التآكل بين الحبيبات

في علم المواد ، يُعرف التآكل بين الحبيبات ( IGC )، أو الهجوم بين الحبيبات ( IGA )، بأنه شكل من أشكال التآكل حيث تكون حدود البلورات في المادة أكثر عرضة للتآكل من داخلها. ( انظر التآكل عبر الحبيبات).

يمكن أن تحدث هذه الحالة في السبائك المقاومة للتآكل، عندما تتناقص حدود الحبيبات، وهو ما يُعرف باسماستنزاف حدود الحبيبات ، أي استنزاف العناصر المثبطة للتآكل مثل الكروم، عبر آلية معينة. فيسبائكالنيكلوالفولاذ المقاوم للصدأالأوستنيتي ، حيثالكروملمقاومة التآكل، تتمثل الآلية في ترسيبكربيد الكرومعند حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى تكوين مناطق مستنزفة من الكروم مجاورة لحدود الحبيبات (تُسمى هذه العمليةبالتحسيس). يلزم وجود حوالي 12% من الكروم كحد أدنى لضمان التخميل، وهي آلية تتشكل من خلالها طبقة رقيقة جدًا غير مرئية، تُعرف بالطبقة الخاملة، على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ. تحمي هذه الطبقة الخاملة المعدن من البيئات المسببة للتآكل. خاصية التئام الطبقة الخاملة ذاتيًا تجعل الفولاذ مقاومًا للتآكل.عملية الترشيح الانتقائيآليات استنزاف حدود الحبيبات.

تعمل هذه المناطق أيضًا كأزواج جلفانية موضعية، مما يُسبب تآكلًا جلفانيًا موضعيًا . تحدث هذه الحالة عند تسخين المادة إلى درجات حرارة تقارب 700  درجة مئوية لفترة طويلة جدًا، وغالبًا ما تحدث أثناء اللحام أو المعالجة الحرارية غير السليمة . عندما تتشكل مناطق من هذه المادة نتيجةً للحام، يُطلق على التآكل الناتج اسم تآكل اللحام . يمكن تثبيت الفولاذ المقاوم للصدأ ضد هذا السلوك بإضافة التيتانيوم أو النيوبيوم أو التنتالوم ، التي تُشكل كربيد التيتانيوم وكربيد النيوبيوم وكربيد التنتالوم بشكل تفضيلي على كربيد الكروم، أو عن طريق خفض محتوى الكربون في الفولاذ، وفي حالة اللحام أيضًا في معدن الحشو إلى أقل من 0.02%، أو عن طريق تسخين الجزء بأكمله إلى ما يزيد عن 1000  درجة مئوية وتبريده فجأة في الماء، مما يؤدي إلى ذوبان كربيد الكروم في الحبيبات ومن ثم منع ترسبه. ثمة احتمال آخر يتمثل في الحفاظ على سماكة الأجزاء الملحومة رقيقة بما يكفي بحيث يتبدد المعدن الحرارة بسرعة كبيرة عند التبريد، مما يمنع ترسب كربيد الكروم. تُستخدم اختبارات ASTM A923 ^{[ 1 ]} و ASTM A262 ^{[ 2 ]} وغيرها من الاختبارات المماثلة لتحديد متى تكون الفولاذات المقاومة للصدأ عرضة للتآكل بين الحبيبات. تتطلب هذه الاختبارات التخريش بمواد كيميائية تكشف عن وجود جزيئات بين فلزية، ويُدمج ذلك أحيانًا مع اختبار شاربي ذي الشق V واختبارات ميكانيكية أخرى.

يُعرف نوع آخر ذو صلة من التآكل بين الحبيبات باسم تآكل خط السكين ( KLA ). يؤثر تآكل خط السكين على الفولاذ المُثبَّت بالنيوبيوم، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 347. يذوب التيتانيوم والنيوبيوم وكربيداتهما في الفولاذ عند درجات حرارة عالية جدًا. في بعض أنظمة التبريد (بحسب معدل التبريد)، لا يترسب كربيد النيوبيوم، ويتصرف الفولاذ حينها كالفولاذ غير المُثبَّت، مُكَوِّنًا كربيد الكروم بدلًا منه. يؤثر هذا فقط على منطقة رقيقة بعرض بضعة ملليمترات في محيط اللحام، مما يجعل اكتشافه صعبًا ويزيد من سرعة التآكل. يجب تسخين الهياكل المصنوعة من هذا النوع من الفولاذ بالكامل إلى حوالي 1065  درجة مئوية (1950  درجة فهرنهايت)، حيث يذوب كربيد الكروم ويتشكل كربيد النيوبيوم. لا يُعد معدل التبريد بعد هذه المعالجة مهمًا، لأن الكربون الذي كان سيشكل خطرًا لتكوين كربيد الكروم يكون قد تم عزله بالفعل على شكل كربيد النيوبيوم. ^{[ 3 ]}

قد تكون سبائك الألومنيوم حساسة للتآكل بين الحبيبات إذا وُجدت طبقات من المواد تعمل كأقطاب موجبة بين البلورات الغنية بالألومنيوم. ويمكن أن تتعرض سبائك الألومنيوم عالية المقاومة، خاصةً عند بثقها أو تعريضها لدرجات عالية من التشغيل، لتآكل التقشر (علم المعادن) ، حيث تتراكم نواتج التآكل بين الحبيبات المسطحة والمستطيلة وتفصلها، مما يؤدي إلى ظهور تأثير التقشر أو الترقق، وغالبًا ما ينتشر من حواف المادة عبر بنيتها بأكملها. ^{[ 4 ]} ويُعد التآكل بين الحبيبات مصدر قلق، خاصةً بالنسبة للسبائك ذات المحتوى العالي من النحاس .

يمكن أن تتعرض أنواع أخرى من السبائك للتقشر أيضًا؛ وتزداد حساسية سبيكة النحاس والنيكل مع زيادة محتواها من النيكل. ويُطلق على هذا النوع من التآكل مصطلح أوسع هو التآكل الصفائحي . وتُعد سبائك الحديد عرضةً للتآكل الصفائحي، حيث يبلغ حجم أكاسيد الحديد حوالي سبعة أضعاف حجم المعدن الأصلي، مما يؤدي إلى تكوّن إجهادات شد داخلية تُمزق المادة. ويؤدي تأثير مماثل إلى تكوّن صفائح في الفولاذ المقاوم للصدأ، نتيجةً لاختلاف التمدد الحراري بين الأكاسيد والمعدن. ^{[ 5 ]}

تصبح السبائك القائمة على النحاس حساسة عند حدوث استنزاف لمحتوى النحاس في حدود الحبيبات.

تُعد السبائك غير المتجانسة ، حيث يؤدي البثق أو التشكيل الثقيل إلى تكوين حبيبات طويلة ومسطحة، عرضة بشكل خاص للتآكل بين الحبيبات. ^{[ 6 ]}

يُطلق على التآكل بين الحبيبات الناتج عن الإجهادات البيئية اسم تشقق التآكل الإجهادي . ويمكن الكشف عن هذا التآكل باستخدام طرق الموجات فوق الصوتية والتيارات الدوامية.

يشير مصطلح التحسس إلى ترسب الكربيدات عند حدود الحبيبات في الفولاذ المقاوم للصدأ أو السبيكة، مما يجعل الفولاذ أو السبيكة عرضة للتآكل بين الحبيبات أو تشقق التآكل الإجهادي بين الحبيبات.

تصبح بعض السبائك، عند تعرضها لدرجة حرارة تُعرف بدرجة حرارة التحسس، عرضةً بشكل خاص للتآكل بين الحبيبات. في بيئة مُسببة للتآكل، تصبح أسطح الحبيبات في هذه السبائك شديدة التفاعل، مما يؤدي إلى التآكل بين الحبيبات. يتميز هذا النوع من التآكل بهجوم موضعي عند حدود الحبيبات ومحيطها، مع تآكل طفيف نسبيًا للحبيبات نفسها. تتفكك السبيكة (تتساقط الحبيبات) و/أو تفقد قوتها.

تُظهر الصور البنية المجهرية النموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 المُعالَج حراريًا (غير المُحسَّس) والفولاذ المُحسَّس بشدة. تم صقل العينات وحفرها قبل التقاط الصور ، وتظهر المناطق المُحسَّسة على شكل خطوط داكنة عريضة حيث تسبب سائل الحفر في التآكل. تتكون هذه الخطوط الداكنة من الكربيدات ونواتج التآكل. يُعتقد عمومًا أن التآكل بين الحبيبات ناتج عن انفصال الشوائب عند حدود الحبيبات أو عن زيادة أو نقصان أحد عناصر السبائك في مناطق حدود الحبيبات. وهكذا، في بعض سبائك الألومنيوم ، تبين أن كميات صغيرة من الحديد تنفصل عند حدود الحبيبات وتسبب التآكل بين الحبيبات. كما تبين أن محتوى الزنك في النحاس الأصفر يكون أعلى عند حدود الحبيبات، مما يجعله عرضة لهذا النوع من التآكل. سبائك الألومنيوم عالية القوة ، مثل سبائك الديورالومين (Al-Cu) التي تعتمد على الأطوار المترسبة لتقويتها، تكون عرضة للتآكل بين الحبيبات بعد التحسيس عند درجات حرارة تقارب 120  درجة مئوية. تُظهر السبائك الغنية بالنيكل، مثل إنكونيل 600 وإنكولوي 800، حساسية مماثلة. وتُظهر سبائك الزنك المصبوبة التي تحتوي على الألومنيوم تآكلًا بين الحبيبات بفعل البخار في البيئة البحرية. كما أن فولاذ الكروم-منغنيز وفولاذ الكروم-منغنيز-نيكل عرضة للتآكل بين الحبيبات بعد تعرضه للتسخين في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 420 و850 درجة مئوية. أما في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، فعندما يتعرض هذا الفولاذ للتسخين في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 520 و800 درجة مئوية تقريبًا، يحدث استنزاف للكروم في منطقة حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى زيادة قابليته للتآكل بين الحبيبات. ويمكن أن يحدث هذا النوع من التسخين للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بسهولة بسبب متطلبات درجة حرارة التشغيل، كما هو الحال في مولدات البخار ، أو نتيجةً للحام اللاحق للبنية المُشكّلة.    

استُخدمت عدة طرق للتحكم في التآكل بين الحبيبات في السبائك المعرضة للتآكل، وخاصةً الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، أو للحد منه. على سبيل المثال، استُخدمت المعالجة الحرارية بالمحلول عند درجة حرارة عالية ، والتي تُعرف عادةً باسم التلدين بالمحلول أو التلدين بالتبريد السريع  أو التبريد بالمحلول. تُسخّن السبيكة إلى درجة حرارة تتراوح بين 1060 و1120  درجة مئوية، ثم تُبرّد بالماء. هذه الطريقة غير مناسبة عمومًا لمعالجة التجميعات الكبيرة، كما أنها غير فعّالة عند استخدام اللحام لاحقًا لإجراء الإصلاحات أو لربط هياكل أخرى.

تتضمن إحدى تقنيات التحكم الأخرى لمنع التآكل بين الحبيبات دمج عناصر قوية مُكوِّنة للكربيدات أو عناصر مُثبِّتة، مثل النيوبيوم أو التيتانيوم، في الفولاذ المقاوم للصدأ. تتميز هذه العناصر بميل أكبر بكثير للكربون مقارنةً بالكروم ؛ إذ يُقلِّل تكوين الكربيدات مع هذه العناصر من كمية الكربون المتاحة في السبيكة لتكوين كربيدات الكروم . يُظهر براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,562,781 فولاذًا مقاومًا للصدأ من نوع الكروم-نيكل-نحاس أوستنيتي مُثبَّتًا بالتيتانيوم. أو يمكن تقليل محتوى الكربون في الفولاذ المقاوم للصدأ مبدئيًا إلى أقل من 0.03%، بحيث لا يتوفر ما يكفي من الكربون لتكوين الكربيدات. هذه التقنيات مكلفة وفعالة جزئيًا فقط، إذ قد يحدث تحسس بمرور الوقت. كما تُظهر أنواع الفولاذ منخفضة الكربون في كثير من الأحيان مقاومة أقل عند درجات الحرارة العالية.

• كسر بين الحبيبات