Ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn: Tại sao xảy ra hiện tượng nhạy cảm và cách kiểm tra nó của ASTM A262

Ăn mòn giữa các hạt là gì và tại sao nó lại xảy ra sau quá trình hàn?

Ăn mòn giữa các hạt (IGC) là một cuộc tấn công cục bộ chạy dọc theo ranh giới hạt của thép không gỉ hoặc hợp kim niken trong khi vẫn giữ nguyên phần bên trong hạt và hàn là nguyên nhân phổ biến nhất của nó vì vùng{0}}bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) đi qua phạm vi nhiệt độ nơi cơ chế tấn công hình thành.

Không giống như sự ăn mòn thông thường làm mỏng bề mặt một cách đồng đều và dễ dàng phát hiện bằng phép đo độ hao mòn của tường, sự ăn mòn giữa các hạt tấn công một mạng lưới ranh giới hẹp bên dưới bề mặt. Một thành phần có thể trông hoàn toàn nguyên vẹn nhưng vẫn mất phần lớn độ bền cơ học và độ dẻo dọc theo mạng lưới hạt, điều này khiến nó trở thành chế độ hư hỏng có hậu quả-cao trong các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất và ống cuộn chứ không phải là lỗi về mặt thẩm mỹ.

Cơ chế này mang tính luyện kim, không phải ngẫu nhiên: thép không gỉ austenit dựa vào màng thụ động giàu crom-liên tục để chống ăn mòn.Khi crom được kéo ra khỏi dung dịch ở ranh giới hạt để tạo thành cacbua, bản thân ranh giới này sẽ mất đi màng thụ động cục bộ, mặc dù hàm lượng crom khối của hợp kim không thay đổi. Hàn tạo ra chính xác các điều kiện nhiệt để kéo crom ra khỏi dung dịch trong một dải hẹp ở hai bên của dây chuyền nhiệt hạch - mà các nhà luyện kim bang gọi là sự nhạy cảm.

Tại sao hàn gây ra sự nhạy cảm?

Quá trình hàn gây ra hiện tượng mẫn cảm vì vùng-bị ảnh hưởng bởi nhiệt dành thời gian ở phạm vi kết tủa cacbua 425-870 độ (800-1600 độ F) khi nó nóng lên và nguội đi, cho phép cacbon kết hợp với crom ở các ranh giới hạt nhanh hơn crom có ​​thể khuếch tán trở lại để lấp đầy vùng cạn kiệt.

Ba điều kiện cần phải có để điều này xảy ra và hiểu rõ từng điều kiện là điều giúp kỹ sư hàn kiểm soát được nó thay vì chỉ đơn giản là hy vọng điều đó không xảy ra:

Cacbon trong dung dịch.Các loại austenit cacbon-tiêu chuẩn (304, 316) chứa khoảng 0,04-0,08% cacbon trong dung dịch rắn ở nhiệt độ ủ. Carbon đó có sẵn để phản ứng ngay khi hợp kim trở lại phạm vi nhạy cảm.

Thời gian ở nhiệt độ.Crôm cacbua (chủ yếu là Cr23C6) tạo mầm và phát triển ở các ranh giới hạt trong cửa sổ 425-870 độ. Chu trình hàn nhiệt nhanh sẽ giới hạn thời gian trong phạm vi này; đường truyền nhiệt đầu vào chậm,{5}}cao sẽ mở rộng nó.

Độ trễ khuếch tán crom.Crom khuếch tán qua mạng austenit chậm hơn nhiều so với cacbon. Sự hình thành cacbua tách crom khỏi vùng ranh giới chỉ rộng vài trăm nanomet nhanh hơn crom xung quanh có thể di chuyển vào để thay thế nó, do đó vùng mỏng đó có thể giảm xuống dưới ngưỡng ~ 10,5-12% crom cần thiết để duy trì một màng thụ động, mặc dù kim loại cơ bản cách đó một khoảng ngắn vẫn có khả năng bảo vệ hoàn toàn.

Kết quả thực tế là một đường bao đã cạn kiệt crom- vạch ra mối hàn HAZ trên cả hai phía của dây nung chảy. Lớp vỏ đó, chứ không phải bản thân kim loại mối hàn, thường là nơi bắt đầu xảy ra sự tấn công giữa các hạt.

Thông số hàn nào làm tăng rủi ro nhạy cảm?

Nhiệt đầu vào cao hơn, tốc độ làm mát chậm hơn, nhiệt độ giữa các lớp cao và nhiều mối hàn đi qua cùng một HAZ đều làm tăng nguy cơ nhạy cảm vì mỗi mối hàn đều kéo dài thời gian vật liệu tồn tại trong phạm vi kết tủa 425-870 độ.

Các biến này là những biến mà đặc tả quy trình hàn (WPS) thực sự kiểm soát, đó là lý do tại sao độ nhạy được xử lý tốt nhất như một vấn đề kiểm soát quá trình-chứ không phải là tác dụng phụ không thể tránh khỏi của hàn:

Nhiệt lượng đầu vào (kJ/mm hoặc kJ/in).Lượng nhiệt đầu vào cao hơn sẽ làm chậm tốc độ làm mát trong phạm vi nhạy cảm. Các quy trình như SAW và SMAW truyền nóng-có xu hướng chạy đầu vào nhiệt cao hơn so với các đường truyền gốc GTAW, điều này làm tăng rủi ro nhạy cảm trừ khi được bù ở nơi khác.

Nhiệt độ giữa.Việc cho phép nhiệt độ giữa các lớp tăng lên trên các mối hàn có nhiều lớp-giúp HAZ của mỗi lớp tiếp theo nóng hơn trong thời gian dài hơn, kết hợp thời gian-ở-nhiệt độ trên toàn bộ mối nối.

Độ dày của mặt cắt và sự hạn chế của mối nối.Các phần dày hơn giữ nhiệt lâu hơn và nguội chậm hơn so với ống có thành{0}}mỏng, mở rộng cửa sổ nhạy cảm ngay cả khi nhiệt lượng đầu vào tương đương.

Số lượng đường đi và chu kỳ hâm nóng.Mỗi lượt tiếp theo sẽ làm nóng lại HAZ liền kề từ lượt trước, do đó, các mối hàn-có nhiều đường hàn và các mối hàn sửa chữa có thể làm nhạy cảm một vùng nhiều lần.

Không có yếu tố nào trong số này cần phải loại bỏ - chúng cần được giới hạn bởi WPS/PQR đủ tiêu chuẩn (ASME Mục IX) phản ánh hành vi nhạy cảm của loại cụ thể được hàn.

Tấn công bằng dao-là gì và tại sao nó vẫn xảy ra ở các cấp độ ổn định?

Tấn công bằng dao-là một dải ăn mòn giữa các hạt hẹp hình thành ngay liền kề với đường nóng chảy ở các cấp ổn định bằng titan- hoặc niobium-(321, 347) khi đường hàn có nhiệt độ-cao hòa tan các cacbua ổn định và sau đó-nung lại ở nhiệt độ thấp hơn- sẽ kết tủa cacbua crom trước khi các chất ổn định có thể cải tổ.

Các loại được ổn định thường có khả năng chống lại sự nhạy cảm-vì titan hoặc niobi ưu tiên liên kết với cacbon, ngăn crom khỏi phản ứng tạo thành cacbua-. Tấn công bằng dao-là một ngoại lệ hẹp: đường hàn có nhiệt độ-rất cao (gần đường nóng chảy) có thể hòa tan các cacbua titan/niobium hiện có trở lại thành dung dịch. Khi làm mát, cacbua crom có ​​thể kết tủa lại trong dải mỏng đó trước khi các cacbua ổn định-hình thành chậm hơn-thiết lập lại, để lại một đường hẹp nhạy cảm vạch ra ranh giới nhiệt hạch thay vì một đường bao HAZ rộng. Quá trình ủ ổn định hoặc kiểm soát quy trình nhằm hạn chế chu kỳ gia nhiệt lại ở dây chuyền nhiệt hạch sẽ giải quyết chế độ lỗi cụ thể này.

ASTM A262 phát hiện sự nhạy cảm như thế nào?

ASTM A262 phát hiện sự nhạy cảm một cách gián tiếp: nó cho mẫu thử tiếp xúc với môi trường ăn mòn được chọn để tấn công các ranh giới hạt đã cạn kiệt crom, sau đó đánh giá kết quả bằng kính hiển vi, độ dẻo uốn cong hoặc tổn thất khối lượng thay vì đo trực tiếp hàm lượng crom.

ASTM A262, Thực hành tiêu chuẩn để phát hiện khả năng dễ bị tấn công giữa các hạt trong thép không gỉ Austenitic, xác định năm phương pháp thử nghiệm - A, B, C, E và F -, mỗi phương pháp phù hợp với một loại hợp kim, dạng sản phẩm hoặc mức độ nghiêm ngặt khác nhau. Không có cái nào trong số chúng mô phỏng một môi trường dịch vụ cụ thể; mỗi bài là một bài kiểm tra cấp tốc được tiêu chuẩn hóa có tiêu chí đạt/không đạt tương quan với-hành vi nhạy cảm trong thế giới thực.

Nguồn: ASTM A262, Thực hành tiêu chuẩn để phát hiện khả năng bị tấn công giữa các hạt trong thép không gỉ Austenitic.

Hai điểm quan trọng đối với bất kỳ ai chỉ định các bài kiểm tra này. Đầu tiên, Thực hành A là một công cụ sàng lọc: cấu trúc ăn mòn thuận lợi có thể đủ điều kiện mà không cần thử nghiệm thêm, nhưng cấu trúc không thuận lợi không tự mình loại bỏ vật liệu - nó kích hoạt một-kiểm tra định lượng tiếp theo (thường là B, C hoặc F). Thứ hai, các thực tiễn không thể thay thế cho nhau; mỗi mục tiêu là một sự kết hợp khác nhau giữa cơ chế hóa học và phân hủy hợp kim, đó là lý do tại sao A262 được viết dưới dạng một menu thực hành thay vì một bài kiểm tra đạt/không đạt duy nhất.

Bạn nên chỉ định thực hành A262 nào cho một ứng dụng nhất định?

Chỉ định Thực hành A để sàng lọc vật liệu thường xuyên-của bất kỳ loại austenit nào, Thực hành E cho quy trình hàn và đánh giá chất lượng sản phẩm hàn, và Thực hành C hoặc F khi các mối quan tâm về pha-mang molypden hoặc sigma{2}} đòi hỏi kết quả định lượng nghiêm ngặt hơn.

Thông số kỹ thuật mua hàng và thông số kỹ thuật quy trình hàn phải nêu rõ thực hành bằng chữ cái chứ không chỉ trích dẫn "ASTM A262" - các thực hành mang logic đạt/không đạt khác nhau một cách có ý nghĩa và tiêu chí chấp nhận của dự án (cấu trúc khắc, giới hạn tốc độ ăn mòn hoặc kết quả uốn cong) cần phải phù hợp với thực tế đang được thực hiện.

Làm thế nào để bạn ngăn chặn sự nhạy cảm trong quá trình chế tạo?

Biện pháp phòng ngừa đáng tin cậy nhất là lựa chọn vật liệu - chỉ định cấp-cacbon 'L' thấp hoặc cấp ổn định để có rất ít hoặc không có cacbon để tạo thành crom cacbua - được hỗ trợ bởi nhiệt đầu vào và kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn cũng như xử lý nhiệt sau mối hàn- khi ứng dụng vẫn yêu cầu điều đó.

1. Chỉ định cấp độ-Carbon 'L' thấp

304L và 316L giữ carbon ở mức tối đa 0,03% so với khoảng 0,08% đối với các loại tiêu chuẩn. Với lượng carbon ít ỏi đó, tốc độ hình thành cacbua crom giảm xuống đủ để hầu hết các chu trình hàn nhiệt chế tạo không tạo ra sự nhạy cảm đáng kể mà không có bất kỳ thay đổi nào đối với quy trình hàn.

2. Chỉ định cấp độ ổn định cho dịch vụ hàn-nhiệt độ cao hoặc lặp lại-

321 (titan-ổn định) và 347 (niobium-ổn định) liên kết cacbon dưới dạng titan hoặc niobium cacbua trong quá trình gia công máy nghiền, để lại một ít cacbon tự do phản ứng với crom trong quá trình hàn-ở nhiệt độ cao sau đó. Đây là lựa chọn tiêu chuẩn cho các bộ phận sẽ có thời gian sử dụng kéo dài trên 425 độ hoặc quá trình chế tạo bao gồm nhiều chu kỳ hàn/hàn lại, trong đó chỉ cấp L-có thể là không đủ.

3. Kiểm soát nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ giữa

WPS giới hạn lượng nhiệt đầu vào, giới hạn nhiệt độ giữa các lượt và hỗ trợ các quy trình đầu vào-nhiệt-nhanh hơn, thấp hơn cho các lượt quan trọng giúp giảm thời gian mà bất kỳ điểm nào trong HAZ sử dụng trong phạm vi 425-870 độ. Đây là đòn bẩy có chi phí thấp hơn so với việc thay thế vật liệu và thường được sử dụng cùng với nó chứ không phải thay thế nó.

4. Áp dụng sau{1}}Xử lý nhiệt mối hàn hoặc ủ dung dịch khi cần thiết

Ủ dung dịch (làm nóng trên khoảng 1040 độ và làm lạnh nhanh) sẽ hòa tan lại cacbua crom và khôi phục sự phân bố crom đồng đều trên ranh giới hạt. Đây là phương pháp xử lý khắc phục hoàn chỉnh nhất nhưng không phải lúc nào cũng thực tế đối với các tổ hợp chế tạo lớn hoặc các mối hàn ngoài hiện trường, đó là lý do tại sao việc lựa chọn cấp độ và kiểm soát quy trình là tuyến phòng thủ đầu tiên và PWHT được áp dụng khi điều kiện dịch vụ hoặc mã yêu cầu.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Sự nhạy cảm có làm cho thép không gỉ yếu đi ngay cả trước khi nó bị ăn mòn không?

Đáp: Không phải tự nó. Cấu trúc vi mô nhạy cảm về cơ bản có các đặc tính cơ học khối giống như cấu trúc không{1}}được nhạy cảm cho đến khi các ranh giới hạt nghèo crom- tiếp xúc với môi trường ăn mòn; sự mất đi độ dẻo và độ bền xảy ra sau sự ăn mòn chứ không phải chỉ do kết tủa cacbua.

Hỏi: Liệu 316 hoặc 316L vẫn nhạy cảm mặc dù nó có chứa molypden không?

Đ: Vâng. Molypden cải thiện khả năng chống rỗ và ăn mòn kẽ hở, nhưng nó không ngăn chặn sự kết tủa cacbua crom ở ranh giới hạt. Đó là lý do tại sao các loại ổ trục molypden-được thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM A262 Practice F thay vì được cho là có khả năng miễn nhiễm-nhạy cảm.

Hỏi: Kết quả Thực hành ASTM A262 A thuận lợi có đủ để chấp nhận vật liệu mà không cần thử nghiệm thêm không?

Đáp: Đối với nhiều thông số kỹ thuật mua hàng, có - cấu trúc một bước hoặc khắc kép thường được chấp nhận mà không cần thử nghiệm thêm. Cấu trúc mương không tự động loại bỏ vật liệu nhưng nó yêu cầu-thực hành định lượng tiếp theo (B, C hoặc F) để xác định khả năng chấp nhận, theo thông số mua hàng chi phối.

Hỏi: PWHT có luôn loại bỏ rủi ro mẫn cảm không?

Đáp: Quá trình ủ dung dịch được thực hiện đúng cách sẽ hòa tan lại các cacbua crom và loại bỏ tình trạng nhạy cảm, nhưng bất kỳ dịch vụ hàn hoặc nâng nhiệt độ-cao nào sau đó đều có thể làm tăng độ nhạy của vật liệu. PWHT giải quyết tình trạng nhạy cảm hiện có; nó không làm cho hợp kim không bị ảnh hưởng bởi sự nhạy cảm trong tương lai.