В материаловедении межкристаллитная коррозия (МКК), также известная как межкристаллитное разрушение (МРА), представляет собой форму коррозии, при которой границы кристаллитов материала более подвержены коррозии , чем их внутренняя часть . ( Ср . транскристаллитная коррозия.)
Такая ситуация может возникнуть в коррозионно-стойких сплавах, когда границы зерен истощаются, что называетсяИстощение границ зерен , элементов, ингибирующих коррозию, таких как хром, по некоторому механизму. Вникелевыхсплавах иаустенитных нержавеющих сталях, гдехромдобавляется для коррозионной стойкости, задействованный механизм заключается в осаждениикарбида хромана границах зерен, что приводит к образованию зон, обедненных хромом, прилегающих к границам зерен (этот процесс называетсясенсибилизацией). Около 12% хрома минимально требуется для обеспечения пассивации, механизма, с помощью которого на поверхности нержавеющей стали образуется сверхтонкая невидимая пленка, известная как пассивная пленка. Эта пассивная пленка защищает металл от коррозионных сред. Свойство самовосстановления пассивной пленки делает сталь нержавеющей.Селективное выщелачиваниечасто включает механизмы истощения границ зерен.
Эти зоны также действуют как локальные гальванические пары , вызывая локальную гальваническую коррозию . Это состояние возникает, когда материал нагревается до температур около 700 °C в течение слишком длительного времени, и часто возникает во время сварки или неправильной термообработки . Когда зоны такого материала образуются из-за сварки, результирующая коррозия называется распадом сварного шва . Нержавеющие стали можно стабилизировать против этого поведения путем добавления титана , ниобия или тантала , которые образуют карбид титана , карбид ниобия и карбид тантала преимущественно по сравнению с карбидом хрома, путем снижения содержания углерода в стали, а в случае сварки также в присадочном металле ниже 0,02%, или путем нагрева всей детали выше 1000 °C и закалки ее в воде, что приводит к растворению карбида хрома в зернах и затем предотвращает его осаждение. Другая возможность — сохранять сварные детали достаточно тонкими, чтобы при охлаждении металл рассеивал тепло слишком быстро для осаждения карбида хрома. ASTM A923, [1] ASTM A262, [2] и другие подобные тесты часто используются для определения того, подвержены ли нержавеющие стали межкристаллитной коррозии. Тесты требуют травления химикатами, которые выявляют наличие интерметаллических частиц, иногда в сочетании с испытанием Charpy V-Notch и другими механическими испытаниями.
Другой родственный вид межкристаллитной коррозии называется ножевой коррозией ( KLA ). Ножевая коррозия поражает стали, стабилизированные ниобием, такие как нержавеющая сталь 347. Титан, ниобий и их карбиды растворяются в стали при очень высоких температурах. При некоторых режимах охлаждения (в зависимости от скорости охлаждения) карбид ниобия не осаждается, и сталь затем ведет себя как нестабилизированная сталь, образуя вместо этого карбид хрома. Это затрагивает только тонкую зону шириной в несколько миллиметров в непосредственной близости от сварного шва, что затрудняет обнаружение и увеличивает скорость коррозии. Конструкции, изготовленные из таких сталей, должны быть нагреты в целом примерно до 1065 °C (1950 °F), когда карбид хрома растворяется и образуется карбид ниобия. Скорость охлаждения после этой обработки не важна, так как углерод, который в противном случае представлял бы риск образования карбида хрома, уже изолирован в виде карбида ниобия. [1]
Сплавы на основе алюминия могут быть чувствительны к межкристаллитной коррозии, если между богатыми алюминием кристаллами имеются слои материалов, действующих как аноды . Высокопрочные алюминиевые сплавы, особенно при экструзии или иной обработке высокой степени, могут подвергаться расслаивающей коррозии (металлургия) , когда продукты коррозии накапливаются между плоскими, удлиненными зернами и разделяют их, что приводит к эффекту подъема или листования и часто распространяется от краев материала через всю его структуру. [2] Межкристаллитная коррозия является проблемой, особенно для сплавов с высоким содержанием меди .
Другие виды сплавов также могут подвергаться расслоению; чувствительность мельхиора увеличивается вместе с содержанием в нем никеля. Более широкий термин для этого класса коррозии - пластинчатая коррозия . Сплавы железа подвержены пластинчатой коррозии, так как объем оксидов железа примерно в семь раз превышает объем исходного металла, что приводит к образованию внутренних растягивающих напряжений , разрывающих материал. Подобный эффект приводит к образованию пластин в нержавеющих сталях из-за разницы теплового расширения оксидов и металла. [3]
Сплавы на основе меди становятся чувствительными, когда происходит истощение содержания меди в границах зерен.
Анизотропные сплавы, в которых экструзия или тяжелая обработка приводят к образованию длинных плоских зерен, особенно подвержены межкристаллитной коррозии. [4]
Межкристаллитная коррозия, вызванная стрессами окружающей среды, называется коррозионным растрескиванием под напряжением . Межкристаллитная коррозия может быть обнаружена ультразвуковыми и вихретоковыми методами.
Сенсибилизация — это процесс осаждения карбидов на границах зерен нержавеющей стали или сплава, в результате чего сталь или сплав становятся восприимчивыми к межкристаллитной коррозии или межкристаллитному коррозионному растрескиванию под напряжением.
Определенные сплавы при воздействии температуры, характеризуемой как сенсибилизирующая температура, становятся особенно восприимчивыми к межкристаллитной коррозии. В коррозионной атмосфере границы зерен этих сенсибилизированных сплавов становятся очень реактивными, и возникает межкристаллитная коррозия. Она характеризуется локализованным воздействием на границы зерен и рядом с ними с относительно небольшой коррозией самих зерен. Сплав распадается (зерна выпадают) и/или теряет прочность.
На фотографиях показана типичная микроструктура нормализованной (несенсибилизированной) нержавеющей стали типа 304 и сильносенсибилизированной стали. Образцы были отполированы и протравлены перед съемкой , а сенсибилизированные области показаны в виде широких темных линий, где травильная жидкость вызвала коррозию. Темные линии состоят из карбидов и продуктов коррозии. Межкристаллитная коррозия обычно считается вызванной сегрегацией примесей на границах зерен или обогащением или обеднением одного из легирующих элементов в областях границ зерен. Так, в некоторых алюминиевых сплавах было показано , что небольшие количества железа сегрегируют на границах зерен и вызывают межкристаллитную коррозию. Кроме того, было показано, что содержание цинка в латуни выше на границах зерен и подвержено такой коррозии. Высокопрочные алюминиевые сплавы, такие как сплавы типа дюралюминия (Al-Cu), которые зависят от выделившихся фаз для укрепления, подвержены межкристаллитной коррозии после сенсибилизации при температурах около 120 °C. Сплавы с высоким содержанием никеля , такие как Inconel 600 и Incoloy 800, демонстрируют схожую восприимчивость. Литые цинковые сплавы, содержащие алюминий, демонстрируют межкристаллитную коррозию под действием пара в морской атмосфере. Стали Cr-Mn и Cr-Mn-Ni также подвержены межкристаллитной коррозии после сенсибилизации в диапазоне температур 420 °C–850 °C. В случае аустенитных нержавеющих сталей , когда эти стали сенсибилизируются путем нагрева в диапазоне температур примерно от 520 °C до 800 °C, происходит истощение хрома в области границ зерен, что приводит к восприимчивости к межкристаллитной коррозии. Такая сенсибилизация аустенитных нержавеющих сталей может легко возникнуть из-за требований к температурному обслуживанию, как в парогенераторах , или в результате последующей сварки сформированной структуры.
Несколько методов использовались для контроля или минимизации межкристаллитной коррозии восприимчивых сплавов, особенно аустенитных нержавеющих сталей . Например, использовалась высокотемпературная термическая обработка раствора , обычно называемая отжигом на раствор , закалкой -отжигом или закалкой на раствор. Сплав нагревают до температуры около 1060 °C - 1120 °C, а затем закаливают в воде. Этот метод, как правило, непригоден для обработки больших узлов, а также неэффективен, когда сварка впоследствии используется для выполнения ремонтных работ или для крепления других конструкций.
Другой метод контроля для предотвращения межкристаллитной коррозии включает включение в нержавеющие стали сильных карбидообразователей или стабилизирующих элементов, таких как ниобий или титан . Такие элементы имеют гораздо большее сродство к углероду , чем хром ; образование карбидов с этими элементами снижает количество углерода, доступного в сплаве для образования карбидов хрома . Такая стабилизированная титансодержащая аустенитная хромоникелево-медная нержавеющая сталь показана в патенте США № 3,562,781. Или нержавеющая сталь может изначально иметь пониженное содержание углерода ниже 0,03 процента, чтобы обеспечить недостаточное количество углерода для образования карбида. Эти методы являются дорогостоящими и лишь частично эффективными, поскольку со временем может возникнуть сенсибилизация. Низкоуглеродистые стали также часто демонстрируют более низкую прочность при высоких температурах.