مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل: دليل شامل

قد يُظهر نوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة جيدة للتآكل في العديد من الوسائط، ولكن في بعض الوسائط الأخرى، قد يتآكل بسبب انخفاض الثبات الكيميائي. بعبارة أخرى، لا يمكن لنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أن يكون مقاومًا للتآكل في جميع الوسائط.

يمكن تصنيف تآكل المعادن إلى ثلاث آليات: التآكل الفيزيائي والتآكل الكيميائي والتآكل الكهروكيميائي. التآكل الفيزيائي المعادن ينتمي إلى التآكل الفيزيائي. أما التآكل الكيميائي فيشير إلى التفاعل الكيميائي المباشر الذي يحدث في الوسط، حيث تتبادل أيونات الفلزات الشحنات مباشرة مع الوسط.

كان يُعتقد سابقًا أن أكسدة المعادن بسبب درجات الحرارة المرتفعة تنتمي إلى التآكل الكيميائي النقي، ولكن في الواقع، تنتمي معظم الأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة إلى التآكل الكهروكيميائي. والسبب في قدرة الطبقة الواقية للتخميل على منع المزيد من تآكل المعدن هو جانب مهم يمنع سرعة التبادل الأيوني وتبادل الشحنات.

التآكل الكهروكيميائي هو تآكل المعدن بسبب تفاعلات القطب الكهربائي في إلكتروليت. في العديد من عمليات التآكل الكهروكيميائية، يشارك معدن مع معدن آخر، أو تشارك أطوار مختلفة داخل المعدن، مما يشكل ما يعرف بالتآكل الجلفاني.

في هذا السيناريو، يعمل أحد الفلزات كأنود ويتآكل، بينما يعمل الفلز الآخر ككاثود ويخضع لتفاعل اختزال، وهي خاصية التآكل الكهروكيميائي. في الحياة العملية والممارسة الهندسية، تنتمي الغالبية العظمى من تآكل المعادن إلى التآكل الكهروكيميائي.

وتشمل أشكال التآكل الرئيسية للفولاذ المقاوم للصدأ التآكل المنتظم (التآكل السطحي)، والتآكل الحفري، والتآكل بين الحبيبات والتآكل الإجهادي، وغيرها.

التآكل المنتظم

يشير التآكل المنتظم إلى التآكل الشامل للسطح المعدني الملامس للوسط المتآكل. يقلل التآكل المنتظم باستمرار من المقطع العرضي للمعدن. بالنسبة للمكونات المجهدة التي تتعرض للتآكل، فإنه يزيد من الإجهاد الفعلي الذي تتحمله، ويصل في النهاية إلى قوة كسر المادة ويسبب الفشل.

تتمثل طريقة تقييم التآكل المنتظم في قياس فقدان الوزن لكل وحدة مساحة بعد فترة زمنية معينة من التآكل في ظل ظروف الاختبار (جم/م²-سنة)، وهو معدل التآكل.

إذا تم حسابها من حيث العمق المتآكل (مم/سنة)، فإنها تكون أكثر ملاءمة لتحديد العمر الافتراضي لمقاومة التآكل للمعدات. استنادًا إلى معدلات التآكل المختلفة، يمكن تقسيم مقاومة التآكل للمواد المعدنية إلى 10 مستويات، كما هو موضح في الجدول 1-13.

استنادًا إلى سيناريوهات الاستخدام المختلفة، تنقسم مقاومة التآكل عمومًا إلى مستويين رئيسيين: إذا كان معدل التآكل أقل من 0.01 مم/سنة، فإنه يعتبر "مقاومًا للتآكل تمامًا"؛ وإذا كان معدل التآكل أقل من 0.1 مم/سنة، فإنه يعتبر "مقاومًا للتآكل".

هنا، من الواضح أن معدل التآكل الذي يتجاوز 0.1 مم/سنة يعتبر غير مقاوم للتآكل أو غير مقاوم جدًا. هناك طرق تصنيف أخرى أيضًا، ولكن هناك طريقة واحدة فقط مذكورة هنا.

وبناءً على مقاومته الممتازة للتآكل، ينقسم الفولاذ كذلك إلى فولاذ مقاوم للصدأ وفولاذ مقاوم للتآكل.

1. الفولاذ المقاوم للصدأ يشير إلى الفولاذ المقاوم للتآكل في الغلاف الجوي والوسائط الضعيفة المسببة للتآكل.

2. فولاذ مقاوم للتآكل يشير إلى الفولاذ الذي يمكنه مقاومة التآكل في مختلف الوسائط القوية المسببة للتآكل.

الجدول 1-13: تصنيف مقاومة التآكل

قد يتعرض الفولاذ المقاوم للصدأ لأشكال من التآكل تتجاوز التآكل المنتظم في بيئات معينة. ويعتبر أي شكل مفرط من أشكال التآكل أن الفولاذ مقاوم للتآكل في تلك البيئة.

في الممارسة الهندسية، يحتاج اختيار المواد وتقييم مقاومة التآكل أيضًا إلى النظر في العمر التصميمي للمعدات والتلوث المحتمل للمواد الكيميائية أو انخفاض درجات المنتج النهائي بسبب نواتج التآكل.

التآكل الموضعي

يشير التآكل النقر إلى الظاهرة التي لا يتآكل فيها معظم السطح المعدني أو يتآكل قليلاً، بينما يحدث تآكل موضعي شديد التآكل بشكل متقطع. يبلغ حجم الحفر الشائعة أقل من 1.0 مم، وغالباً ما يتجاوز عمقها فتحة السطح. في الحالات الأكثر اعتدالاً، توجد حفر عميقة نسبياً، وفي الحالات الشديدة قد يحدث انثقاب.

يحدث التآكل الناجم عن انهيار طبقة التخميل الموضعي على سطح المعدن. ويبدأ بتكوين حفر تآكل، والتي تتطور بعد ذلك إلى الداخل من الخارج، مما يشكل تآكلًا موضعيًا.

يُعد التآكل بالتأليب أحد الأنواع الشائعة للتآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ. في البيئات التي تحتوي على أيونات الكلوريد (Cl-)، من المرجح أن يحدث التآكل بالتأليب في الفولاذ المقاوم للصدأ. يوجد حاليًا العديد من الطرق لمنع تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ من التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ:

1. تقليل أيون الكلوريد ومحتوى الأكسجين في البيئة؛ إدخال مثبطات التآكل (مثل CN- وأكسيد النيتروز وأكسيد النيتروجين وأكسيد الكبريت- وما إلى ذلك)؛ خفض درجة حرارة البيئة، وما إلى ذلك.

2. دمج عناصر الموليبدينوم أو المنجنيز أو السيليكون أو الفاناديوم أو العناصر الأرضية النادرة في الفولاذ المقاوم للصدأ لتعزيز السبائك، مما يزيد من مقاومته للتآكل الحفري بشكل فعال.

3. تقليل الشغل على البارد قدر الإمكان لتقليل احتمالية حدوث تآكل التنقر في مواقع الخلع.

4. تقليل محتوى الكربون في الفولاذ وزيادة محتوى الكروم والنيكل، وكلاهما يمكن أن يعزز مقاومته للتآكل الناتج عن التنقر. تتمتع ألواح الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ الأوستنيتي منخفضة الكربون للغاية وعالية الكروم والنيكل والموليبدينوم وألواح الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي عالية النقاء ومنخفضة الكربون ومنخفضة النيتروجين والموليبدينوم المحتوية على الموليبدينوم بمقاومة عالية للتآكل الحديدي.

تآكل الشقوق

يشير التآكل الشقوق إلى تكوّن حفر ماكروسكوبية مرقطة أو متقرحة في شقوق المكونات المعدنية، وهو ما يمثل شكلاً من أشكال التآكل الموضعي. ويحدث عادةً عند وصلات الغسالات والمسامير ووصلات البراغي ووصلات اللحام المتداخلة ومقاعد الصمامات والصفائح المعدنية المتراكمة.

نظرًا لتغطية نواتج التآكل والانتشار المحدود للوسط في الشقوق، يختلف تركيب وتركيز الوسط في هذه المواقع اختلافًا كبيرًا عن البيئة الكلية، مما يؤدي إلى تكوين "تآكل الخلايا المسدودة". يكمن الاختلاف الرئيسي في آلية تكوّن التآكل الشقوق مقارنةً بالتآكل الناجم عن التنقر في عدم انتظام الوسط الكهروكيميائي.

تُظهر جميع ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والحديدي والمارتنسيتي درجات متفاوتة من القابلية للتآكل الشقوق في مياه البحر. يمكن تحسين مقاومة التآكل الشقوق عن طريق زيادة محتوى الكروم والموليبدينوم في الفولاذ بشكل مناسب.

من الناحية العملية، بالنسبة للأجهزة المستخدمة في مياه البحر، يمكن فقط لمواد مثل التيتانيوم وسبائك النيكل عالية الموليبدينوم وسبائك النحاس أن تمنع تآكل الشقوق بشكل فعال. إن تحسين الظروف التشغيلية وتغيير تركيبة الوسط وتعديل الأشكال الهيكلية كلها تدابير مهمة لمنع التآكل الشقوق.

التآكل بين الخلايا الحبيبية

التآكل بين الحبيبات هو شكل من أشكال التآكل الانتقائي. ويكمن الفرق بينه وبين التآكل الانتقائي العام في حقيقة أن التآكل الموضعي يحدث على نطاق مجهري، وقد لا يكون بالضرورة موضعيًا على المستوى المجهري.

ويحدث هذا النوع من التآكل في المقام الأول عند الحدود الحبيبية للبنية المجهرية للمعدن ويخترق الجزء الداخلي للمعدن، ومن ثم يُطلق عليه التآكل بين الحبيبات. بعد حدوث هذا النوع من التآكل، قد لا يمكن ملاحظته بسهولة من الخارج. ومع ذلك، وبسبب التلف الناتج عن التآكل في حدود الحبيبات تفقد قوة الترابط بين الحبيبات بالكامل تقريبًا.

قد تفقد المكونات التي تعاني من عمق تآكل كبير سلامتها الهيكلية، مما يؤدي إلى فشل كارثي بسبب الحمل الزائد. وقد يتفكك المعدن المتآكل بشدة إلى مسحوق وينفصل عن المكوّن. ويمثل ذلك شكلاً ضارًا للغاية من أشكال التآكل.

التآكل الناتج عن الإجهاد

يشير التآكل الإجهادي إلى الكسر المرتبط بالتآكل في المعدن الذي يحدث في بيئة محددة تحت تأثير الإجهاد ومستوى معين من الإجهاد. لا يحدث التآكل الإجهادي في حالة عدم وجود إجهاد أو عندما تكون مستويات الإجهاد منخفضة للغاية في بيئة محددة. وبالمثل، لا يؤدي وجود إجهاد كبير بدون بيئة محددة إلى التآكل الإجهادي.

يشير مصطلح "بيئة محددة" إلى الحالة التي لا يمكن أن يحدث فيها تآكل إجهادي في معدن معين مناظر إلا عندما يكون تكوين وتركيز الوسط مناسبًا.

منذ ستينيات القرن العشرين، وقعت العديد من حوادث الكسر بسبب التآكل الإجهادي في مكونات الفولاذ الملحومة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يؤدي إلى نمط كسر هش تمامًا. أثناء التمدد البطيء للشق، لا توجد أعراض عيانية أخرى، وبمجرد الوصول إلى سطح الكسر اللحظي، يحدث الكسر السريع، مما يتسبب في كثير من الأحيان في حوادث كارثية ذات مخاطر كبيرة. ولذلك، فقد أصبح هذا الأمر موضع تشديد كبير.

سيتم تفصيل الآليات والتدابير الوقائية المتعلقة بالتآكل بين الخلايا الحبيبية والتآكل الإجهادي للوصلات الملحومة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في الفصل 3.