Corrosão intergranular após soldagem: por que ocorre a sensibilização e como a ASTM A262 a testa

O que é corrosão intergranular e por que ela ocorre após a soldagem?

A corrosão intergranular (IGC) é um ataque localizado que ocorre ao longo dos limites dos grãos de um aço inoxidável ou liga de níquel, deixando o interior dos grãos praticamente intacto, e a soldagem é o gatilho mais comum porque a zona-afetada pelo calor (HAZ) passa pela faixa de temperatura onde o mecanismo de ataque se forma.

Ao contrário da corrosão geral, que afina uma superfície uniformemente e é fácil de detectar pela medição-de perda de parede, a corrosão intergranular ataca uma rede estreita de limites abaixo da superfície. Um componente pode parecer totalmente intacto e ainda assim ter perdido a maior parte de sua resistência mecânica e ductilidade ao longo da rede de grãos, o que o torna um modo de falha de alta-consequência em refinarias, fábricas de produtos químicos e carretéis de tubos, em vez de um defeito cosmético.

O mecanismo é metalúrgico, não aleatório: os aços inoxidáveis ​​austeníticos dependem de um filme passivo contínuo e rico em cromo para resistência à corrosão.Quando o cromo é retirado da solução no limite do grão para formar um carboneto, o próprio limite perde seu filme passivo localmente, mesmo que o teor de cromo a granel da liga permaneça inalterado. A soldagem cria exatamente as condições térmicas que retiram o cromo da solução em uma faixa estreita em ambos os lados da linha de fusão - um estado que os metalúrgicos chamam de sensibilização.

Por que a soldagem causa sensibilização?

A soldagem causa sensibilização porque a zona-afetada pelo calor passa um tempo na faixa de precipitação de carboneto de 425 a 870 graus (800 a 1.600 graus F) à medida que aquece e esfria, permitindo que o carbono se combine com o cromo nos limites dos grãos mais rapidamente do que o cromo pode se difundir de volta para preencher a zona esgotada.

Três condições precisam estar alinhadas para que isso aconteça, e compreender cada uma delas é o que permite ao engenheiro de soldagem controlá-las, em vez de simplesmente esperar que isso não ocorra:

Carbono em solução.Os graus{0}}de austenítico de carbono padrão (304, 316) retêm aproximadamente 0,04-0,08% de carbono em solução sólida na temperatura de recozimento. Esse carbono está disponível para reagir assim que a liga entra novamente na faixa de sensibilização.

Tempo em temperatura.O carboneto de cromo (predominantemente Cr23C6) nuclea e cresce nos limites dos grãos dentro da janela de 425-870 graus. Um ciclo térmico de soldagem rápido limita o tempo nesta faixa; uma passagem lenta e alta-de entrada de calor a estende.

Atraso na difusão do cromo.O cromo se difunde através da rede de austenita muito mais lentamente que o carbono. A formação de carboneto retira o cromo de uma zona limite com apenas algumas centenas de nanômetros de largura mais rápido do que o cromo circundante pode migrar para substituí-lo, de modo que a zona fina pode cair abaixo do limite de ~ 10,5-12% de cromo necessário para sustentar um filme passivo, mesmo que o metal base a uma curta distância permaneça totalmente protetor.

O resultado prático é um envelope-sem cromo traçando a ZTA da solda em ambos os lados da linha de fusão. Esse envelope, e não o metal de solda em si, é geralmente onde o ataque intergranular se inicia em serviço.

Quais parâmetros de soldagem aumentam o risco de sensibilização?

Maior entrada de calor, taxa de resfriamento mais lenta, temperatura interpasse elevada e múltiplas passagens de solda sobre a mesma ZTA aumentam o risco de sensibilização porque cada uma delas estende o tempo que o material passa na faixa de precipitação de 425-870 graus.

Essas variáveis ​​são aquelas que uma especificação de procedimento de soldagem (WPS) realmente controla, e é por isso que a sensibilização é melhor tratada como um problema de controle-do processo, em vez de um efeito colateral inevitável da soldagem:

Entrada de calor (kJ/mm ou kJ/in).Maior entrada de calor retarda a taxa de resfriamento através da faixa de sensibilização. Processos como SAW e passagem quente SMAW tendem a executar maior entrada de calor do que passagens raiz GTAW, o que aumenta o risco de sensibilização, a menos que seja compensado em outro lugar.

Temperatura entre passes.Permitir que a temperatura entre passes suba em soldas de-passes múltiplos mantém a ZTA de cada passe subsequente mais quente por mais tempo, aumentando o tempo-na-temperatura em toda a junta.

Espessura da seção e restrição da junta.As seções mais espessas retêm o calor por mais tempo e esfriam mais lentamente do que o tubo-de parede fina, estendendo a janela de sensibilização mesmo com entrada de calor comparável.

Número de passagens e ciclos de reaquecimento.Cada passagem subsequente reaquece a ZTA adjacente da passagem anterior, de modo que-as soldas de múltiplos passes e as soldas de reparo podem sensibilizar uma zona mais de uma vez.

Nenhum desses fatores precisa ser eliminado - eles precisam ser limitados por um WPS/PQR qualificado (Seção IX da ASME) que reflita o comportamento de sensibilização do grau específico que está sendo soldado.

O que é o ataque-de faca e por que ele ainda acontece em níveis estabilizados?

O ataque da linha-de faca é uma faixa estreita de corrosão intergranular que se forma imediatamente adjacente à linha de fusão em classes estabilizadas de titânio- ou nióbio-(321, 347) quando uma passagem de solda em alta-temperatura dissolve os carbonetos estabilizadores e um subsequente-reaquecimento de temperatura mais baixa-precipita o carboneto de cromo antes que os estabilizadores possam se reformar.

As classes estabilizadas são normalmente resistentes à sensibilização-porque o titânio ou o nióbio se ligam preferencialmente ao carbono, mantendo o cromo fora da reação de formação-de carboneto. O ataque da linha-de faca é a pequena exceção: uma passagem de solda-de temperatura muito alta (perto da linha de fusão) pode dissolver os carbonetos de titânio/nióbio existentes de volta à solução. No resfriamento, o carboneto de cromo pode reprecipitar nessa faixa fina antes que os carbonetos estabilizadores de{6}}formação mais lenta se restabeleçam-, deixando uma linha estreita e sensibilizada que traça o limite de fusão em vez de um amplo envelope HAZ. Um recozimento estabilizador, ou controle de processo que limita os ciclos de reaquecimento na linha de fusão, aborda esse modo de falha específico.

Como a ASTM A262 detecta a sensibilização?

A ASTM A262 detecta a sensibilização indiretamente: ela expõe uma amostra a um meio corrosivo selecionado para atacar preferencialmente os limites de grãos esgotados de cromo e, em seguida, avalia o resultado por microscopia, ductilidade de flexão ou perda de massa, em vez de medir o conteúdo de cromo diretamente.

ASTM A262, Práticas Padrão para Detecção de Suscetibilidade ao Ataque Intergranular em Aços Inoxidáveis ​​Austeníticos, define cinco práticas de teste - A, B, C, E e F -, cada uma adequada para uma família de liga, forma de produto ou nível de rigor diferente. Nenhum deles simula um ambiente de serviço específico; cada um é um teste acelerado padronizado cujos critérios de aprovação/reprovação se correlacionam com o comportamento-de sensibilização do mundo real.

Fonte: ASTM A262, Práticas Padrão para Detecção de Suscetibilidade ao Ataque Intergranular em Aços Inoxidáveis ​​Austeníticos.

Dois pontos são importantes para qualquer pessoa que especifique esses testes. Primeiro, a Prática A é uma ferramenta de triagem: uma estrutura de etch favorável pode se qualificar muito sem testes adicionais, mas uma estrutura desfavorável por si só não rejeita o material - ela aciona um teste quantitativo de acompanhamento-(normalmente B, C ou F). Em segundo lugar, as práticas não são substitutos intercambiáveis; cada um tem como alvo uma combinação diferente de química da liga e mecanismo de degradação, e é por isso que o A262 é escrito como um menu de práticas em vez de um único teste de aprovação/reprovação.

Qual prática A262 você deve especificar para uma determinada aplicação?

Especifique a Prática A para triagem de rotina-de materiais recebidos de qualquer classe austenítica, a Prática E para procedimentos de soldagem e qualificação de produtos de solda e a Prática C ou F quando as classes de rolamentos de molibdênio-ou fases sigma-exigirem um resultado quantitativo mais rigoroso.

As especificações de compra e as especificações do procedimento de soldagem devem indicar a prática por carta, e não apenas citar "ASTM A262" - as práticas carregam uma lógica de aprovação/reprovação significativamente diferente, e os critérios de aceitação de um projeto (estrutura de corrosão, limite de taxa de corrosão ou resultado de dobra) precisam corresponder à prática realmente sendo executada.

Como você evita a sensibilização durante a fabricação?

A prevenção mais confiável é a seleção de materiais - especificando classes 'L' de baixo-carbono ou classes estabilizadas para que haja pouco ou nenhum carbono disponível para formar carboneto de cromo - apoiado por entrada de calor e controle de temperatura entre passagens, e tratamento térmico pós{3}}soldagem onde a aplicação ainda assim exigir.

1. Especifique classes de baixo-carbono 'L'

304L e 316L retêm carbono em um máximo de 0,03% contra cerca de 0,08% para classes padrão. Com esse pouco carbono disponível, a taxa de formação de carboneto de cromo cai o suficiente para que a maioria dos ciclos térmicos de soldagem de fabricação não produza sensibilização significativa, sem qualquer alteração no procedimento de soldagem.

2. Especifique classes estabilizadas para alta-temperatura ou serviço de soldagem-repetida

321 (titânio-estabilizado) e 347 (nióbio-estabilizado) ligam o carbono como titânio ou carboneto de nióbio durante o processamento do moinho, deixando pouco carbono livre para reagir com o cromo durante a soldagem subsequente ou serviço em{4}}temperatura elevada. Estas são a escolha padrão para componentes que terão serviço estendido acima de 425 graus ou fabricação envolvendo vários ciclos de soldagem/resolda, onde as classes L-por si só podem não ser suficientes.

3. Controle a entrada de calor e a temperatura entre passagens

Um WPS que limita a entrada de calor, limita a temperatura entre passagens e favorece processos de entrada de-calor-mais rápidos e mais baixos para passagens críticas reduz o tempo que qualquer ponto da ZTA passa na faixa de 425-870 graus. Esta é uma alavanca de custo mais baixo do que a substituição de materiais e normalmente é usada junto com ela, e não em seu lugar.

4. Aplique tratamento térmico pós{1}soldagem ou recozimento por solução quando necessário

O recozimento em solução (aquecimento acima de aproximadamente 1.040 graus e resfriamento rápido) redissolve carbonetos de cromo e restaura uma distribuição uniforme de cromo ao longo do limite do grão. É o tratamento corretivo mais completo, mas nem sempre é prático para grandes montagens fabricadas ou soldas em campo, e é por isso que a seleção da classe e o controle do processo são as primeiras linhas de defesa e o PWHT é aplicado onde a condição de serviço ou o código assim o exigir.

Perguntas frequentes

P: A sensibilização enfraquece o aço inoxidável antes mesmo de corroer?

R: Não por si só. Uma microestrutura sensibilizada tem essencialmente as mesmas propriedades mecânicas de uma microestrutura não{1}}sensibilizada até que os limites de grão-esgotados de cromo sejam expostos a um ambiente corrosivo; a ductilidade e a perda de resistência seguem o ataque de corrosão, e não apenas a precipitação do carboneto.

P: O 316 ou o 316L ainda podem sensibilizar mesmo contendo molibdênio?

R: Sim. O molibdênio melhora a resistência à corrosão por pites e frestas, mas não evita a precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos. É por isso que os graus de{2}}molibdênio são testados de acordo com a ASTM A262 Prática F, em vez de serem considerados imunes à sensibilização-.

P: Um resultado favorável da Prática A da ASTM A262 é suficiente para aceitar o material sem testes adicionais?

R: Para muitas especificações de compra, sim, - uma estrutura step ou dual etch normalmente é aceita sem testes adicionais. Uma estrutura de vala não rejeita automaticamente o material, mas exige uma prática quantitativa de acompanhamento (B, C ou F) para determinar a aceitabilidade, de acordo com a especificação de compra aplicável.

P: O PWHT sempre elimina o risco de sensibilização?

R: Um recozimento em solução executado corretamente redissolve os carbonetos de cromo e remove a condição sensibilizada, mas qualquer soldagem subsequente ou serviço de{0}temperatura elevada pode ressensibilizar o material. O PWHT aborda uma condição de sensibilização existente; isso não torna a liga imune a sensibilizações futuras.