dennis在腐蚀失效分析、腐蚀缓解和监测方法、腐蚀检查、防腐蚀设计改进、腐蚀风险评估、腐蚀管理计划的制定以及特定环境的适当材料选择方面拥有丰富的经验。此外,他还是解决钢材、不锈钢和镀锌质量相关问题的专家。在加拿大多家制造公司担任高级工程职位后,他成立了CorrMet Inspection&Consulting,并担任负责人。丹尼斯是加拿大阿尔伯塔省和萨斯喀彻温省的注册和在职专业工程师,也是NACE的正式成员。

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