جدایش مرزدانه¬ای در فولادهای آستنیتی

جدایش اتم‌های ناخالص در مرزدانه های آستنیت می‌تواند به طور قابل ملاحظه­ای حالت شیمیایی مرزدانه را تغییر دهد و بدین گونه خواص فیزیکی و شیمیایی فولاد آستنیتی را تغییر دهد. جدایش به خاطر گرما می‌تواند به دو دلیل رخ دهد. جدایش تعادلی در دماهای بالا رخ می‌دهد و سرعت آن به جاهای خالی یا نفوذ بستگی دارد. جدایش تعادلی با یک پوشش تک لایه در فصل مشترک ناحیه جدایش مشخص می‌شود. پهنای آن نسبت به غلظت مشخص می‌شود که نسبت بین غلظت جدایش در فصل مشترک و غلظت در دانه است و این نسبت وضعیت تعادل گرمایی را مشخص می‌کند. در مقابل جدایش غیر تعادلی (NES) به خاطر وجود غلظت غیر تعادلی جاهای خالی در زمینه بوجود می­ایند که نیاز دارند آزاد شوند اگر تعادل دوباره برقرار شود[17]. این شرایط توسط فصل مشترک در دانه­ها مثل مرزدانه ها تأمین می‌شود که همانند یک سینک برای جذب عیوب، مثل جاهای خالی عمل می‌کند و این باعث می‌شود تنش‌های مربوطه کاهش یابند. در نتیجه گرادیان غلظتی بین دانه و مرزدانه برقرار می‌شود. در این حالت، عیوب نقطه ای ممکن است با اتم‌های محلول یا اتم‌های ناخالصی واکنش دهند و مجتمع‌های قابل مهاجرتی را شکل دهند و این مجتمع‌های قابل حرکت به انتقال اتم‌های جدایش نسبت داده می‌شوند. جمعیت چنین مجتمع‌هایی ممکن است در شرایط اولیه در فاصله چند میکرومتری از سینک ایجاد شوند و در نتیجه [1]NES (جدایش غیر تعادلی) با پهنای جدایش در فصل مشترک مشخص می‌شود[18].

جدایش تحت تشعشع (RIS) یک نوع NES (جدایش غیر تعادلی) است که توسط مکانیزم نفوذ یا مجتمع‌های قابل مهاجرت، جاهای خالی یا اتم‌های بین نشین ممکن است درگیر شود. وقتی که فولاد آستنیتی از دمای محلول سازی سرد می‌شود، NES و بسیاری از گونه های جدایش به مرزدانه اتفاق می‌افتد. عناصر آلیاژسازی اصلی، کروم به طور کلی در مرزدانه جدایش می‌یابد، درحالی‌که غلظت نیکل و آهن در مرزدانه پایین آورده می‌شود  تا بالانس برقرار شود. افزایش غلظت کروم در مرزدانه باعث ایجاد کاربیدهای کروم در مرزدانه و ناحیه مجاور تهی از کروم در طول عمر کار فولاد می‌شود. در میان عناصر آلیاژی و ناخالص‌های کمیاب، بیشترین جدایش در فولادهای آستنیتی و آلیاژهای پایه نیکل مربوط به عنصر فسفر است. غلطت فسفر مرزدانه ای حدود 30 at.% در فولاد  304 SS با نسبت غنی شده حدود 1300 در مرزدانه گزارش شده است. پس در فولادهای تجاری با غلظت فسفر حتی 100 ppm مرزدانه های غنی از فسفر ممکن است مشاده شود. غیر فسفر مهمترین عناصر غیر فلزی مانند Si، S، C، B و N می‌تواند در وضعیت‌های مشخصی  در مرزدانه جدایش یابد.اعتقاد بر این است که ناخالص‌های همچون P، Si و S ترد کننده[2] مرزدانه هستند و در حالی که C و B نرم کننده[3] مرزدانه هستند. فوکویا[4] و جنس[5] پیشنهاد دادند که جدایش Si و S در مرزدانه مشکل اصلی تنش خوردگی تحت تشعشع (IASCC)هستند. تاثیرات  زیان آور عناصرP,S,N,Ti,Nb روی IASCC در فولاد 304 توسط شماری از محققان اشاره شده است[19]. در یک تحقیق توسط اندرسون[6] و بریانت[7]، هیت های[8] رایج و تجاری از فولاد 304 و 316 بعد از عملیات پیرسازی در دمای 500-700 درجه سانتی‌گراد و سرد شدن نمونه آن‌ها متوجه شدند که S خسارت جدایش بیشتری از P دارد و بدین صورت حساسیت به [9]IGSCC با وجود S غالب است حتی اگر نواحی تهی از کروم وجود نداشته باشد. جدایش نیتروژن قابل توجه در مرزدانه در فولادهای حاوی نیتروژن بالا و رسوب Cr₂N در بین دانه ها گزارش شده است. رسوب نیتریدهای غنی از کروم موجب تهی شدن مرزدانه از کروم و به علاوه رسوب کاربیدهای غنی از کروم می‌شود و بدین گونه مقاومت به IGSCC کاهش می‌یابد. ناکایاما[10]اخیرا نشان داده است که در یک فولاد 310 با خلوص بالا (310EHP) با استفاده از روش ذوب مجدد می­توان مقدار کلی عناصر زیان آور را کاهش داده و به کمتر از 100 ppm برسانند. بدین طریق مقاومت بسیار بهتری به خوردگی حتی درمحلول جوشان HNO₃ با یون‌های اکسید کننده نسبت به آلیاژ  310  با کربن بسیار پایین بدست می‌آید. لوکا[11]متوجه شد هیچ جدایش مضری از عناصر ناخالص در مرزدانه به جز بور وجود ندارد. جدایش بروم به طور اساسی سبب خوردگی در (310EHP) می‌شود. سورمیل[12]و همکارانش مرزدانه های حاوی بریدهای غنی از کروم (M₂B) در فولاد 310SS اصلاح شده را به خاطر جدایش غیر تعادلی در حین سرد کردن آهسته فولاد از 1433 به 1333 درجه کلوین رخ می‌دهند[20]. به طور مشابه، جدایش بروم و شکل گیری M₂B روی مرزدانه در فولاد 316L گزارش شده است. مشابه شکل گیری Cr₂N در فولاد آستنیتی حاوی نیتروژن، شکل گیری M₂B غنی از کروم نیز سبب تهی شدن کروم از مرزدانه و نواحی اطراف می‌شود. به علاوه مشخص شده است که بروم می‌تواند جانشین کربن در کاربید شود که نتیجه آن مقدار بیشتر کاربیدهای غنی از کروم مرزدانه­ای و تهی شدن شدیدتر کروم از مرزدانه است. به هر حال، یک جدایش ممکن است اثرات برعکس داشته باشد و این اثرات ممکن است بتواند با دیگر جدایش ها برهمکنش داشته و تغییر کند. برای مثال مشخص شده است، افزایش غلظت بروم از 10 ppm به 60 ppm در فولاد 316SS می‌تواند انرژی مرزدانه ای را از 12 تا 40% در دماهای بالا به دلیل جدایش بروم به مرزدانه کاهش دهد و آن نیروی محرکه برای رسوب مرزدانه­ای را کاهش می‌دهد. شینیا[13] و لاها[14] و همکارانشان گزارش داده‌اند که کروم می‌تواند به سطح حفره های خزش، جدایش یابد و فیلم BN ایجاد کند که رشد حفرات را به تأخیر می‌اندازد و بدین گونه استحکام خزشی و داکتیلیتی 321 و 347 فولاد آستنیتی را افزایش می‌دهد[21].

---

[1] Nonequilibrium segregation

[2]embrittle

[3]soften

[4]Fukuya

[5]Jones

[6]Andresen

[7]Briant

[8]heats

[9] intergranular stress corrosion cracking

[10] Nakayama

[11]loka

[12]Sourmail

[13]Shinya

[14]Laha