خوردگی ناشی از ترک درون دانه ای (IGSCC)

فولادهای آستنیتی به نظر می‌رسد مقاومت به خوردگی عمومی و موضعی خوبی به دلیل محتوای کروم بالا داشته باشند. این خواص یکی از ملاک‌های اساسی برای انتخاب گریدهای آستنیتی برای سرویس در بسیاری از کاربردها است. به هر حال این مقاومت می‌تواند در طول سرویس وقتی فولاد  در معرض محیط‌های خورنده در دمای بالا قرار می‌گیرد، تخریب شود. تخریب می‌تواند ناشی از حساس شدن در مرزدانه و ناحیه اطراف آن در آلیاژ به دلیل تهی شدن از کروم و کاهش غلظت آن از حد بحرانی شود (13.5 wt%).در این صورت مرزدانه ها به خوردگی IGSCC بسیار حساس می‌شوند[31].

شکل ‏4‑10 میزان تخلیه مرزدانه های از کروم برای فولاد 304S که در دمای 700 درجه سانتی‌گراد در طول سرویس حساس شده است را نشان می‌دهد. واضح است که افزایش زمان  عملیات حرارتی تا 100 ساعت، نشان از تخلیه قابل توجه کروم از مرزدانه ها دارد.

 

تهی شدن کروم از مرزدانه سبب ایجاد کربونیتریدهای غنی از کروم (مانند M₇C_{3 و} M₂₃C₇) یا ترکیبات بین فلزی (مانند فاز سیگما) می‌شود. در طول مرحله اولیه رسوب، رسوب کروم را از مرزدانه و ناحیه اطراف جذب می‌کند و سپس نفوذ کروم از داخل دانه به مرزدانه رخ می‌دهد، که نتیجه آن کاهش غلظت کروم در داخل دانه است. این فرآیند برگشت پذیر است، هنگامی که رسوب وارد مرحله درشت شدن می‌شود، کروم جذب شده توسط رسوبات پس زده می‌شود و منجر به افزایش غلظت کروم در مرزدانه می‌شود. شکل ‏4‑10 پیشنهاد می‌کند که احیای خودی[1] (به خاطر افزایش غلظت کروم در مرزدانه) بعد از 50 ساعت حساسیت رخ می‌دهد. این موضوع باید مورد توجه باشد که فصل مشترک رسوب-مرزدانه ممکن است حساسیت بیشتری به خوردگی در مقابل مرزدانه خالی از رسوب داشته باشند و بخش‌هایی از مرزدانه به خاطر اثر مویینگی به یک غلظت کروم کمتر نیاز داشته باشند[30].

 در نیروگاه ها تشعشع می‌تواند تهی شدن کروم را افزایش دهد. بسیاری از فاکتورها می‌تواند در درجه ای از حساسیت (DOS) فولادهای آستنیتی (و آلیاژهای پایه نیکل) اثر گذار باشد. به طور کلی، هر عاملی که سبب افزایش رسوبات غنی از کروم در مرزدانه شود DOS را افزایش می‌دهد. در مقابل، هر عاملی که ایجاد رسوبات غنی از کروم را محدود کند یا به تعویق بیندازد موجب کاهش DOS می‌شود. کاهش محتوای کربن و گیر انداختن کربن در شکل کاربیدها دو راه حلی هستند که می‌تواند مقاومت به IGSCC را بهبود بخشد. به طور کلی افزایش محتوای کروم، مقاومت به حساس شدن را افزایش می‌دهد. ولی افزایش محتوای کروم موجب بهم خوردن بالانس آن با عنصر نیکل شده و باید برای بالانس کردن محتوای کروم نیز افزایش یابد. نیکل اثرات معکوسی روی مقاومت به حساس شدن دارد و حلالیت پذیری را کاهش می هد و نفوذ پذیری کربن را افزایش می‌دهد[31]. مولیبدن وارد کاربیدهای مرزدانه ای می‌شود و بر فرآیندهای پسیو شدن در طول خوردگی اثرات مثبت دارد. این عنصر همانند کروم نقش ایفا می‌کند. به هر حال، گزارش شده است که مولیبدن حلالیت پذیری کربن را کاهش می‌دهد و رسوب کاربیدها را افزایش می‌دهد. منگنز درفولادهای آستنیتی اغلب به عنوان جانشین نیکل اضافه می‌شود تا پایداری آستنیت را افزایش دهد و اثرات رادیواکتیویته را کاهش دهد. به طور کلی اضافه کردن منگنز به فولاد زنگ نزن، اکتیویته کربن را کاهش می‌دهد و حلالیت کربن را افزایش می‌دهد. از این‌رو نرخ رسوب کاربیدها کاهش می‌یابد. در مقابل نتایج آزمایشات هیویی[2] و استراس[3] روی فولادهای زنک نزن 201، 202 و 304 نشان داده است، نوع منگنز بالا 202 حساسیت بیشتری به خوردگی بین دانه ای نسبت به آلیاژهای با منگنز کم دارند. یک اثر مشابه متناقض از بروم روی آستنیتی گزارش شده است. بور به طور جزئی جانشین کربن کاربیدهای موجود در مرزدانه می‌شود و بدین گونه مقدار کاربیدهای مرزدانه ای و مقدار کروم که توسط کاربیدها گرفته می‌شود را افزایش می‌دهد. گزارش شده است که اضافه کردن بروم به 304 مقاومت به خوردگی در اسید نیتریک راکاهش می‌دهد درحالی‌که در فولاد 316 بروم، بریدهای مرزدانه ای در حضور فاز سیکما و کاربیدها را شکل می‌دهد و مقاومت به حساس شدن را افزایش می‌دهد[32].

 اثرات نیتروژن روی حساس شدن پیچیده است و وابسته به مقدار دیگر عناصر آلیاژی و انواع رسوباتی که شکل می‌گیرد دارد. رسوبات کاربیدی مرزدانه ای غنی از کروم به شدت وابسته به طبیعت مرزدانه ها هستند، و بدین گونه مهندسی مرزدانه (GBE) در اصلاح کردن مشخصات توزیع مرزدانه ای (GBCD) برای بهبود مقاومت به IGSCC در سال‌های اخیر توجه ویژه ای را به خود جذب کرده است[33]. فلسفه این کار بدین صورت است که مرزدانه هایی که حساس به رسوب کاربیدهای غنی از کروم است را کاهش می‌دهند و شمار مرزدانه هایی که به رسوب مرزدانه ای مصون هستند یا ایجاد رسوب در آن‌ها بسیار محدود است را افزایش می‌دهند. بدین گونه شبکه مرزدانه های حساس تخریب می‌شود و از رشد ترک‌های IGSCC جلوگیری می‌شود. مرزدانه های با انرژی بالا (RHAB) به رسوب کاربیدهای مرزدانه ای و از اینرو IGSCC حساس‌تر هستند. رفتار مرزدانه های  با زاویه کم (LAB، زاویه انحراف کمتر از 15 درجه) و مرز های شبکه ای با مکانهای منطبق متفاوت از یکدیگر  است. ین[4]و همکارانش اخیراً متوجه شده‌اند در مورد تهی شدن مرز دانه از کروم یک آلیاژ پایه نیکل که LABS  با زاویه جهت گیری بزرگ‌تر از 10 درجه دارند رفتاری مشابهRHABs (مرز های تصادفی با زاویه زیاد) دارند. مرزدانه های با زاویه جهت گیری حدود 5 تا 10 درجه به رسوب مرزدانه ای و تهی شدن از کروم نسبتاً حساس هستند ولی کمتر از RHABs ها این حساسیت وجود دارد. رسوب دهی کاربیدی و تهی شدن کروم در مرزدانه های با زاویه جهت گیری کمتر از 5 درجه بسیار محدود است. مرزهای دوقلویی کوهرنت   نسبت به رسوب دهی کاربیدی مصون هستند. مرزدانه های با مکان های شبکه ای منطبق( CSL ) با ایندکس  پایین به مقدار اندکی نسبت به پدیده تهی شدن کروم حساس هستند.این در حالیست که مرزدانه های CSL با ایندکس  بالا رفتاری مشابه RHABs دارند. اصطلاح مرزدانه های خاص در منابع به طور کلی به LABS  و مرزدانه های CSL با  کم اشاره دارد و نسبت خوبی بین نرخ خوردگی و نسبت مرزدانه های خاص وجود دارد[34]. بنابراین هدف از GBE(مهندسی مرز دانه)، با توجه  به بهبود مقاومت IGSCC ، افزایش نسبت مرزدانه های خاص است.   

مطالعات مدل سازی متفاوت  بر روی تهی شدن مرزدانه ها از کروم در فولادهای آستنیتی و آلیاژهای پایه نیکل نشان می‌دهد که اندازه دانه کوچک‌تر برای مقاومت به IGSCC  مناسب تراست. بلتن[5] و همکارانش گزارش داده‌اند که کاهش اندازه دانه منجر به شتاب بخشیدن به فرآیند حساس شدن یا عدم حساس شدن در فولاد آستنیتی 304 می شود. همان طور که در شکل ‏4‑11 برای آلیاژ نیکل مشخص می‌شود در هنگام مقایسه پدیده تهی شدن کروم از مرزدانه ها،دانه های کوچکتر  را از طریق افزایش حداقل غلظت کروم مرزدانه ای و احیا خودی، از دانه های بزرگ متمایز می کنند[35].

---

[1]self-healing

[2]Huey

[3]Strauss

[4]Yin

[5]Beltran