Gerilim korozyon çatlaması - Stress corrosion cracking

Manyetik parçacık incelemesi ile ortaya çıkan, gerilim korozyonu çatlağını (iki küçük siyah çizgi kümesi) gösteren bir çelik boru hattının yüzeyinin yakından görünümü . Normalde görünmez olan çatlaklar, çatlak açıklıklarında kümelenen manyetik parçacıklar nedeniyle tespit edilebilir. Alttaki ölçek santimetre cinsindendir (her bölüm bir milimetreyi gösterir).

Gerilme korozyon çatlaması ( SCC ), korozif bir ortamda çatlak oluşumunun büyümesidir . Özellikle yüksek sıcaklıklarda çekme gerilimine maruz kalan normalde sünek metal alaşımlarında beklenmedik ve ani arızalara yol açabilir . SCC, belirli alaşımların yalnızca az sayıda kimyasal ortama maruz kaldığında SCC'ye maruz kalması muhtemel olduğundan, kimyasal olarak oldukça spesifiktir. Belirli bir alaşım için SCC'ye neden olan kimyasal ortam, genellikle metal için yalnızca hafif aşındırıcı olan bir ortamdır . Bu nedenle, şiddetli SCC'ye sahip metal parçalar, mikroskobik çatlaklarla doldurulurken parlak ve parlak görünebilir. Bu faktör, SCC'nin başarısızlıktan önce tespit edilmemesini yaygın hale getirir. SCC genellikle hızla ilerler ve alaşımlar arasında saf metallerden daha yaygındır. Spesifik ortam çok önemlidir ve genellikle yıkıcı ve beklenmedik arızalara yol açan feci çatlama üretmek için belirli yüksek düzeyde aktif kimyasalların yalnızca çok küçük konsantrasyonlarına ihtiyaç duyulur.

Gerilmeler, gerilme konsantrasyonundan kaynaklanan çatlak yüklerinin sonucu olabilir veya montaj tipinden veya imalattan kaynaklanan artık gerilmelerden (örn. soğuk işleme) kaynaklanabilir; artık gerilimler tavlama veya diğer yüzey işlemleri ile giderilebilir .

Malzeme duyarlılığı

SCC, hassas bir malzeme, aşındırıcı bir ortama maruz kalma ve bir eşiğin üzerindeki çekme gerilmeleri olmak üzere üç faktörün bir kombinasyonunun sonucudur . Bu faktörlerden herhangi biri ortadan kaldırılırsa, SCC'nin başlatılması imkansız hale gelir.

metaller

alaşım	K _Ic MN/m ^3/2	SCC ortamı	K _İscc MN/m ^3/2
13Cr çelik	60	%3 NaCl	12
18Cr-8Ni	200	% 42 MgC ₂	10
Cu-30Zn	200	NH ₄ -OH (pH 7)	1
Al-3Mg-7Zn	25	sulu halojenürler	5
Ti-6Al-1V	60	0.6 M KCl	20

Bazı östenitik paslanmaz çelikler ve alüminyum alaşımları , klorürlerin varlığında çatlar . Bu, östenitik paslanmaz çeliğin, 50 °C'nin (122 °F) üzerindeki sıcaklıklarda milyonda birkaç parçadan daha fazla klorür içeriğine sahip su içermesi için kullanışlılığını sınırlar;
alkali (örneğin kazan çatlaması ve kostik stres korozyonu çatlaması ) ve nitratların mevcudiyetinde yumuşak çelik çatlakları ;
amonyak çözeltilerinde bakır alaşımları çatlar ( mevsim çatlaması );
yüksek gerilimli çeliklerin , özellikle klorürler mevcut olduğunda, çeşitli sulu ortamlarda beklenmedik şekilde kırılgan bir şekilde çatladığı bilinmektedir.

Hidrojen çatlamasının özel bir örneği olan olası istisna dışında , diğerleri kritik altı çatlak büyümesi olgusunu gösterirler , yani kırılma mekaniğinin başarısızlığın meydana gelmemesi gerektiğini öngördüğü koşullar altında küçük yüzey kusurları (genellikle düzgün bir şekilde) yayılır . Yani, bir aşındırıcının varlığında çatlaklar gelişir ve kritik stres yoğunluk faktörünün ( ) çok altında yayılır . olarak belirtilen stres yoğunluğunun kritik altı değeri, 'nin %1'inden az olabilir . $K_{\mathrm {Ic} }$ $K_{\mathrm {Iscc} }$ $K_{\mathrm {Ic} }$

polimerler

Ürünler belirli çözücülere veya asitler ve alkaliler gibi agresif kimyasallara maruz kaldığında polimerlerde benzer bir süreç ( çevresel stres çatlaması ) meydana gelir . Metallerde olduğu gibi, saldırı belirli polimerler ve belirli kimyasallarla sınırlıdır. Bu nedenle polikarbonat , alkalilerin saldırısına karşı hassastır, ancak asitlerin saldırısına karşı hassas değildir. Öte yandan, polyesterler asitler tarafından kolayca bozunur ve SCC olası bir başarısızlık mekanizmasıdır. Polimerler, saldıran ajanların malzemeleri kimyasal olarak mutlaka bozmadığı durumlarda çevresel stres çatlamasına karşı hassastır . Naylon , hidroliz olarak bilinen bir süreç olan asitler tarafından bozunmaya karşı hassastır ve güçlü asitler tarafından saldırıya uğradığında naylon kalıplar çatlar.

SCC'nin neden olduğu kırık naylon yakıt borusu konektörünün yakından görünümü

Örneğin, bir yakıt konektörünün kırılma yüzeyi, çatlağın asit saldırısından (Ch) polimerin son ucuna (C) kadar ilerleyen büyümesini gösterdi. Bu durumda arıza, bir araba aküsünden sızan sülfürik asit ile temas yoluyla polimerin hidrolizinden kaynaklanmıştır . Bozunma reaksiyonu, polimerin sentez reaksiyonunun tersidir:

Çatlama Ozon içinde doğal kauçuk tüp

Çatlaklar, birçok farklı oluşturulabilir elastomerler ile ozon saldırısı, polimerler içinde SCC başka bir form. Havadaki küçük gaz izleri, doğal kauçuk , stiren-bütadien kauçuğu ve nitril bütadien kauçuğu bozulmaya karşı en hassas olan kauçuk zincirlerdeki çift bağlara saldıracaktır . Gerilim altındaki ürünlerde ozon çatlakları oluşur, ancak kritik gerilme çok küçüktür. Çatlaklar her zaman gerinim eksenine dik açılarda yönlendirilir, bu nedenle bükülmüş bir kauçuk borunun çevresi etrafında oluşacaktır. Bu tür çatlaklar yakıt borularında meydana geldiklerinde tehlikelidir çünkü çatlaklar açıkta kalan dış yüzeylerden borunun deliğine doğru büyüyecek ve bu nedenle yakıt sızıntısı ve yangın çıkabilir. Vulkanizasyondan önce kauçuğa anti-ozonantlar eklenerek ozon çatlaması önlenebilir . Otomobil lastiği yan duvarlarında yaygın olarak görülen ozon çatlakları , bu katkı maddelerinin kullanımı sayesinde artık nadiren görülmektedir. Öte yandan, kauçuk boru ve contalar gibi korumasız ürünlerde sorun tekrar eder.

seramik

Bu etki, tipik olarak kimyasal saldırılara karşı daha dirençli olan seramiklerde önemli ölçüde daha az yaygındır. Gerilme altındaki seramiklerde faz değişiklikleri yaygın olmasına rağmen, bunlar genellikle başarısızlıktan ziyade sertleşme ile sonuçlanır (bkz. Zirkonyum dioksit ). Son çalışmalar, bu toklaştırma mekanizması için aynı itici gücün aynı zamanda indirgenmiş seryum oksidin oksidasyonunu artırabildiğini, bunun da yavaş çatlak büyümesine ve yoğun seramik gövdelerin kendiliğinden bozulmasına neden olduğunu göstermiştir.

Bardak

Gösterilenler, stres korozyonu çatlaması altında farklı çatlak yayılım bölgeleridir. Bölge I'de, çatlak yayılımına, çatlaktaki gergin bağların kimyasal saldırısı hakimdir. II. bölgede, yayılma, kimyasalın çatlağa difüzyonu ile kontrol edilir. III. bölgede stres yoğunluğu kritik değerine ulaşır ve çevresinden bağımsız olarak yayılır.

Çoğu camın önemli bir silika fazı içerdiği göz önüne alındığında, suyun eklenmesi, kritik altı çatlak yayılmasını önleyen bağları kimyasal olarak zayıflatabilir. Aslında, bir çatlağın ucunda bulunan silikon-oksijen bağları gergindir ve bu nedenle kimyasal saldırıya daha duyarlıdır. Suyun kimyasal saldırısı durumunda, çatlağı köprüleyen silikon-oksijen bağları, bağlı olmayan silikon hidroksit gruplarına ayrılır. Dış stresin eklenmesi bu bağları daha da zayıflatmaya hizmet edecektir.

Camlarda kritik altı çatlak yayılımı üç bölgeye ayrılır. Bölge I'de, cam ve su arasındaki gerilimle güçlendirilmiş kimyasal reaksiyon nedeniyle ortam nemi ile birlikte çatlak yayılma hızı artar. II. bölgede, çatlak yayılma hızı difüzyon kontrollüdür ve kimyasal reaktanların çatlağın ucuna taşınabilme hızına bağlıdır. III. bölgede, çatlak yayılımı çevresinden bağımsızdır ve kritik bir gerilme yoğunluğuna ulaşmıştır. Amonyak gibi su dışındaki kimyasallar, silika camda kritik altı çatlak yayılmasını indükleyebilir, ancak bir elektron verici bölgeye ve bir proton verici bölgeye sahip olmalıdırlar.

çatlak büyümesi

Yayılımın kritik altı doğası , çatlak ilerledikçe salınan kimyasal enerjiye atfedilebilir . Yani,

açığa çıkan elastik enerji + kimyasal enerji = yüzey enerjisi + deformasyon enerjisi

Çatlak başlar ve daha sonra, çoğu zaman aşındırıcı iyonların çatlak ucuna yayılabileceği hız olan en yavaş süreç tarafından yönetilen bir hızda yayılır. Çatlak ilerledikçe artar (çünkü gerilme yoğunluğunun hesaplanmasında çatlak uzunluğu ortaya çıkar). Sonunda 'ye ulaşır , bunun üzerine hızlı kırılma meydana gelir ve bileşen başarısız olur. SCC ile ilgili pratik zorluklardan biri, beklenmedik doğasıdır. Örneğin paslanmaz çelikler , çoğu koşulda "pasif" oldukları, yani etkin bir şekilde inert oldukları için kullanılır. Çoğu zaman, metal yüzeyin geri kalanı görünüşte etkilenmeden kalırken, tek bir çatlağın yayıldığı görülür. Çatlak, uygulanan gerilime dik olarak yayılır. $K_{\mathrm {Iscc} }$ ${\görüntüleme stili K}$ $K_{\mathrm {Ic} }$

Önleme

SCC'nin başlamasını önlemek veya en azından geciktirmek için kullanılabilecek birkaç yaklaşım vardır. İdeal bir dünyada, bir SCC kontrol stratejisi tasarım aşamasında çalışmaya başlayacak ve malzeme seçimine, stresin sınırlandırılmasına ve çevrenin kontrolüne odaklanacaktır. O zaman mühendisin becerisi, gerekli performansı minimum maliyetle sağlayan stratejiyi seçmekte yatar. Performans gereksinimlerinin bir kısmı, başarısızlığın kabul edilebilirliği ile ilgilidir. Bir nükleer reaktördeki birincil muhafaza basınçlı kap, açıkçası çok düşük bir arıza riski gerektirir. Bir ışık anahtarı üzerindeki preslenmiş pirinç dekoratif kaplama için, sık sık meydana gelen arızaların ürün iadeleri ve üreticinin imajı üzerinde istenmeyen bir etkisi olmasına rağmen, ara sıra meydana gelen stres korozyon çatlağı ciddi bir sorun olmayacaktır. Sorunu kontrol etmek için geleneksel yaklaşım, SCC'ye daha dirençli yeni alaşımlar geliştirmek olmuştur. Bu maliyetli bir tekliftir ve yalnızca marjinal bir başarı elde etmek için büyük bir zaman yatırımı gerektirebilir.

Malzeme seçimi

Gerilme korozyon çatlamasını kontrol etmede ilk savunma hattı, tasarım ve yapım aşamalarında olasılığın farkında olmaktır. Servis ortamında SCC'ye duyarlı olmayan bir malzeme seçilerek ve doğru şekilde işlenip üretilerek sonraki SCC problemlerinden kaçınılabilir. Ne yazık ki, her zaman bu kadar basit değildir. Yüksek sıcaklıktaki su gibi bazı ortamlar çok agresiftir ve çoğu malzemenin SCC'sine neden olur. Yüksek akma dayanımı gibi mekanik gereksinimlerin SCC direnciyle (özellikle hidrojen gevrekliği söz konusu olduğunda) uzlaştırılması çok zor olabilir .

Malzeme testi

Gerilim korozyon çatlamasını kontrol etmede bir sonraki savunma hattı, malzemelerin parti bazında güvenli olduğundan emin olmak için test etmektir. Farklı uygulamalar ve malzemeler için çeşitli sürekli yük ve yüksüz testler mevcuttur. Yükselen kademeli yük yöntemiyle hızlandırılmış stres korozyon testi, SCC analizi için hızlı bir yöntem sunar.

Çevre

Ortamın kontrolü yoluyla SCC'yi kontrol etmenin en doğrudan yolu, sorundan sorumlu çevre bileşenini kaldırmak veya değiştirmektir, ancak bu genellikle mümkün değildir. Çatlamadan sorumlu türlerin ortamın gerekli bileşenleri olduğu durumlarda, çevresel kontrol seçenekleri, önleyicilerin eklenmesinden , metalin elektrot potansiyelinin değiştirilmesinden veya metalin kaplamalarla ortamdan izole edilmesinden oluşur.

Örneğin, östenitik paslanmaz çeliğin klorür stres korozyon çatlaması, gıda endüstrisinde erimiş çikolata taşıyan sıcak su ceketli borularda yaşanmıştır. Sıcaklığı kontrol etmek zordur, boru malzemesini değiştirirken veya kaynaklama ve boru tesisatı oluşturmayla ilişkili artık gerilimleri ortadan kaldırırken maliyetlidir ve tesisin durmasına neden olur. Ancak bu, ortamın değiştirilebileceği nadir bir durumdur: ısıtılmış sudan klorürleri çıkarmak için bir iyon değiştirme işlemi kullanılabilir.

Stres

Gerilim korozyon çatlaması için gerekliliklerden biri bileşenlerde gerilimin varlığı olduğundan, bir kontrol yöntemi bu gerilimi ortadan kaldırmak veya en azından SCC için eşik geriliminin altına düşürmektir. Bu genellikle çalışma gerilimleri (bileşenin desteklemesi amaçlanan gerilim) için uygun değildir, ancak çatlamaya neden olan gerilimin kaynak veya şekillendirme sırasında ortaya çıkan artık bir gerilim olduğu durumlarda mümkün olabilir .

Artık gerilimler, gerilim giderme tavlaması ile giderilebilir ve bu, karbon çelikleri için yaygın olarak kullanılır. Bunlar, çoğu ortam için nispeten yüksek bir eşik gerilimi avantajına sahiptir, dolayısıyla artık gerilimleri yeterince düşük bir düzeye indirmek nispeten kolaydır.

Buna karşılık, östenitik paslanmaz çelikler, klorür SCC için çok düşük bir eşik gerilimine sahiptir. Bu, hassaslaşma ve sigma fazı gevrekliği gibi diğer sorunlardan kaçınmak için gerekli olan yüksek tavlama sıcaklıkları ile birleştiğinde, bu sistem için SCC'yi kontrol etme yöntemi olarak gerilim gidermenin nadiren başarılı olduğu anlamına gelir.

Tam gerilim giderme tavlamasının zor veya imkansız olduğu büyük yapılar için, kaynakların ve diğer kritik alanların etrafındaki kısmi gerilim giderme değerli olabilir. Bununla birlikte, yeni yüksek kalıntı gerilim bölgeleri oluşturmaktan kaçınmak için bu kontrollü bir şekilde yapılmalıdır ve bu yaklaşım benimsenirse uzman tavsiyesi tavsiye edilir. Gerilmeler mekanik olarak da giderilebilir. Örneğin, verimi aşan hidrostatik testler, gerilimleri 'eşitleme' ve böylece tepe kalıntı gerilimi azaltma eğiliminde olacaktır.

SCC'nin kontrolü için faydalı olan bir yüzey sıkıştırma stresi oluşturmak için lazerle delme , bilyeyle dövme veya kum püskürtme kullanılabilir. Bu süreçlerin uygulandığı tek biçimlilik önemlidir. Örneğin, yalnızca kaynak bölgesi bilyalı dövülmüşse, dövülmüş alanın sınırında zarar verici çekme gerilimleri oluşturulabilir. Lazerle dövme ile elde edilen sıkıştırma artık gerilmeleri, hem konum hem de yoğunluk açısından hassas bir şekilde kontrol edilir ve çekme bölgelerine keskin geçişleri azaltmak için uygulanabilir. Lazerle dövme, geleneksel bilyeli dövmeden 10 ila 20 kat daha derinde derin sıkıştırma artık gerilmeleri verir, bu da onu SCC'yi önlemede önemli ölçüde daha faydalı hale getirir. Lazerle dövme, gazla çalışan türbin motorlarında havacılık ve enerji üretim endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Önemli başarısızlıklar

Ohio tarafından görüldüğü gibi çökmüş Gümüş Köprü,

Klasik bir SCC örneği, 19. yüzyılın başlarında Hindistan'daki İngiliz ordusunun yaşadığı bir sorun olan pirinç kartuş kutularının mevsimsel çatlamasıdır . İlkbahar ve yazın daha yüksek sıcaklıklarında çürüyen gübre ve at gübresinden amonyak tarafından başlatıldı . Soğuk şekillendirmenin bir sonucu olarak kartuş kovanlarında önemli miktarda artık gerilim vardı . Sorun, stresi iyileştirmek için kabukların tavlanmasıyla çözüldü .
Louisiana , Natchitoches'in kuzeyinde , Tennessee Gaz Boru Hattı'na ait 32 inç çapında bir gaz iletim boru hattı, 4 Mart 1965'te SCC'den patladı ve yandı, 17 kişi öldü. En az 9 kişi yaralandı ve kırılmaya 450 metre uzaklıktaki 7 ev yıkıldı.
SCC felaket çökmesine neden oldu Gümüş Köprüsü bir zaman, Aralık 1967 eyebar asma köprü de Ohio nehri Point Pleasant , Batı Virjinya , aniden başarısız oldu. Ana zincir bağlantısı başarısız oldu ve tüm yapı nehre düşerek köprüyü geçen araçlarda seyahat eden 46 kişiyi öldürdü. Eyebar eklemindeki pas, yüksek köprü yüklemesi ve düşük sıcaklık nedeniyle kritik hale gelen stres korozyon çatlağına neden olmuştu. Arıza, göz çubuğundaki yüksek düzeyde artık stres nedeniyle daha da kötüleşti. Felaket, ülke çapında köprülerin yeniden değerlendirilmesine yol açtı.
2004 yılında Moskova'da bir yüzme havuzunun çatısı, 28 kişinin ölümüne neden olan stres korozyonu çatlaması nedeniyle çöktü.
Nihon DEMPA Kogyo kristal otoklav biri bir patlamaya neden çatlama nedeniyle stres korozyon şiddetle kırıldığında Belvidere fabrika, Illinois tesis ağır 2009 yılında hasar gördü. NDK binasından gelen bir ışın, yakındaki bir benzin istasyonunda bir adamı öldürdü ve kırılan otoklav duvarının bir parçası iki kişiyi yaraladı ve yakındaki bir ofis binasında ağır hasara yol açtı.

Ayrıca bakınız

Adli kimya – Kimya çalışmasının adli uygulaması
Adli mühendislik – Hukuki müdahale ile ilgili arızaların araştırılması
Adli malzeme mühendisliği
Adli polimer mühendisliği
Kırılma mekaniği – Malzemelerdeki çatlakların yayılmasının incelenmesiyle ilgili mekanik alanı
Çevresel stres çatlaması
Çevresel stres kırığı - Çekme gerilmeleri ve zararlı ortamların etkisi altında erken bozulma için genel isim
Ozon çatlaması – Ozon saldırısı nedeniyle birçok farklı elastomerde çatlaklar
Polimer bozulması – Çevresel faktörlerin etkisi altında polimer özelliklerinde değişiklik
Mevsimsel çatlama – Pirinç kartuş kılıflarının stres-korozyon çatlaması şekli

Referanslar

Notlar

Kaynaklar

ASM International, Metals Handbook (Desk Edition) Chapter 32 (Failure Analysis), American Society for Metals, (1997) s. 32–24 ila 32-26
ASM El Kitabı Cilt 11 "Arıza Analizi ve Önleme" (2002) "Stres-Korozyon Çatlaması" WR Warke, American Society of Metals tarafından revize edilmiştir. Sayfalar 1738-1820
John B. Wachtman, W. Roger Cannon ve M. John Matthewson tarafından "Seramiklerin Mekanik Özellikleri". Bölüm 8.

Languages

In other projects