Spoiny spawane w aluminium mogą ulegać korozji ogólnej, miejscowej, międzyziarnowej oraz korozji naprężeniowej. Niniejszy przewodnik wyjaśnia, dlaczego wytrącanie się fazy drugorzędowej oraz różnice elektrochemiczne sprzyjają korozji międzyziarnowej, a także w jaki sposób naprężenie rozciągające w połączeniu ze środowiskiem korozyjnym powoduje pękanie korozyjne naprężeniowe. Zdefiniowano w nim naprężenie krytyczne, wskaźniki KISCC, JISCC, KIC oraz trzystopniową zależność da/dt-K, a następnie dokonano oceny składu stopu, dopasowania spoiwa, mikrostruktury strefy spawania, naprężeń szczątkowych i defektów. Działania zapobiegawcze obejmują dobór materiału, materiały eksploatacyjne, redukcję naprężeń szczątkowych, obróbkę cieplną oraz ochronę powierzchni. W artykule zachowano notację z zakresu mechaniki pękania oraz zależności progowe niezbędne do oceny inżynierskiej.
Korozja to uszkodzenie lub zniszczenie spowodowane oddziaływaniem chemicznym lub elektrochemicznym między metalem a otoczeniem. Wyróżnia się korozję chemiczną i elektrochemiczną, przy czym najczęściej obserwowaną formą korozji jest korozja elektrochemiczna.
Połączenia spawane mogą ulegać korozji ogólnej, korozji miejscowej lub korozji wspomaganej naprężeniami. Korozja ogólna obejmuje całą lub większość powierzchni; gdy jej szybkość jest w przybliżeniu jednakowa we wszystkich miejscach, nazywa się ją korozją równomierną. Korozja miejscowa rozwija się przede wszystkim w określonych miejscach i znacznie szybciej niż gdzie indziej, jak w przypadku korozji międzyziarnowej lub wżerowej. Naprężenia nasilają proces korozji i mogą powodować korozję naprężeniową oraz pękanie korozyjne pod wpływem naprężeń.
Korozja ogólna jest przewidywalna i stosunkowo mniej niebezpieczna. Korozja punktowa jest trudna do przewidzenia i może spowodować nagłą awarię bez wyraźnych oznak ostrzegawczych.
Aluminium zasadniczo wykazuje dobrą odporność na korozję, jednak jego zachowanie zależy od rodzaju stopu, składu i warunków otoczenia. Stopy aluminium niepoddające się obróbce cieplnej, stopy Al-Mn oraz Al-Mg, wykazują lepszą odporność na korozję niż stopy poddające się obróbce cieplnej, takie jak Al-Cu-Mg i Al-Zn-Mg. Stopy Al-Cu-Mg i ich spoiny są podatne na korozję międzyziarnową, natomiast stopy Al-Zn-Mg i ich spoiny są podatne na korozję naprężeniową i pękanie korozyjno-naprężeniowe. Stopy aluminium są na ogół odporne na korozję atmosferyczną, ale wykazują gorszą odporność w wodzie morskiej i klimacie morskim.
Korozja międzyziarnista postępuje wzdłuż granic ziaren lub w obszarach przylegających do nich i często poprzedza korozję naprężeniową.
Na powierzchni może być widoczne jedynie niewielkie uszkodzenie, podczas gdy wewnętrzna sieć pęknięć międzyziarnowych znacznie obniża wytrzymałość. Główną przyczyną jest wytrącanie się fazy wtórnej na granicach ziaren, co prowadzi do wyczerpania zasobów bardziej szlachetnego składnika w sąsiedztwie. Na przykład w duraluminiumie Al-Cu-Mg wytrącanie się CuAl₂ powoduje powstanie strefy o obniżonej zawartości miedzi. W wspólnym środowisku metal o bardziej ujemnym potencjale staje się anodą galwaniczną i ulega korozji łatwiej, podczas gdy metal o bardziej dodatnim potencjale pełni zazwyczaj rolę katody. Zmiany mikrostrukturalne są zatem czynnikiem napędzającym elektrochemiczną korozję międzyziarnową. Korozja naprężeniowa jest najważniejszym czynnikiem korozyjnym, który należy uwzględnić w zakresie kontroli pękania spawanych konstrukcji aluminiowych.
Pękanie korozyjne pod wpływem naprężeń (SCC) to pękanie połączenia pod wpływem naprężeń statycznych w środowisku korozyjnym. Wynika ono z połączonego działania naprężeń, zazwyczaj rozciągających, oraz określonego środowiska. Połączenie lub konstrukcja mogą ulec samoczylnemu pęknięciu przy naprężeniach znacznie niższych od granicy plastyczności, a nawet w środowisku o umiarkowanej korozyjności. Jest to zatem szczególnie niebezpieczna forma kruchego pękania przy niskich naprężeniach.
Naprężenie wywołujące pękanie jest sumą naprężeń szczątkowych powstałych podczas produkcji i spawania oraz naprężeń eksploatacyjnych. SCC nie występuje, gdy przyłożone naprężenie, współczynnik intensywności naprężeń K lub całka J są niższe od odpowiedniego progu — naprężenia krytycznego σSCC, próg współczynnika intensywności naprężeń KISCC, lub całka progowa JISCC. Istniejące pęknięcie korozyjno-naprężeniowe nie będzie się rozprzestrzeniać poniżej wartości progowej. Gdy współczynnik intensywności naprężeń na czubku pęknięcia przekroczy wartość KISCC, pęknięcie powstaje lub się powiększa; do złamania dochodzi, gdy powiększenie pęknięcia osiągnie stan krytyczny dla danego materiału.
Proces pękania przebiega w trzech etapach: inicjacja pęknięcia, stabilny wzrost podkrytyczny oraz wzrost niestabilny. Wżery i korozja międzykrystaliczna często stanowią punkty początkowe pęknięć i skracają czas ich inicjacji. Powstałe pęknięcie rozgałęzia się niczym korzeń drzewa; jedna z gałęzi może stać się szybko rosnącym pęknięciem głównym, podczas gdy inne zatrzymują się lub rosną powoli. Po powstaniu pęknięcie rozprzestrzenia się w niemal stałym tempie aż do momentu wystąpienia niestabilności mechanicznej.
Zależność szybkości rozprzestrzeniania się pęknięcia da/dt od współczynnika intensywności naprężeń na czubku pęknięcia K zazwyczaj obejmuje trzy obszary. W obszarze I wartość da/dt gwałtownie spada wraz ze spadkiem wartości K, a poniżej wartości K pęknięcie nie rozprzestrzenia sięISCC. Region II charakteryzuje się stabilnym wzrostem przy da/dtII. Gdy K osiąga wartość wytrzymałości na pękanie KIC, Rozpoczyna się Region III, a niestabilny wzrost nadal powoduje pękanie.
Z punktu widzenia inżynierii KISCC oraz da/dtII stanowią przydatne wskaźniki wytrzymałości dla materiałów i połączeń spawanych.
W ujęciu makroskopowym pęknięcie przebiega zazwyczaj prostopadle do naprężenia głównego, a pęknięcie rozgałęzia się. Nagromadzenie produktów korozji powoduje utratę metalicznego połysku w miejscu powstania pęknięcia oraz w obszarze wzrostu podkrytycznego. Miejsce powstania pęknięcia może charakteryzować się wżerami, korozją międzykrystaliczną lub wadą spawalniczą. Końcowy obszar niestabilności może wykazywać wzory promieniowe lub w kształcie szewronu. W skali mikroskopowej pęknięcia mogą mieć charakter międzyziarnowy, przezziarnowy lub mieszany, w zależności od środowiska i naprężeń. Powierzchnie pęknięć często zachowują ślady odkształceń plastycznych w postaci wzorów przypominających cukierki skalne, muszle lub pióra.
Stopy o wysokiej wytrzymałości poddawane obróbce cieplnej, a zwłaszcza stopy Al-Zn-Mg i Al-Zn-Mg-Cu o ultra wysokiej wytrzymałości, są bardzo podatne na korozję naprężeniową (SCC) w spoinach. Nawet odporne na korozję stopy Al-Mg, które nie podlegają obróbce cieplnej, stają się podatne na tę korozję przy wysokiej zawartości magnezu.
Przy doborze materiału wypełniającego często kładzie się nacisk na spawalność, skład, wytrzymałość, plastyczność i odporność na pękanie. Może to powodować znaczne różnice w składzie i mikrostrukturze między spoiną a metalem podstawowym, a także związane z tym różnice elektrochemiczne, które mogą zwiększać podatność na pękanie pod wpływem naprężeń elektrokorozyjnych (SCC).
Spawanie może powodować zgrubienie ziaren, topnienie na granicach ziaren oraz kruchość na granicach ziaren w spoinie, strefie stopienia i strefie wpływu ciepła. Takie niejednorodne lub nierównowagowe struktury mogą zwiększać podatność na pękanie pod wpływem naprężeń korodujących (SCC). Struktura krystaliczna w stanie równowagi termodynamicznej zazwyczaj charakteryzuje się najwyższą odpornością, natomiast struktura daleka od równowagi jest bardziej podatna na ten proces.
Naprężenia szczątkowe mają znaczący wpływ. Nawet bez obciążenia zewnętrznego szczątkowe naprężenie rozciągające może wystarczyć do wywołania korozji naprężeniowej (SCC).
Wady płaskie, a zwłaszcza pęknięcia krzepnięcia lub likwacji, powodują znaczne skupienie naprężeń. Ich wzajemne oddziaływanie z resztkowymi naprężeniami rozciągającymi sprzyja powstawaniu pęknięć spowodowanych koncentracją naprężeń (SCC).
Ponieważ skład, mikrostruktura i właściwości mechaniczne zmieniają się w obrębie spoiny, jej odporność na korozję naprężeniową (SCC) jest często niższa niż w przypadku metalu podstawowego, nawet przy prawidłowym doborze materiału i kontroli procesu. Na przykład w cieczy zawierającej 3% NaCl, σSCC/ReL wynosi 0,6 dla metalu podstawowego – aluminium – oraz 0,5 dla połączenia spawanego.
Udostępnij swój rysunek, materiał, docelową tolerancję lub pytanie dotyczące zastosowania. Nasz zespół inżynierów może pomóc w przeanalizowaniu trasy obróbki i zasugerować praktyczny następny krok.
Przewodnik po materiałach
Grube, spawane elementy z aluminium o wysokiej wytrzymałości wymagają dużego doprowadzenia ciepła, ale jednocześnie łatwo ulegają odkształceniom z powodu szybkiego przewodzenia ciepła i rozszerzalności cieplnej. W niniejszym przewodniku wyjaśniono...
Przeczytaj artykułPrzewodnik po materiałach
Wytrzymałość zmęczeniowa wzrasta, gdy w konstrukcjach spawanych minimalizuje się skupienia naprężeń, stosuje odpowiednie kształty połączeń, zachowuje się gładką geometrię spoiny oraz eliminuje się wady płaskie. To...
Przeczytaj artykułPrzewodnik po materiałach
Właściwości fizyczne i chemiczne aluminium powodują sześć powtarzających się problemów związanych ze spawaniem: trudną do usunięcia warstwę tlenku, porowatość wodorową, przepalenie, pękanie na gorąco, zmiękczenie strefy wpływu ciepła oraz...
Przeczytaj artykułStudia przypadków / Projekty
Cienkościenne aluminiowe półkule charakteryzują się niską sztywnością i łatwo ulegają odkształceniom podczas toczenia CNC. Bezpośrednie uchwycenie lub dociśnięcie powoduje, że półkula pozostaje bez podparcia,...
Przeczytaj artykuł
