Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus A 2. Nedbrydningsformer. Aluminiu m

Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus A 2 Nedbrydningsformer Aluminiu m Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde mellem : Dansk Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE-Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1992

Nedbrydningsforme r Aluminiu m 1. udgave, 1. oplag 199 2 Undervisningsministeriet Lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafi k Sats: Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : Omslag : Reproset, København Indhold : DTI/Tryk, Taastru p Dansk Teknologisk Institu t Forlaget ISBN 87-7756-238-0 Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse

Nedbrydningsforme r Aluminiu m Forord 7 Forord til A2 9 1 1.1 1.2 Nedbrydning af materialer 1 1 Nedbrydning er dyrt 1 1 Nedbrydningsformer 1 2 2 Mekaniske nedbrydningsformer 1 5 2.1 Definition af spændings- og tøjningsbegrebet 1 5 2.2 Overbelastning 17 2.3 Udmattelse 1 9 2.3.1 Hvad er udmattelse 1 9 2.3.2 Definitioner 2 0 2.3.3 Wöhler-diagrammer 2 1 2.4 Krybning 2 2 2.5 Slid 2 3 2.5.1 Abrasivt slid 2 4 2.5.2 Adhæsivt slid 2 4 2.6 Kavitationserosion 2 5 3 Korrosion 2 7 3.1 Hvad er korrosion 2 7 3.1.1 Korrosionsprocesser 2 7 3.1.2 Korrosionsprodukternes betydning 29 3.1.3 Potentialer 29 3.1.4 Referenceelektroder 3 1 3.1.5 Korrosionshastigheder 32 3.2 Korrosionsformer 32 3.2.1 Generel korrosion 3 2 3.2.2 Grubetæring 3 2 3.2.3 Spaltekorrosion 3 3 3.2.4 Tildækningskorrosion 3 4 3.2.5 Galvanisk korrosion 3 4 3.2.6 Selektiv korrosion 35

3.3 Højtemperaturkorrosion 3 6 3.3.1 Oxidation 3 7 3.3.2 Sulfidkorrosion 3 9 3.3.3 Korrosion i smeltede salte 3 9 3.3.4 Opkulning 40 3.3.5 Hydrogenangreb (brintangreb) 40 3.3.6 Nitrering (kvælstofangreb) 4 1 4 Kombinerede effekter 43 4.1 Spændingskorrosion 43 4.2 Brintskader (hydrogenskader) 44 4.2.1 Blisterdannelse 44 4.2.2 Brintskørhed 4 5 4.2.3 Revnedannelse 4 5 4.2.4 Hydrogenangreb 4 5 4.2.5 Dannelse af hydrider 4 6 4.3 LME (Liquid Metal Embrittlement) 46 4.4 Korrosionsudmattelse 47 4.5 Slid + Korrosion 47 4.6 Erosionskorrosion (turbulenskorrosion) 49 5 Miljøparametrenes indflydelse på korrosion 5 1 5.1 Korrosion i væskefase (»våd korrosion«) 5 1 5.1.1 ph 5 1 5.1.2 Iltindhold 5 2 5.1.3 Temperatur 5 4 5.1.4 Ledningsevne 5 4 5.1.5 Salte 5 5 6 Aluminiums korrosionsforhold i vandige miljøer 55 6.1 Ferskvand og drikkevand 57 6.2 Havvand 58 6.3 Korrosionsbeskyttelse 59 7 7.1 Aluminiums korrosionsforhold i jord 63 Jord : 63

7.2 Beton 6 3 8 8.1 8.2 9 10 11 12 12.1 12.2 Aluminiums korrosionsforhold i atmosfæren 6 5 Atmosfærens korrosivitet 6 5 Korrosionshastigheder og -udbredelse 6 6 Aluminiums korrosionsforhold i røggasser 69 Grubetæring i aluminium 7 1 Exfoliationskorrosion på aluminium 75 Overbelastningsbrud. Effekt af varmepåvirkning 77 Forhøjede driftstemperaturer 77 Kortvarig opvarmning 78 13 Spændingskorrosion på aluminium 83 13.1 Indvirkning af miljø 8 3 13.2 Indvirkning af spændingstilstand 8 4 13.3 Indvirkning af legeringssammensætning og struktur 8 5 13.4 Forebyggelse af spændingskorrosion ve d optimering af metalstrukturen 87 1 4 15 LME (Liquid Metal Embrittlement ) i aluminium 9 1 Udmattelse af aluminium 93 15.1 Legeringstype og tilstand 93 15.2 Overfladens finish og emnets geometri 93 15.3 Svejste konstruktioner 94 15.4 Udvikling af udmattelsesbrud 9 4 15.5 Brudmekanisk metode 9 5 16 17 Korrosionsudmattelse af aluminium 9 7 Aluminiums slidbestandighed 10 1

18 Kontrol/inspektion af anlæg 103 18.1 Radiografisk undersøgelse 103 18.2 Ultralydundersøgelse 104 18.3 Kapillarfarveprøvning 105 18.4 Hvirvelstrømsundersøgelse 106 18.5 Trykprøvning 10 7 18.6 Laekprøvning (Leak-test) 10 7 18.7 Skades- og havarianalyser 10 7 18.7.1 Arbejdsgang 10 8 18.7.2 Årsager til skader og havarier 110 Stikord 11 3

Foror d Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til a t arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighed for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sine kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågælden - de kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidra g til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet med mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være skrevet med andre typer, samt forsynet med en grå streg lang s margen som indikation af, at det pågældende afsnit speciel t henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget a f en arbejdsmappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, opgaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologis k Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ sam t en række danske virksomheder. I denne forbindelse skal de r lyde en tak til de mange rundt omkring i virksomhederne, 7

der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse) og herunder har Ind - satsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede refe - ree's ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, september 199 1 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 8

Forord til A2 Denne bog er grundlaget for undervisningsmodulet A2 : Nedbrydningsformer - Aluminium. Sammen med en kursusmappe udgør bogen det kursusmateriale, der anvendes i modulet A2. Inden for rammen af Lov 271 - Lov om Efteruddannelse - findes tre moduler om nedbrydning af materialer : S2 - Stål. R2 - Rustfrie Stål. A2 - Aluminium. Disse tre kursusmoduler er uafhængige af hinanden. De indeholder derfor alle en generel introduktion til temaet nedbrydning af metaller, som giver et overblik over samtlige måder, metalliske konstruktioner kan nedbrydes på. Denne introduktion er identisk i de tre moduler. Denne bog behandler derefter specifikt de former for nedbrydning, der specielt angriber aluminium og aluminiumlegeringer. Desuden gives grundlæggende anvisninger på, hvorledes konstruktioner og komponenter dimensionere s mod mekanisk nedbrydning og beskyttes mod korrosion. De forskellige grupper af aluminiumlegeringer er behandlet i lærebogen Al. Til støtte for dette kursus er de vigtigste aluminiumlegeringer opført i tabeller i kursusmappen. Denne bog er udarbejdet af Niels Kåre Bruun, Kjeld Borggreen, J. Vagn Hansen, Piet Jansen, Jørgen Markan, Hans Peter Nielsen, Torben Steen Nielsen, Thomas Fich Pedersen, Ebbe Rislund, Finn Yding og Benny Yndgaard, FORCE Institutterne. København, september 199 2 Hans Peter Nielsen Civilingeniør 9

10

Nedbrydning af metaller 1 Nedbrydning er dyrt 1. 1 Fra et samfundsmæssigt synspunkt er der adskillige grund e til at beskæftige sig med materialers nedbrydning. I sin mes t fredelige form medfører nedbrydning udgifter til reparatio n eller udskiftning. Disse udgifter giver et positivt bidrag til vort bruttonationalprodukt, men i hvert fald en del af dett e bidrag får vi aldeles ingenting for. Den Danske Vedligeholdelsesforening har gennemført en undersøgelse, som viste at otte danske industribrancher bruge r ca. 10 milliarder kr. pr. år (1988) til reparation efter utilsigted e havarier. Hertil kommer, hvad resten af industrien og sam - fundet som helhed bruger. Korrosion er åbenbart så meget mere iøjnefaldende end mekanisk nedbrydning, at der er gjort forsøg på at lave separate opgørelser for den del. Undersøgelser i Sverige, England o g USA har vist, at de direkte udgifter til reparation eller ud - skiftning på grund af korrosion udgør mellem 1 og 3% af brutto national produktet (BNP). For Danmark udgør det i 1990 mellem 8 og 24 milliarder kr. Der er her kun tale om direkte udgifter. Følgeskader, tab på grund af stillestående produktionsanlæg, udgifter til oprydning osv. er ikke medregnet. I vedligeholdelsesforeningens opgørelse fandtes, at alene de umiddelbare følgeskade r kostede dobbelt så meget som reparation af de dele, som ud - løste havariet. Driftstabene er som regel betydeligt større. I en del tilfælde dækkes udgiften af skades- og driftstabsforsikring, men det betyder jo blot, at tabet fordeles mellem flere. Hertil kommer så eventuel personskade eller udslip a f miljøgifte, som det ikke lader sig gøre at prissætte. Som en tommelfingerregel viste undersøgelserne også, at ca. 1/3 af skaderne kunne være undgået, hvis allerede velkend t viden havde været taget i anvendelse. Det er denne, ca. 1% a f BNP, vi forsøger at tjene hjem bl.a. med dette kursus. 11

Omtrentlig endnu en trediedel af de direkte udgifter forven - ter man at kunne undgå ved fremtidig teknologisk udvikling, og det er jo en del af begrundelsen for eksistensen af Dansk Teknologisk Institut, ATV-institutter m.fl., og for eksempel det Materialeteknologiske Udviklings Program. For den sidste trediedel af udgifterne anser man det for billigere at bære udgiften end at vælge mere holdbare materiale r eller konstruktioner. Men det er så sandelig under forudsætning af, at vi er opmærksomme på nedbrydningen og kan holde øje med den, så der ikke opstår følgeskader, og så vi kan skifte ud eller reparere, når det måtte være bekvemt. 1.2 Nedbrydningsforme r Der er allerede ovenfor antydet en opdeling af former fo r nedbrydning, som er hensigtsmæssig for at opnå et overblik : Mekanisk nedbrydning. Kemisk nedbrydning (korrosion). Kombineret mekanisk og kemisk nedbrydning. Hver af disse grupper kan igen underinddeles som vist i tabel 1.1. De mekaniske nedbrydningsformer opdeles naturligt efter de mikroskopiske mekanismer, der er karakteristiske for de forskellige revne- og brudtyper. Dette er kun delvis tilfældet for korrosion; på det atomare niveau er nedbrydningsmekanismerne i stort omfang variationer over samme tema, og det er derfor mere hensigsmæssigt at inddele efter de oftest forekommende miljøer. 12

Tabel 1.1 Grundlæggende nedbrydningsformer og deres vekselvirknin g 0 0 G oö y ba ~ ö o o ~ cu C7 Ö ö ;- 0 ft C7 o 0 o.~ ö m o o ~ cn s~. ~ a E +; Ingen belastning X X X X X X Statisk brud X X X X Udmattelse X X X X X X Krybning X X Slid X X X X Kavitation X X 13

14

Mekaniske nedbrydningsformer 2 Med mekaniske nedbrydningsformer menes her de nedbrydningsformer, der kan opstå, når komponenter udsættes fo r udefra kommende kraftpåvirkninger. Modsætningen til d e mekaniske nedbrydningsformer er i denne forbindelse de n nedbrydning af materialerne, som et korrosivt angreb ka n forvolde. I dette kapitel vil kun de nedbrydningsformer, de r alene skyldes ydre kraftpåvirkninger, blive omtalt. Kraftpåvirkninge r Til beskrivelse og karakterisering af materialer er det ikk e hensigtsmæssigt at operere med kræfter, da de kræfter e n komponent eller konstruktion kan modstå, afhænger af komponentens eller konstruktionens dimensioner. Det er ikke overraskende for nogen, at en tyk, kraftig kæde kan bær e mere end en tynd, spinkel kæde af samme materiale. Til karakterisering og sammenligning af materialernes mekaniske egenskaber benyttes derfor størrelser, der er uafhængige af de geometriske dimensioner. De til kræfter svarend e størrelser, som er uafhængige af emnedimensionerne, kaldes spændinger og vil blive omtalt i næste afsnit. Definition af spændings- og tøjningsbegrebet Betragt et emne med tværsnitsarealet A som påvirkes af kræfterne P (figur 2.1). I ethvert tværsnit i emnet vil kræfter - ne i det viste tilfælde være ligeligt fordelt over tværsnittet, og vi kan definere normalspændingen i tværsnittet som : 2. 1 P QN = A (2-1 ) Spændingen er altså en kraft pr. arealenhed. Foruden spændingens størrelse knytter der sig også en retving til spændingen. Betegnelsen normal-spænding indikerer, at spændingens retning er parallel med normalen til de t betragtede tværsnit, altså vinkelret på tværsnittet. I eksem - plet figur 2.1 er det meget simpelt at beregne spændingerne, fordi det betragtede tværsnit står vinkelret på kraften P. Spændinger anføres ved e n størrelse og en retnin g 15

Anderledes forholder det sig, hvis det betragtede tværsnit ikke står vinkelret på den ydre pålagte kraft P (Figur 2.2). I dette tilfælde opløses kraften P i en normalkraft N vinkelre t på snitplanet og en tværkraft T parallelt med snitplanet. P Figur 2.1 P er kraften og A er tværsnitsarealet Figur 2. 2 Bemærk, at snitplanet A' ikke står vinkelret på emnets længdeaks e Analogt til tilfældet vist i figur 2.1 defineres normalspændingen som : N (2-2 ) På tilsvarende måde defineres forskydningsspændingen i det aktuelle snitplan som : Det bemærkes, at: T N = T A' = = A' P cos cp Psin cp A cos cp (2-3 ) (2-4 ) 16

hvor cp er vinklen mellem snitfladens normal og retningen a f den ydre pålagte kraft. Hvis en komponent påvirkes af flere kræfter, kan spændin - gerne i et vilkårligt snitplan beregnes ved at addere spændingsbidragene fra de enkelte kræfter for sig. Spændinger kan addere s I mange tilfælde vil ydre, pålagte kræfter ikke give anlednin g til en ensartet spændingsfordeling i det betragtede snitplan. Det vil imidlertid føre for vidt at komme nærmere ind på, hvorledes spændingsfordelingen beregnes i disse tilfælde. Det skal afslutningsvis blot nævnes, at spændinger regne s med fortegn, således at positive spændinger er trækspændinger, og negative spændinger er trykspændinger. Definition af tøjnin g Når emner eller konstruktioner udsættes for ydre, pålagte kræfter, vil der ske formændringer (deformationer). Formændringernes størrelse afhænger af kræfternes størrelse, o g størrelsen af emnet. Trækker vi med samme kraft i to lig e tykke, men ikke lige lange, elastikker, vil den lange elasti k forlænge sig mere end den korte elastik. Forlængelserne sat i forhold til de oprindelige længder vil imidlertid være de n samme for begge elastikker. For at opnå et mål for deformationerne (forlængelserne), der er uafhængigt af emnernes geometriske størrelser, indføres begrebet tøjning. Tøjningen er defineret som : L - Lo OL E = _ (2-5 ) Lo L o hvor E er tøjningen L, er udgangsmålelængden L er målelængden under kraftpåvirknin g Det bemærkes, at tøjningen er dimensionsløs (ingen enheder), og ofte angives tøjningen i procent. Overbelastning 2.2 Ved overbelastningsbrud forstås de brud, der opstår, når e t emne udsættes for spændinger ud over materialets træk - styrke. Brud opstået under indvirkning af f.eks. udmattelse, 17

spændingskorrosion, krybning o.s.v. karakteriseres ikke som»rene«overbelastningsbrud. Trækprøvning Materialets trækstyrke måles ved en trækprøvning. Et trækprøveemne af det aktuelle materiale opspændes i en maskine, der trækker i emnet med en stigende kraft, indtil bru d opstår. Under trækprøvningen måles sammenhørende vær - dier af kraft og trækprøveemnets forlængelse. Disse værdier omregnes til henholdsvis spændinger og tøjninger, og resultatet præsenteres som en trækkurve som vist på figur 2.3. Figur 2. 3 Trækkurve for et materiale, de r udviser et egentligt flydepunkt, 2.3 a), og trækkurve for et materiale, der ikke udviser noget flydepunkt, 2.3 b) Flydespændin g Materialets flydespænding defineres som den spænding, hvor mateiralet begynder at forlænge sig ved konstant eller aftagende spænding (figur 2.3 a), eller som den spænding, 12,,z, der giver anledning til 0,2% blivende forlængelse (figur 2.3 b). Blødt stål og visse messinger udviser et egentligt flydepunkt, som vist i figur 2.3 a, hvorimod de fleste andre metalliske materialer har en trækkurve, som vist på figur 2.3 b. Elastiske område Den første del af trækkurven, hvor der er en lineær sammenhæng mellem spænding og tøjning kaldes det elastiske område. I dette område gælder der: Q = E e (Hook's lov), hvor E er en materialekonstant kaldet elasticitetsmodulet. Elasticitetsmodulet findes som hældningen på den første retliniede del af trækkurven. Så længe et materiale ikke har været belastet til spændinger over flydespændingen, vil de t vende tilbage til sin oprindelige længde (form) efter aflastning. Derfor kaldes den første retliniede del af trækkurve n for det elastiske område. 18

Den resterende del af trækkurven kaldes for det plastiske område, fordi der her sker en blivende plastisk deformatio n af materialet. Under trækprøvingen når spændingen (kraften) et maksimum, hvorefter trækprøveemnet lokalt begynder at snøre sig sammen på et sted, hvor bruddet senere vi l opstå. Den maksimale spænding, der registreres under trækprøv - ningen, kaldes for trækstyrken og benævnes R,,,. Plastiske områd e Trækstyrke n Udsættes en komponent i praksis for spændinger over træk - styrken, vil der hurtigt opstå brud, såremt spændingerne opretholdes under deformationen. Et sådant brud kalder vi et overbelastningsbrud, og bruddet vil normalt være ledsage t af plastisk deformation. Kun ved overbelastningsbrud i meget sprøde materialer vil den forudgående plastiske defor - mation være forsvindende. Udmattelse 2.3 Udmattelse er den fagligt korrekte betegnelse for det fænomen, man i dagspressen ofte ser omtalt som metaltræthed. I dette afsnit forklares udmattelsesforløbet og nogle af de karakteristika, der ledsager et udmattelsesbrud. Endvidere defineres nogle af de størrelser, der er nødvendige for at kunn e bruge og forstå udmattelseskurver og -data. Hvad er udmattelse 2.3. 1 Hvis et emne eller dele deraf udsætes for varierende belastvinger, kan der med tiden opstå revner med efterfølgende brud i emnet. Revner og brud kan opstå, selv om de maksi - male, nominelle spændinger aldrig overskrider materialets flydespænding. Forklaringen er, at der i mikroskopisk skala omkring slaggepartikler, overfladeridser eller andre mere eller mindre uundgåelige defekter lokalt kan ske flydning, d.v.s. plastisk defor - mation, hver gang emnet udsættes for en mekanisk belastning. Med tiden kan der udvikles mikroskopiske revner, der i sig selv virker som kærvanvisere og dermed lokalt øge r spændingerne. En egentlig revne er nu blevet initieret. Fo r hver mekanisk påvirkning over en vis størrelse vil revnen vokse et lille stykke, afhængig af belastningens størrelse. Varierende eller svingend e belastninger Revner vokse r 19

Hvis de varierende påvirkninger er konstant i størrelse, vil udmattelsesrevnen vokse hurtigere og hurtigere, jo længere den bliver. Grunden er, at spændingskoncentrationen fra revnen selv stiger, jo dybere revnen bliver, samtidig med, at det resterende, bærende tværsnit reduceres. På et tidspunkt indtræder det endelige brud, ofte med et havari til følge. Et udmattelsesforløb kan følgelig inddeles i følgende 3 faser : 1. Revneinitiering 2. Revnevækst 3. Brud/havari Som tidligere nævnt initieres udmattelsesrevner fra mikro - skopiske defekter. På makroskopisk niveau ses det, at udmattelsesrevner som oftest starter fra svejsninger, diameter - overgange, krydsboringer, notgange og lignende steder, hvor spændingerne er høje eller koncentreres. 2.3.2 Definitione r Inden det forklares, hvorledes materialernes udmattelses - egenskaber præsenteres i form af kurver eller data, er det nødvendigt at definere nogle af de prøvetekniske parametre. Nedenstående figur 2.4 viser et vilkårligt belastningsspektrum: Figur 2. 4 Belastningsspektrum med konstant middelspænding og konstant spændingsamplitude cr + 0 A max. og r er den maksimale henholdsvis den minimale spænding. 20

Middelspændingen = 0-max. + 0-min. 2 (2-6) Spændingsvidden = max. 'min. (2-7 ) Spændingsamplituden = max. 0-min. 2 (2-8 ) R = 0-min. 0-max. (2-9 ) Ved måling af et materiales udmattelsesegenskaber afprøves en stribe, så vidt muligt, identiske prøveemner ved forskellige spændingsamplituder. Det enkelte prøveemne afprøve s med en spændingsamplitude. Igennem hele testserien (all e prøverne) holdes enten middelspændingen, eller som oftes t R-forholdet, konstant. Under udmattelsesforsøgene registre - res antallet af påvirkninger til brud ved de forskellig e spændingsamplituder. Resultaterne præsenteres i et såkald t Wöhler-diagram. Wöhler-diagramme r Figur 2.5 viser et typisk Wöhler-diagram for stål og aluminium. Af diagrammet kan antallet af belastninger eller svingninger ved en given spændingsamplitude aflæses. Bemærk, at skalaen, der viser antallet af svingninger (absisse-aksen), er logaritmisk. 2.3. 3 400-300- 200 - Figur 2. 5 Wähler- kurver for blødt stål og for en aluminiumlegering. Bemærk, at aluminiumlegeringen ikke udviser nogen udmattelsesgrænse 100-0 10 5 10 6 Antal påvirkninge r 10 7 108 1o 9 21

Udmattelsesgræns e Af figur 2.5 ses det, at visse materialer, herunder stål, udviser en udmattelsesgrænse. Hermed menes, at under en vis spændingsamplitude kan materialet holde til uendelig man - ge påvirkninger, uden at der opstår brud. Anderledes forholder det sig med f.eks. aluminium og aluminiumlegeringer. Disse materialer udviser ingen udmattelsesgrænse, hvilket ytrer sig ved, at kurven i figur 2.5 ikke bliver vandret. Under arbejdet med Wöhler-kurver er det vigtigt at sikre sig, under hvilke omstændigheder kurverne er målt, og om de t er spændingsvidden eller spændingsamplituden, der er an - ført på ordinataksen. Wöhler-diagrammer er den almindeligste måde at anføre udmattelsesdata på, men der findes andre måder, som vil bliv e gennemgået i senere afsnit. 2.4 Krybning er kun af betydning fo r metaller ved temperaturer ove r den halve smeltetemperatur målt i Kelvi n Stål kryber ved temperature r over 500 C Krybning ændrer dimensione n og mikrostrukturen Krybning Krybning er et generelt fænomen, der eksisterer for alle materialer ved alle temperaturer. Krybning er dog kun af betydning for metaller ved temperaturer over den halve smeltetemperatur målt i Kelvin, d.v.s. at bly allerede kryber ved stuetemperatur, og stål kryber ved temperaturer over 500 C. Krybning er af særlig betydning i alle højtemperaturanlæg : Kraftværkskedler, dampturbiner, gasturbiner, petrokemiske anlæg, procesanlæg, flymotorer m.m. Krybning kan opstå, når en komponent udsættes for spændinger, selv om disse er mindre end flydespændingen. Er temperaturen tilstrækkelig høj, vil komponenten langsomt deformeres, og i tilfælde af trækspændinger vil den til slut bryde i stykker. Undervejs kan krybningen følges, idet mikrostrukturen ændres og eventuelt danner indre hulrum (kaviteter) og mikrorevner. Man kan altså følge krybeprocessen ved en løbende dimensionsmåling eller ved en mikrostrukturanalyse. Begge dele anvendes i praksis. Krybning af et materiale måles ved at foretage en trækprøv e ved konstant belastning i en ovn med konstant temperatu r og følge prøvens forlængelse som funktion af tiden. Man må - ler f.eks. tiden til opnåelse af 1% forlængelse, og tiden til 22

brud optræder. Begge disse tider er vigtige i forbindelse me d konstruktion af højtemperaturkomponenter, og for de flest e konstruktionsmaterialer kan man i produktkataloger og opslagsværker læse sig til disse værdier. Normalt opgives udgangsspændingen for opnåelse af 1% forlængelse og for opnåelse af brud ved en given tid og temperatur. De valgte ti - der er typisk 10.000 timer, 100.000 timer og 200.000 timer, d a konstruktionerne skal holde så længe. De opgivne spændinger kaldes under et for»krybestyrken«eller»krybebrudstyrken«. Ved konstruktion ved middelhøje temperaturer ska l man desuden tage hensyn til flydespændingens temperatur - afhængighed. Flydespændingen opgives derfor normal t sammen med krybestyrken i opslagsværkerne. Krybestyrken defineres for e n given brudtid og temperatu r De opgivne spændinger kalde s under et for»krybestyrken«elle r»krybebrudstyrken«. I figur 2.6 er vist en typisk tid-forlængelseskurve populært kaldet en»krybekurve«for en krybeprøvning ved konstant temperatur og belastning. Begyndelsesspændingen betegne s som krybespændingen. Kurvens udseende er karakteristis k for en lang række materialer. Figur 2. 6 Figuren viser en typisk krybekur - ve foretaget ved konstant temperatur og belastning. Kurve n kan opdeles i primærområdet (1), sekundærområder (2) o g tertiærområdet (3). Primærområdet er ubetydeligt for lave spændinger i modsætning til sekundærområdet, hvo r tøjningshastigheden (krybeha - stigheden) er minimal og konstant. Slid Slid kan opdeles i to hovedtyper: 2. 5 To slidmekanisme r Slidved kontakt mellem to flader, eventuelt med slidend e partikler imellem. Erosion, som opstår ved kontakt mellem partikler (faste el - ler flydende) og en flade. 23

Normalt omtales kun den første type som slid, og denne type kan igen opdeles i to områder efter de mekanismer, som e r årsag til sliddet : Abrasivt slid (som er kendetegnet ved spåntagende bearbejdning ) Adhæsivt slid (hvor sliddet opstår ved gentagne mikrosvejsninger og brud). De to typer slid skal omtales nærmere i det følgende. 2.5. 1 Fræsnin g Slibnin g Abrasivt slid Abrasivt slid forekommer ved kontakt mellem et hårdt og e t blødt materiale. Sliddet kan opstå på to måder. Dels ved at en ru hård overflade fræser spåner af det bløde materiale, o g dels ved at hårde partikler glider mellem to flader, som gnides mod hinanden. De væsentligste faktorer som påvirker abrasivt slid er materialets hårdhed og overfladens ruhed. Jo hårdere materialet er, jo mere slidstærkt er det. Når ruheden øges, vil sliddet også øges. Der er tre grundlæggende måder at forebygge abrasivt sli d på: anvend glatte overflader, vælg hårde materialer og an - vend smøring, hvor det er muligt. Hårdheden er langt den vigtigste parameter, som afgør et materiales slidstyrke over - for abrasivt slid. Det er derfor væsentligt at vælge materiale r ud fra det slidende mediums hårdhed. En almindelig måd e at gøre materialer slidstærke på er, at imprægnere materiale t med hårde partikler som f.eks titankarbid eller woiframkarbid. Ved at smøre og/eller anvende glatte overflader nedsæt - tes friktionen og derved sliddet. 2.5. 2 Koldsvejsning Adhæsivt sli d Når to ru overflader er i kontakt, foregår den reelle kontakt ikke over hele overfladen, men kun i de punkter på flader, som stikker højest op. Når de to flader presses sammen under højt tryk kan der ske en koldsvejsning i disse kontaktpunkter. Når fladerne samtidig bevæges i forhold til hinan - den, vil svejsningen brydes, og bruddet vil ske i det svagest e af materialerne. Derved fjernes materiale. Denne form for slid kaldes adhæsivt slid. 24

Der er flere faktorer, som har indflydelse på adhæsivt slid. Rene overflader uden overfladefilm eller oxidhinder vi l fremme adhæsivt slid, da det giver bedre svejsebetingelser. Hvis man har relativt glatte flader er smøring derfor en god måde at undgå adhæsivt slid på. Sliddet kan øges un - der iltfrie betingelser, idet netop en oxidfilm ofte vil have en vis smørrende virkning og modvirker koldsvejsninger. Hårdheden af materialet er igen meget afgørende for slidstyrken af to grunde. Dels er kontaktarealet omvendt proportionalt med hårdheden, og dels vil brud ske i materiale t med den laveste hårdhed. Smørin g Hårdhede n For at koldsvejsningerne skal kunne finde sted, skal de r ikke være alt for stor forskel på de to materialer. Dette kan beskrives ved to parametre. Hvis de to materialers indbyrdes opløselighed er stor, vil de have større tilbøjelighed ti l koldsvejsning. Der kan desuden konstateres en direkt e sammenhæng mellem materialernes krystalplansafstan d (dvs. afstanden mellem atomerne i materialet) og tilbøjelig - heden til adhæsivt slid. Jo større forskel der er på de to materialer, jo mindre er det adhæsive slid. Adhæsivt slid kan ofte forebygges ved valg af passende materialekombination, smøring eller brug af en belægning. Eksempler på belægninger til dette formål er : keramiske belægninger som titankarbid, titannitrid og wolframkarbid, so m både er hårde og har ringe opløselighed i stål, og polymerbelægninger som er glatte og har ringe opløselighed i alle me - taller. Keramiske belægninge r Kavitationserosio n Kavitation er et fænomen, som forekommer i væsker som en - ten udsættes for store trykfald i strømningssystemer såso m turbiner, omkring skibspropellere o.lign. eller som udsættes for kraftige vibrationer, som f.eks. i ventiler, cylinderforinger i motorer m.m. I begge tilfælde sker i lokale områder af væsken et trykfald til under væskens damptryk, hvorved de t koger og der opstår bobler med mættet damp i væsken kaldet kaviteter. Når trykket derefter hæves, enten som følge a f vibrationen eller p.g.a., at dampboblen bliver ført me d strømmen til et område med højere tryk, kollapser boblen. Dette kollaps giver anledning til en trykbølge med meget højt tryk, som kan skade materialet, hvis boblen kollapse r tæt på en overflade. Hvis boblen befinder sig helt tæt på 2.6 Boble r Trykbølge 25

Mikrojet overfladen, vil kollapset desuden være asymmetrisk, og de r vil dannes en mikrojet af væske i boblen, som rammer over - fladen med meget høj hastighed (>130 m/s). Den spænding der herved opstår i materialet er nok til at deformere de fleste materialer plastisk, og materialet eroderes derved. Kavitationserosion kan give anledning til flere effekter. De t kan virke direkte eroderende, men det kan også virke fremmende på korrosion ved at fjerne en beskyttende passivfilm, som er afgørende for mange materialers korrosionsbestandighed. Hårdheden Det er svært at udpege den materialeegenskab, som er afgørende for et materiales modstandsevne for kavitationserosion. En vigtig parameter er hårdheden, men også materialets evne til at optage stor energi som deformation uden bru d er vigtig. Det er vigtigt at lægge mærke til, at erosionen fore - går i mikroskala, og det nytter derfor ikke, som ved slidforebyggelse, at imprægnere materialet med hårde partikler. Disse vil blot falde ud efterhånden som det blødere materiale mellem partiklerne eroderes bort. Kavitationserosion forebygges lettest og bedst ved at eliminere kavitationspåvirkningen, f.eks. i design-fasen, ved at undgå skarpe drejninger i rørsystemer eller indsnævringer. Hvis først skaden er sket, kan man eventuelt undgå kavitation ved at hæve trykket i systemet. 26

Korrosion 3 Hvad er korrosion? I naturen finder vi vore brugsmetaller som malme, d.v.s. som metallernes kemiske forbindelser. For at udvinde metallet af malmene må vi anvende en betydelig energimængde. Den metalliske tilstand repræsenterer derfor et højere energiindhold, og metallet vil altid være tilbøjeligt til gennem korrosion at vende tilbage til sin oprindelige malmtilstand, hvo r energiindholdet var lavere. 3. 1 Korrosion er derfor en helt naturlig proces, som må forhindres eller udskydes, hvis vi vil have nytte af metallerne. I ISO 8044 er korrosion defineret som»en fysisk-kemisk reaktion mellem et metal og dets omgivelser, hvilket resulterer i ændringer af metallets egenskaber o g som ofte kan medføre en skade på metallets funktion, dets omgivelser eller det tekniske system hvori begge befinde r sig«. Korrosionsprocesser Det er i reglen ilt eller syre, der får metallerne til at korrodere. 3.1. 1 Den egentlige drivkraft for korrosion ligger imidlertid i me - talatomernes opbygning. Et atom består af en positivt ladet kerne, omkring hvilken negativt ladede elektroner bevæge r sig. De yderste af disse elektroner er»løse«og kan bevæge sig frit i metallet - deraf den karakteristiske egenskab ve d metal, at det er en god leder for elektrisk strøm. Hvis metal - atomet helt kan slippe af med de yderste elektroner, vil det være kommet ned i den tilstræbte lavere energitilstand. Den primære korrosionsproces er derfo r Me > Me + + 2e (3-1 ) hvor Me = metal og e- = elektron. Der kan være tale om afgivelse af flere eller færre elektroner, men 2 er det hyppigst forekommende. 27

Anode- og katodeprocesser Denne proces kaldes anodeprocessen, og hvis korrosion ska l kunne forløbe, må anodeprocessen modsvares af en katodeproces, som kan forbruge elektronerne. De to almindelige katodeprocesser er (3-2 ) Iltforbrug: 0 2 + 4e + 2H20 -~ 40H- Syreforbrug : 2H + + 2e - H2 hvor 02 = ilt, H 2O = vand, OH- = hydroxylioner, H` = brintioner og H, = brint. Ilt og brint er gamle danske ord, og mere korrekt ville det være at sige oxygen og hydrogen (NB : På svensk hedder ilt»syre«, mens»syra«er hvad vi kalder syre!). Heraf følger de to bruttoprocesser for korrosion betinget a f henholdsvis ilt og syre: iltbetinget korrosion : (3-3 ) Anodereaktion : Me -~ Me++ + 2e Katodereaktion : 1/202 + H2O + 2e -~ 20H Bruttoreaktion: Me + 1/202 + H2O -* Me(OH)2 Me(OH) 2 er det primære korrosionsprodukt, som evt. kan omdannes videre, f.eks.»rust«,»ir«,»hvidrust«. syrebetinget korrosion : (3-4) Anodereaktion : Me -* Me++ + 2H + Katodereaktion: 2H + + 2e -4 H2 Bruttoreaktion : Me + 2H+ - 3 Me++ + H2 Elektrisk kredsløb Korrosionen er altså ledsaget af transport af elektriske ladninger, d.v.s. af et strømkredsløb. På figur 3.1 ses et sådant kredsløb omkring en grubetæring på metal i vand. Kredsløbet forudsætter naturligvis, at der mellem anode- og katode - areal er både metallisk forbindelse (transport af elektroner ) og væskeforbindelse (transport af ioner). I ord kan de to reaktioner udtrykkes ved metal + ilt + vand -* korrosion metal + syre -, korrosio n 28

Van d Figur 3. 1 Strømkredsløb ved grubetærin g på stål i van d.anode Katod e Jern Syre er pr. definition en vandig opløsning, så vand er altså e n forudsætning i begge tilfælde. Vand er også nødvendigt som modtager af både Me" og OH --ionerne. I det ovenstående er tænkt på korrosion ved temperaturer op til et par hundrede C. Ved højere temperaturer (for jern s vedkommende 4-500 C) kan metal reagere direkte med ilt, uden tilstedeværelse af vand. Korrosionsprodukternes betydning 3.1. 2 Korrosionsprodukter kan være opløselige og fjernes med vandet, og så påvirker de ikke korrosionen. Men meget ofte er korrosionsprodukter tungtopløselige, og kan udfælde s som mere eller mindre beskyttende lag på metaloverfladen. F.eks. vil almindelig rust på stål i atmosfæren få korrosions - hastigheden til at aftage noget, indtil en stabil korrosionsha - stighed efterhånden opstår. Nogle metaller og legeringer danner meget tætte lag af korrosionsprodukter, som blokerer anodeprocessen, men ikk e katodeprocessen. Man taler om at metallerne passiverer, hvorved de antager et højere potential, se nedenfor. Typiske eksempler er rustfrit stål og aluminium. Passiverin g Potentialer 3.1. 3 Når anode- og katodeprocesserne arbejder og har fundet e n stabil hastighed, vil metaloverfladen have en bestemt»elek - trontæthed«, der kan måles som et potential. Et korroderende metals potential kaldes korrosionspotentialet. Hvis man ved et ydre indgreb fjerner potentialet herfra, siger man, at metal - let er enten anodisk eller katodisk polariseret. 29

Ædle og uædle metaller Et let korroderbart metal som f.eks. magnesium eller zink vil have en livlig produktion af elektroner. Det får derfor et negativt (= lavt) potential. Omvendt vil et langsomt korroderbart metal som f.eks. kobber under de samme forhold antage et positivt (= højt) potential. De let korroderbare metaller kal - des uædle, de mere bestandige ædle. Hvis et uædelt metal danner tætte lag af korrosionsprodukter, som bremser anodeprocessen, men ikke katodeprocessen, sker der en forskydning af potentialet i positiv retning. Man siger, at metallet er passiveret, og det vil da optræde som e t ædelt metal. Hvis korrosion derefter sætter ind falder potentialet igen, fordi korrosionen producerer elektroner. Man ser ofte metallerne opstillet efter potentialforhold. Figur 3.2 viser, hvordan en sådan spændingsrække kan se ud i salt - vand. Tabel 3.2 Potentialer i havvand, målt i forhold til brintelektroden. Ædle metaller øverst, uædle metaller nederst Metal Potential, E, volt Guld +0,4 2 Sølv +0,1 9 Rustfrit stål 18/8, passivt +0,09 Kobber +0,02 Tin -0,2 6 Rustfrit stål 18/8, aktivt -0,29 Bly -0,3 1 Stål -0,4 6 Cadmium -0,4 9 Aluminium -0,5 1 Zink -0,8 6 Magnesium -1,36 Under andre forhold kan potentialerne afvige en del fra d e anførte værdier, og metallerne kan skifte plads i rækken. I store træk bibeholdes rækkefølgen dog under de fleste forhold, og hele spændingsrækken ligger inden for nogle få volt. De såkaldte normalpotentialer er defineret under laboratorieforhold, der afviger stærkt fra hvad man normalt ser i prak - sis, og de bør generelt ikke anvendes til vurdering af praktiske korrosionsforhold. 3 0

Ved en opløsnings redoxpotential forstår man det potential, som en inert elektrode - i praksis en platinelektrode - antage r i opløsningen. Det vil altså samtidig være det højst mulig e korrosionspotential, som noget metal kan opnå i væsken, idet jo enhver korrosionsproces vil virke til at nedsætte potentialet. Redoxpotentialet stiger med væskens indhold af ilt, syre og andre oxyderende stoffer. Potentialmålinger er et godt hjælpemiddel til vurdering af korrosionsforhold, men de kan være svære at anvende korrekt. Potentialmålinge r Hvis man øger et metals potential, vil dets korrosionshastig - hed alt andet lige øges. Den øgede positive opladning vil j o fremme processer, som producerer elektroner, altså anode - processen i korrosionskredsløbet. Men et højt potential i si g selv behøver ikke betyde korrosion. Potentialet kan jo netop skyldes at der ingen korrosion sker, selv om omgivelserne e r oxiderende. Omvendt kan et lavt potential skyldes livlig korrosion, men det kan også skyldes reducerende omgivelse r ledsaget af langsom eller slet ingen korrosion. Referenceelektroder 3.1.4 Potentialer måles i forhold til referenceelektroder, som har fast potential. To almindeligt anvendte referenceelektroder e r calomelelektroden : Kviksølv, hvis potential er fastholdt ved kontakt til en mættet opløsning af kviksølvchlorid. kobber/kobbersulfatelektroden : Kobber, hvis potential er fastholdt ved kontakt til mættet kobbersulfat. Som nulpunkt i spændingsrækken har man imidlertid valgt brintelektroden : Platin, som ombobles af brint ved 1 atm. en 1 N syreopløsning. i De indbyrdes potentialer er : brintelektroden, SH E (standard hydrogen electrode) : 0 calomelelektroden, SC E (saturated calomel electrode) : + 0,244 V kobber/kobbersulfatelektroden : + 0,318 V Ved angivelse af potentialer skal referencen altid oplyses. 3 1

3.1.5 Korrosionshastighede r Korrosion måles normalt ved tæringsdybde eller vægttab pr. tidsenhed. Da korrosionen er ledsaget af et elektrisk kreds - løb, kan den også angives som en elektrisk strømtæthed. Nogle almindelige måleenheder for korrosionshastighed er : Tæringsdybde: mm/å r µm/år =10-3 mm/år ipy = inch per year = 25,4 mm/år mpy = milliinch per year = 25,4 µm/å r Vægttab : g/m2 år mdd = mg/dm2 døgn Korrosionsstrøm: ma/cm2 Ændring af f.eks. trækstyrke: %/å r 3. 2 3.2. 1 Korrosionsformer Generel korrosio n Ved generel korrosion (ofte kaldet fladetæring) angribes hele overfladen jævnt. Det sker ved at anode- og katodeprocesse r hele tiden skifter plads på metaloverfladen. Et godt mål for korrosionshastigheden ved generel korrosio n er gennemsnitlig tæringsdybde eller vægttab pr. arealenhed. 3.2.2 Grubetæring Korrosionsformen grubetæring - også kaldet pitting - er karakteriseret ved, at der opstår en tæring med et begrænse t areal på en fritliggende overflade, men med en relativt stor tæringsdybde. Fænomenet opstår, når metallet udviser en vis passivitet. Passivhinden sænker metalopløsningshastigheden på over - fladen, men i visse miljøer - typisk kloridholdige miljøer - kan passivhinden lokalt gå i stykker, hvorved en arealmæssigt lille ubeskyttet metaloverflade eksponeres til miljøet. Der dannes derved et galvanisk element mellem det ubeskytted e metal og den passive metaloverflade. 32

Korrosionshastigheden i gruben kan ofte være mange gang e større end metallets gennemsnitlige korrosionshastighed, hvor meget større afhænger bl.a. af arealforholdet melle m det ueksponerede område og det passive område samt pas - sivhindens evne til at bremse metalopløsningen. Jo langsommere opløsningshastighed på den passive overflade dest o større vil»overskuddet«af katodeprocessen være, som ka n udnyttes til at drive opløsningen i gruben. I tilfælde hvor den altdominerende korrosionsform er grube - tæring, kan forholdet mellem katode- og anodeareal vær e meget stort. Herved opnås en meget stor opløsningshastighed i gruben, men størrelsen kan være svær at forudsige præcist. I sådanne tilfælde er det praktisk taget umuligt a t angive en levetid for metallet. Opstår der grubetæring, kan metallet gennemtære i løbet af få uger (eller dage), mens me - tallet kan have en levetid på flere hundrede år, såfremt de t ikke grubetærer. Hurtig lokaltærin g Nedbrydningen af passivhinden på lokalområder er ofte be - tinget af, at korrosionspotentialet overstiger en vis grænseværdi - også kaldet pittingpotentialet, som afhænger af øvrige miljøfaktorer (kloridkoncentration, temperatur m.v.). Spaltekorrosion 3.3.3 Korrosion, som opstår i forbindelse med en smal spalte i elle r op imod metallet, betegnes spaltekorrosion. Såfremt spalten og den øvrige overflade af metallet befinde r sig neddykket i en væske, kan væskesammensætningen i spalten ændres med tiden. Dette forudsætter, at spalten e r meget smal, således at der ikke sker nogen opblanding mel - lem væsken i spalten og væsken udenfor spalten. Årsagen til at væskesammensætningen i spalten kan ændres, er den korrosion, der generelt foregår i systemet.i visse tilfæl - de kan den generelle korrosionsproces bevirke, at ph i spalten falder samtidig med, at specielt chlorider kan opkoncentreres i spalten. Derved opstår der et mere aggressivt miljø i spalten end uden for spalten, og det medfører, at metalover - fladen i spalten placeres lavere i spændingsrækken end de n øvrige frie overflade. Medvirkende er ofte, at der er god ilttilgang til de frie over- Forskelle i iltkoncentratio n 33

flader, men ringe ilttilgang i spalten. Da ilten jo forbruger elektroner, vil flader med god ilttilgang antage et højere potential end flader med ringe ilttilgang. Der opstår altså en potentialforskel, og man taler om et iltkoncentrationselement. Korrosionen vil foregå med spalten som anode og den øvrige fritliggende overflade som katode. Metalopløsningen i spalten accelereres derfor på grund af det uheldige katode/anode areal. Spaltekorrosion kan forekomme for næsten alle metaller, men specielt passive metaller vil være følsomme for spalte - korrosion. Typisk vil spaltekorrosion også først opstå, nå r metallets korrosionspotential overstiger en vis grænseværdi, ligesom det gælder for grubetæring. Grænseværdien fo r spaltekorrosion (spaltekorrosionspotentialet) er typisk laver e end pittingpotentialet. 3.2.4 T i l dae k n i n g s korros i on Korrosion der opstår i forbindelse med afsætninger af korrosionsprodukter, snavs eller lignende, hvor der skabes et aflukket rum under afsætningen, kaldes for tildækningskorrosion. Korrosionen under tildækningen opstår som en konsekvens af, at tildækningen holder på vand. Det betyder, at væskeudskiftning kun meget vanskeligt kan foregå, hvorved der skabes en kunstig spalte, og tildækningskorrosion forløber ved samme mekanisme som spaltekorrosion. Metaloverfladen under tildækningen udgør anoden i det galvaniske element, mens det yderste af tildækningen og de n øvrige ikke-tildækkede overflade, som er eksponeret til væ - sken, udgør katoden. 3.2.5 Galvanisk korrosion Vi har tidligere set, hvordan de forskellige metaller antage r forskellige korrosionspotentialer. Hvis nu to forskellige metaller befinder sig i samme væske, og der etableres metallis k kontakt imellem dem, vil det påvirke korrosionsforholdene. Et eksempel: Jern og zink anbringes i saltvand, først uden forbindelse. De korroderer hver for sig, og i henhold til værdierne i figur 3.2 vil der være en potentialforskel mellem 34

dem på ca. 0,4 V. Hvis der nu etableres en metallisk forbindelse, vil de to metaller antage samme potential, som vil ligge et sted imellem de oprindelige potentialer. Der sker alts å en forøgelse af zinkens potential, og dermed en forøgelse a f korrosionshastigheden. For jernet sker der en sænkning a f potentialet, hvorved korrosionen nedsættes eller kan gå helt i stå. Samtidig løber der en strøm mellem de to metaller, se figur 3.3. Man siger at zink udsættes for galvanisk korrosion, mens jern bliver katodisk beskyttet. Fe Z n Figur 3. 3 Galvanisk korrosion af zink ve d kontakt med jer n Fe z ~ Zn z. Fe 2+«_ Zn 2f-- Zn 2+ Z 2 Zn 2+ Zn 2+ Anodeprocessen sker altså overvejende eller kun på det uædle metal, mens katodeprocessen foregår på begge metallerne. En meget vigtig faktor ved galvanisk korrosion er arealforholdet. Hvis et lille areal uædelt metal er i kontakt med et stort areal ædlere metal, kan korrosionshastigheden på det uædle metal mangedobles. Der bliver jo nu en langt større overflad e til rådighed for katodeprocessen, mens anodeprocessen (me - talopløsningen) kun sker på det uædle metal. Selektiv korrosion 3.2. 6 Ved selektiv korrosion angribes metallets legeringselemente r eller strukturbestanddele med forskellig hastighed. Ofte vi l 35

den ene legeringsbestanddel korrodere helt bort, mens det øvrige metal ikke angribes. Medvirkende hertil kan være potentialforskelle, således at der sker en galvanisk korrosion a f den mindst ædle fase. Interkrystallinsk korrosion kan ses som en art selektiv korrosion, idet korrosionen angriber metallets korngrænser, men ikke selve kornene. 3.3 Højtemperaturkorrosion Korrosion af stål ved høje temperaturer er i de fleste tilfælde en direkte reaktion mellem metallet og den varme gasatmos - Højtemperatur : Over 3-600 C fære. Højtemperaturkorrosion i stållegeringer kan finde ste d i temperaturområdet fra 300-600 C og opefter. Den nedre temperaturgrænse afhænger af korrosionsmiljøet og omfatte r flere forskellige korrosionsmekanismer. Den øvre temperatur på 600 C angiver den øverste temperatur, hvortil lavt legerede stål kan anvendes i en ren iltholdig atmosfære uden indhold af andre korrosive stoffer. Materialer til højere temperaturer er højtlegerede stål sam t Varmebestandige materialer nikkellegeringer med krom, nikkel, silicium og aluminium. Foruden korrosionsbestandighed har disse legeringer væsentligt bedre mekaniske egenskaber, hvilket også er nødven - digt for de fleste højtemperaturanvendelser. Korrosionsmiljøet Korrosionsformerne for stål ved høj temperatur er stærkt afhængige af det miljø, hvortil stålet anvendes. Hyppigst forekommende er almindelig atmosfærisk luft samt røggasser a f forbrænding af gas, olie, kul og biobrændsler. I den kemiske industri forekommer tillige en række procesgasser ved høj t tryk og temperatur med en sammensætning, som medføre r en række særlige materialeproblemer. I ovne til specielle anvendelser forekommer der ligeledes en række forskellige høj - temperaturproblemer. Korrosionsformer ved høj temperatur omfatter : Oxidation (skalning) Klorkorrosion Sulfidkorrosio n Korrosion i smeltede salte Opkulning 36

Hydrogenangreb (brintangreb ) Nitrering (kvælstofangreb ) De enkelte korrosionsformer er beskrevet i de efterfølgend e afsnit. Oxidation 3.3. 1 I ren, tør, atmosfærisk luft dannes på de fleste materialer e t tyndt beskyttende oxidlag. Tykkelsen og den hastighed, hvormed det dannes, er forskellig for de forskellige materia - ler og afhænger desuden af driftstemperaturen. Ved højere Et tæt oxidlag danner beskyttel - temperaturer øges oxidationshastigheden og dermed tykkel- sexbarriere sen af oxidlaget. Oxidationslaget fungerer som en beskyttelsesbarriere, der hæmmer adgangen af ilt ind til metaloverfladen. Med stigende temperatur og oxidlagtykkelse opstår der spændinger mellem metallet og den tiltagende oxidbelægning, som til slut får belægningen til at slå revner og skalle af. Den temperatur, hvor dette sker, kaldes materialets skal- Skalningstemperatu r ningstemperatur. Da dette ikke er nogen entydig temperatur, angives skalningstemperaturen i praksis ved den temperatur, hvor oxidationshastigheden i tør luft er 1 g/m 2h, der svare r til 1 mm/år. Oxidlaget på ulegerede kulstofstål består af magnetit (Fe,0 4), der e r stabilt op til 570 C. Ved højere temperaturer er magnetit ikke sta - bilt. I stedet dannes wüstite (FeO), der til gengæld ikke er stabilt ved lavere temperaturer. Ved legering med især krom opnås en kompleks jern-kromoxydbelægning, som er stabil, og som er tættere overfor diffusion af ilt ind til metaloverfladen. Varmebestandigheden af materialet øges, som det fremgår af figur 3.4, næsten proportionalt med kromindholdet. En yderligere forbedring af oxidlagets beskyttelsesevne opnås ved at anvende legeringer med aluminium og silicium, se figur 3.5 og 3.6. Temperaturens indflydelse på de mekaniske egenskaber er nærmere beskrevet i kapitel 14. Legering med krom, aluminiu m og silicium øger varmebestandighede n Ved dannelse af fastsiddende og beskyttende oxidlag følger oxida - tionsforløbet formlen : hvor d 2 = k. t d = materialetabet (tykkelsen af glødeskalslaget fo r u- og lavtlegerede stål er 2,1. d ) k = oxidationskoefficienten (afhænger af gasmiljøet, materialet og temperaturen ) t = tiden 37

Figur 3.4 Effekt af krom på skalningstemperaturen af stål i luft. 400 ~ 2 4 Kromindhol d 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2'8 % o 1 2 Aluminiumindhol d 3% Figur 3. 5 Effekt af aluminium på korrosionstabet af 6% Cr-stål i luft 1200-500 - Cp1 150-150 - ~ v 100 - N 100-50 50-10 - 5-800 C 1200-500 to - 5 900 C 0 1 Siliciumindhold 2 3 4 5 %Si 0 1 Siliciumindhol d 2 3 4 5 %S i Figur 3. 6 Effekt af silicium på korrosionstabet af 6% Cr-stål ved 800-900 C i luft Tykkelsen af oxidlaget vokser parabolsk med tiden. Såfremt oxidlaget revner eller skaller af, vil korrosionen ændre karak - ter og oxidationen blive næsten lineær med tiden. I tabel 3.1 er angivet den maksimale anvendelsestemperatur for oxydationsbestandigheden for ulegerede og lavtlegerede stål: 38

Tabel 3. 1 Maks. temp. C Ulegeret St. 37, St. 35.8, H II 50 0 Lavtlegeret (0,3 Mo) 15 Mo 3 53 0 Lavtlegeret CorTen A 56 0 Lavtlegeret (1 Cr 0,5 Mo) 13 CrMo 4 4 56 0 Lavtlegeret (2,25 Cr 1 Mo) 10 CrMo 9 10 590 Tilstedeværelse af klor og kloridholdige forbindelser i varme gasser kan nedbryde materialets beskyttende oxidbelægning og dermed materialernes bestandighed ved temperaturer over ca. 350 C. Korrosionsprocesserne, der kan være meget komplekse, beror i princippet på, at der på metaloverfladen under oxidbelægningen op - står et ikke vedhæftende lag af metalklorider. Nogle, f.eks. jernklorid, er flygtige med en sublimationstemperatur på ca. 350 C. Herved forhindres en dannelse af et fastsiddende og beskyttend e oxidlag. Klor nedsætter materialers varmebestandighed Sulfidkorrosion 3.3.2 Svovl forekommer i de fleste røggasser fra forbrænding a f kul, olie og i ringe mængde også i gas. Under reducerend e forhold, dvs. i iltfrie gasser, danner svovl ved korrosionsan - greb metalsulfid på materialeoverfladen. Da den korrosions- Svovl nedsætter varmebestan - hæmmende effekt af et sulfidlag på overfladen er mindre dighede n end for et tilsvarende oxidlag, er bestandigheden ringere i svovlholdige atmosfærer. Sulfidkorrosion forekommer også i iltholdige gasser, idet der lokalt f.eks. inde i belægninger på materialeoverfladerne kan forekomme reducerende forhold. Katastrofalt angreb af svovl forekommer i højtlegerede nikkelholdige materialer ved, at svovl sammen med nikkel danner et eutektikum med et smeltepunkt på 645 C. Dette fæno - men forekommer kun i reducerende svovlholdige gasser, men umuliggør hertil anvendelsen af nikkelholdige legeringer over denne temperatur. Katastrofal sulfidkorrosion i nikkelholdige legeringe r Korrosion i smeltede salte 3.3.3 Smeltede salte kan forekomme som belægninger på de var - me overflader i kedeloverhedere og i forbrændingsmotorer. Blandinger af natrium- og kaliumsulfater samt vanadiumfor - 3 9

bindelser med lave smeltepunkter danner her en delvist fly- dende belægning på overfladen. Korrosion opstår, når belægninger med blandt andet et højt indhold af vanadium ka n opløse det beskyttende oxidlag på metaloverfladen og der - med forøge korrosionshastigheden stærkt. Korrosion af smeltede salte kan imødegås ved at anvende additiver, der danner salte med et højt smeltepunkt, f.eks. calcium. Smeltede salte kan opløse det beskyttende oxidlag I en fast oxidbelægning finder transporten af ilt sted ved diffusion. Denne proces er relativt langsom og er faldende med stigende tyk - kelse af oxidlag og belægninger. Dannelse af en belægning a f smeltede salte på metallets overflade indvirker på korrosionsmeka - nismerne ved at danne en flydende elektrolyt, som er ledende o g derved giver mulighed for langt hurtigere forløbende elektrokemiske korrosionsprocesser. I den smeltede saltbelægning kan ioner, f.eks. ilt, transporteres fra den udvendige overflade mod gassen og ind til metallets overflade, hvor selve korrosionsprocessen finde r sted. Tilsvarende kan metalioner transporteres den anden vej. Kor - rosionsforholdene vil derfor være afhængige af saltsmeltens elek - trokemiske egenskaber i forhold til det aktuelle materiale. Smeltede salte kan også forekomme i industrielle procesanlæg og i forskellige saltbade til behandling af materialer til værktøjer m.m. 3.3.4 Varmebestandigheden nedbrydes ved binding af krom ti l kulsto f Opkulnin g Kulstof kan ved høj temperatur og i en kulstofholdig atmosfære diffundere ind i materialet. Ved reaktion med legerings - elementerne dannes karbidudskillelser. Herved bindes specielt krom, hvorved bestandigheden af legerede materialer ødelægges, idet krom ikke længere er til rådighed for dannel - sen af et beskyttende oxidlag. Legering med nikkel og silicium forbedrer imidlertid materialernes bestandighed overfo r opkulning. Opkullende gasatmosfærer forekommer ved forgasning af faste brændsler som kul, træ og halm, samt ved understøkiometrisk for - brænding (forbrænding med luftunderskud). Endvidere forekom - mer opkullende atmosfærer i en række industrielle anlæg, eksem - pelvis i olieraffineringsanlæg, i petrokemiske procesanlæg, varme - behandlingsovne til indsætningshærdning af stål til værktøjer m.m. 3.3.5 Hydrogenangreb (brintangreb ) Brint under højt tryk og temperatur diffunderer let gennem stål o g 40

andre metaller. Ved temperaturer over ca. 250 C reagerer brin t med kulstofholdige jernfaser (cementit, perlit, bainit m.m) i materialet under dannelse af metan (CH4 ). Metan samles inde i materialet, der mister sin styrke og duktilitet. Skader på et tryksystem sker typisk ved en sprængning med et deformationsløst brud. Styrke og duktilitet mistes ve d methandannelse i materialet Brint under højt tryk forekommer især i raffinaderi- og i petrokemiske anlæg. Kulstoffet i lavtlegerede stål med krom og molybdæ n danner stabile karbider og anvendes i disse formål som angivet i henhold til Nelson diagrammet figur 3.7. c 700 600 " ' Brintblister i 2.25Cr-1M o Figur 3. 7 Nelson-diagram for anvendelse af stål i brintatmosfære ved he j temperatur og try k 500 400 2 :15.2.-1 Mo stål 300 - E H 200 0 5 10 UIeqeretstål 1.25Cr-0,5Mo stå l 15 MPa Brintpartialtryk Under særlige forhold kan hydrogenangreb endvidere forekomme i højtryksdampkedler med tryk over 50 bar og 325 C. Nitrering (kvælstofangreb) Kvælstof på atomar form kan i lighed med kulstof diffundere ind i stålmaterialer og reagere under dannelse af nitrider, hvorved krom og andre legeringselementer bindes. Da kvælstof i atmosfæren fin - des på stabil molekylær form som N 2, vil der ikke ved de fleste nor - malt forekommende anvendelser være risiko for nitrering af materialerne. Kemiske procesanlæg, samt ovne til nitrering af værktøjsstål, hvori anvendes krakket ammoniak, indeholder derimod kvæl - stof på atomar form, der kan diffundere ind i de anvendte metalliske materialer. Stållegeringernes modstandsevne overfor nitrerin g øges med nikkelindholdet, som angivet i figur 3.8. 3.3. 6 Varmebestandighed nedbrydes ved dannelse af nitride r 41

Figur 3. 8 Effekt af nikkel på korrosionsbestandigheden i nitreringsovn ve d 525-565 C mm/å r 5,0-4,5-4,0-3,5-3,0 2, 5 2, 0 1, 5 1, 0 c ~ 0, 5 O Y 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % N i Nikkelindhol d 42

Kombinerede effekter 4 Spændingskorrosion 4. 1 De fleste metaller og legeringer kan revne ved spændings - korrosion, hvis de samtidig udsættes for mekaniske spænd - inger og en bestemt korrosionspåvirkning. Ved spændingskorrosion er det kun ganske små mængder metal der korro - derer, men de herved dannede revner kan totalt ødelægg e metallet på ganske kort tid (i værste fald på minutter!). Det er derfor af største betydning at undgå spændingskorrosion, når materialevalg og driftsforhold fastlægges. Revneforløbet kan være interkrystallinsk eller transkrystallinsk, alt efter metal og korrosionspåvirkning. Nogle velkendte typer af spændingskorrosion er : ludskørhed i stål. Angrebet sker som interkrystallinsk korrosion ved høje temperaturer og høje ph-værdier. I damp - kedlernes barndom var ludskørhed årsag til mange kedeleksplosioner, ofte med tab af menneskeliv til følge. revnedannelse i messing, grundet tilstedeværelse af ammoniak eller aminer. Forløbet er interkrystallinsk under neutrale forhold, men transkrystallinsk under sure eller basiske forhold. transkrystallinsk spændingskorrosion i rustfrit stål med austenitisk struktur, forårsaget af høj temperatur og chlorider. Normalt sker dette angreb ikke under temperaturer p å 50-55 C, selv ved høje chloridkoncentrationer. Der kende s dog også eksempler på spændingskorrosion ved stuetemperatur, f.eks. på stærkt belastede emner i svømmehalsatmosfærer. De nøjagtige mekanismer for spændingskorrosion kende s kun delvis, og der forekommer tilsyneladende flere forskellige mekanismer. Det antages at første trin er en mekanisk ødelæggelse af oxidlag på metaloverfladen, forårsaget a f trækspændinger. Korrosionen angriber det blotlagte metal, og revnen skrider frem under vekselvirkning mellem spændingsbetinget frilæggelse af metal og korrosion. Man ha r påvist, at korrosionsmiljøet i spidsen af en spændingskorro - 43

sionsrevne altid indebærer en karakteristisk kombination af ph-værdi og korrosionspotentiale, og altid er sådan, at der er mulighed for brintudvikling. Trykspænding/trækspænding Spændingskorrosion sker ikke, hvis der kun forekomme r trykspændinger i metaloverfladen. Det kan opnås ved såkaldt shot peening, d.v.s. bombardement af overfladen med små stålkugler. En generel nedbringelse af spændingsniveauet, f.eks. ved en udglødning, kan også være en løsning. Endelig kan man forebygge spændingskorrosion ved at undgå, a t det specifikt aggressive miljø opstår. 4.2 Brintskader (hydrogenskader) Mange metaller og legeringer er følsomme over for brint, for - stået på den måde, at deres evne til at modstå trækspændinger reduceres. Brint kan udvikles både under produktionen, bearbejdningen og brugen af metallerne. De hyppigste kilder til brint er korrosion (ph < 5), svejsning, bejdsning, elektrolyse, katodisk beskyttelse eller direkte kontakt med gasformig brint. Skaderne, som følge af brintpåvirkningen, kan ytre sig p å følgende måder: Blisterdannelse Brintskørhed Revnedannelse Hydrogenangreb Dannelse af hydrider 4.2.1 Blisterdannels e Blisterdannelse optræder typisk i legeringer med lav styrke. Brinten, der diffunderer ind i materialer på atomar form, ka n rekombinere og danne molekylær brint (H 2) i mikrohulrum, fasegrænser og lamineringer. Den gasformige brint kan udvikle så høje tryk (op til 10.000 atm.), at der dannes revner i materialet. Ligger revnerne tæt ved overfladen, kan trykke t åbne revnerne, således at der dannes buler på overfladen. Fænomenet ses i både stål, rustfrit stål og aluminiumlegeringer. 44

Brintskørhed 4.2. 2 Brintskørhed optræder hyppigst i højstyrke-kulstofstål og i de martensitiske og udskillelseshærdelige rustfrie stål. Fænomenet kendes også i højstyrke-aluminiumlegeringer. Brintindtrængningen sker på samme måde som ved blister - dannelse. Brintskørheden medfører, at materialet kan udvise sprødbrud selv ved spændinger under flydespændingen. For et give t brintindhold stiger tendensen til brintskørhed med aftagend e tøjningshastigheder. Den skadelige virkning af en forbigående brintpåvirkning kan ofte elimineres ved en varmebehandling (150-200 C), der tillader brinten at diffundere ud igen. Revnedannelse 4.2.3 I svært gods kan revnedannelse optræde, hvis der udskille s molekylært brint i et i forvejen brintskørt materiale. Brinten kan tilføres materialet allerede under udstøbningen, og da opløseligheden af brint aftager voldsomt med temperaturen, kan det indre af materialet blive overmættet med brint ve d stuetemperatur. Ved overfladen når brinten sædvaligvis a t diffundere ud. Revnedannelsen sker altid under afkølingen efter en valsning eller smedning, men aldrig under afkøling efter udstøbning. Revnerne observeres normalt i de smedede korn eller i sejringsbånd. Hydrogenangreb 4.2.4 Ved temperaturer over 220-350 C vil stål, der er udsat for et brintpartialtryk på over 7 bar, nedbrydes, idet brinten reagerer med cementitten under dannelse af methan. Styrken fal - der samtidig med, at der opstår risiko for revne- eller blære - dannelse. Skaderne som følge af et hydrogenangreb kan ikk e udbedres ved en varmebehandling. Også kobber kan angribes af hydrogen. Indeholder kobberet ilt i form af kobberoxider, kan hydrogenen reagere med ilte n under dannelse af vanddamp. Vanddampen har en meget lav diffusionshastighed og forbliver følgelig i kobberet, hvor de n kan give anledning til revne- og blæredannelse. 45

4.2. 5 Dannelse af hydride r En række metaller danner villigt hydrider ved kontakt med hydrogen. Hydriderne giver anledning til en betydelig styrkeøgning (udskillelseshærdning), der samtidig ledsages af et voldsomt fald i duktilitet og sejhed, eventuelt med revnedannelse tilfølge. Hydrogenen tilføres let til metallet under smeltning elle r svejsning, og hydriderne dannes under den efterfølgende af - køling. Det kan i denne forbindelse nævnes, at også en katodisk strømbelastning kan give anledning til hydrogenudvikling med efterfølgende hydriddannelse til følge. Blandt de metaller, der danner hydrider, kan nævnes titan, tantal, zirconium og deres legeringer. 4.3 LME (Liquid Metal Embrittlement ) LME er den gængse betegnelse for et sprødhedsfænomen, som på dansk kan oversættes til flydende metalforsprødning. Fænomenet optræder, når et metal eller en legering samtidig udsættes for trækspændinger og kontakt med et andet flydende metal. Ud over at give anledning til sprødhed ka n fænomenet også ytre sig ved en hurtigt fremskridende revnedannelse. Typiske situationer, hvor LME kan volde problemer, er under svejsning af galvaniserede emner, utilsigtet opvarmning a f cadmierede bolte, varmforzinkning af stål eller lodning med messinglod. Tabel 4.1 side 49 giver en oversigt over nogle af de metaller, der kan fremkalde LME i forskellige grundmaterialer. 46

Tabel 4.1 Kombinationer af grundmateriale og smeltet metal, som i praksis har ført til Liquid Metal Embrittlement) Grundmateriale Jernbasered e legeringer Kobberbaserede legeringe r Zinkbaserede legeringe r Aluminiumbasered e legeringer LME-givende metaller og legeringer Al, Sb, Bi, Cd, Cu, Ga, In, Li, Tl, Sn, Zn, H g hårdlod, Pb-Sn lod, lejemetalle r Pb + leg, Pb tillegeret stå l Hg, Pb, Sn, Li, Na, Bi, In, Pb + Bi, Pb + Sn, Pb + Ag, Ga + le g Hg, Ga, Sn, In Pb + Sn Sn, Ga, Na, In, Zn Hg + leg Sn + Zn, Pb + Sn Korrosionsudmattels e 4.4 Som navnet siger, dækker korrosionsudmattelse over en ned - brydningsmekanisme, hvor en udmattelsespåvirket komponent eller konstruktion tillige udsættes for et korrosivt an - greb. Den kombinerede effekt vil generelt medføre en reduktion a f levetiden. Udmattelsesrevner kan starte ved lavere pålagte spændinger, og når først revnerne er initieret, vil de vokse hurtigere. I mange tilfælde med korrosionsudmattelse vil den fra luf t kendte udmattelsesgrænse helt forsvinde, således at der ikk e er nogen grænse, hvorunder udmattelse ikke vil opstå. Figur 4.1 viser Wöhler-kurver for et kulstofstål, et 13% krom - stål og en aluminumlegering udmattet i luft og forskellig e kloridopløsninger. I et senere afsnit vil der blive givet en mere detaljeret gennemgang af relevante materiale-/miljøkombinationer. 47

MPa 300-0,35% kulstofstål 250-200 - 25 ppm NaCl 150-25 ppm NaSO4 105 106 107 Antal påvirkninger 108 10 9 1010 10 1 1 M Pa 500-13% Kromstål 450-400 - 350-300 - MP a AI - 5,5. Zn - 2,5 Mg - 1,5 C u 250 20 0 150-0,5 M NaC l 207 MN/m2 middelspændin g 15 0 G1 ~ 100- +, Luft 100 50 0 103 104 105 10 6 Antal påvirkninger 107 108 109 10 10 I I I 1111 1 104 105 Antal påvirkninger 106 1 0 7 Figur 4. 1 Wöhler-ku rv er i forskellige miljøer for a) kulstofstål, b) 13% kromstål, c) en aluminiumlegering 48

Slid + Korrosion 4. 5 Det har allerede været nævnt at korrosionsprodukter ofte ud - fældes på metaloverfladen, hvorved korrosionen bremse s mere eller mindre. Hvis der forekommer en slidpåvirkning, som med mellemrum fjerner det beskyttende lag af korrosionsprodukter, vil ubeskyttet metal stadig blive udsat fo r angreb. Derfor kan slid mangedoble angrebets hastighed, selv om slidpåvirkningen ikke skader selve metallet, me n blot dets korrosionsprodukter. Et mildt slid kan dog også være gavnligt. F.eks. er oxidhinden på rustfrit stål ganske solid og tåler en betydelig grad a f slidpåvirkning, som da blot holder overfladen ren. Dette er normalt en fordel for opretholdelse af oxidhinden. Erosionskorrosion (turbulenskorrosion) Også en strømmende væske kan medføre en mekanisk påvirkning, der sammen med korrosion udløser en speciel angrebsform. Hvis væskestrømmen lige op til metaloverfladen er tilstrækkelig kraftig, kan slid og korrosion i fællesska b medføre turbulenskorrosion. Det sker på steder, hvor strømningshastigheden er høj, og indtræffer lettest hvor strømningen forstyrres, f.eks. lige efter en bøjning. I rørvarmevekslere ses turbulenskorrosion ofte kun i indløbsenden, idet væske - strømningen længere nede i røret overgår til laminar strømning. Et sådant angreb omtales ofte som indløbskorrosion. Turbulenskorrosion er typisk for kobber og dets legeringer, og ses kun sjældent i andre metaller. Almindelige rørinstallationer af kobber tåler kun vandhastigheder på 0,6-0,9 m/sek. i havvand og 1-1,5 m/sek. i varmt brugsvand. I havvandsinstallationer bruges rent kobber af denne grund kun sjældent. Der vælges i stedet f.eks. aluminiummessing (22% zink, 2 % aluminium) eller kobber-nikkellegeringer, som tåler væsentlig højere strømningshastigheder. 4.6 Kobberlegeringe r Hvis korrosionspåvirkningen nedsættes, f.eks. ved en sænkning af iltindholdet, kan de tilladelige strømningshastigheder øges. 49

50

Miljøparametrenes indflydelse på korrosionen 5 I afsnittet om korrosionsprocesser blev det vist, hvorledes korrosionsprocessen er et resultat af samtidigt forløbende elektro - kemiske korrosionsreaktioner. I dette kapitel beskrives, hvor - ledes korrosionen påvirkes af de praktiske miljøparametre. Der tages her udgangspunkt i korrosion i væskefase, idet parametrene ved atmosfærisk korrosion og jordbundskorrosio n behandles i kapitlerne om ståls korrosion i disse miljøer. Korrosion i væskefase ()wåd korrosion«) Korrosion i væskefase er betegnelsen for den situation, hvo r den korroderende metaloverflade er helt dækket af den korroderende elektrolyt. Eksempler er den indre overflade a f væskefyldte kar eller rør samt genstande, der er nedsænked e i væsken. De faktorer, der her styrer korrosion, er : 5. 1 1. væskens ph 2. iltindhold 3. temperature n 4. ledningsevnen 5. art og koncentration af opløste salte. PH 5.1. 1 Væskens ph-værdi har en dobbelt virkning på korrosionsfor - holdene. For det første er det ph-værdien, der bestemmer o m det er iltreaktion eller brintudvikling, der er den dominerende katodeproces. Dernæst bestemmer ph-værdien i hvilken udstrækning, der kan dannes uopløselige korrosionsprodukter, der kan yde en vis beskyttelse og i bedste fald føre til fuld - stændig passivitet. Et udmærket eksempel er jerns korrosions - hastighed som funktion af ph-værdien, der ses på fig. 5.1. Under ph 4 stiger korrosionshastigheden kraftigt med faldende ph. I dette område dannes opløselige korrosionsprodukter, således at der ingen hæmning fås fra disse. Hastigheden styres af katodereaktionen, der er brintudvikling, og derfor observeres en kraftig afhængighed af ph i dette område. I om - rådet fra 4 til 10 er korrosionshastigheden stort set uafhængig af ph. I dette område er brintudviklingshastigheden aftaget så meget, at den er forsvindende i forhold til iltreduktio - 51

Figur 5.1. Jerns korrosions- hastighed so m funktion af ph mm/år 0,7 5 0,50 Brintudvikling begynde r 0-14 i 13 i 12 t 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2p H nen i væsker der har kontakt med den atmosfæriske luft. For at ilten kan reduceres på metaloverfladen, må den først transporteres fra væskeoverfladen. Det er denne transport, der sker ved omrøring og diffusion, der bliver hastighedsbestemmende, og korrosionen styres af iltindhold og omrøring, de r er ph-uafhængig. Det er stadig katodereaktionen der styrer korrosionen. Uopløselige korrosionsprodukter dannes, me n de er ikke tætte, og selv om de kan vanskeliggøre iltadgangen til metaloverfladen, yder de ingen egentlig beskyttelse. Passivering ved høje ph-værdier Mellem ph 8 og 10 begynder laget af korrosionsprodukter a t blive tættere efterhånden som ph stiger og dermed blive r hæmningen af anodereaktionen større. Katodereaktionen er stadig iltreduktion og dermed ph-uafhængig. Over ph 10 begynder passivitet at indtræde, og denne er fuldstændig nå r ph overstiger 12. Korrosionsprodukterne er nu et ret tyndt, tæt lag af magnetit og ferrioxid. Anodereaktionen er stærk t hæmmet. Der er nu fuldstændig anodisk kontrol af korrosionen. Katodereaktionen er stadig iltreduktion. 5.1.2 Iltindhol d Som det ses af ovenstående, vil korrosionen i de tilfælde, hvor katodereaktionen er iltreduktion, styres af iltindholdet i væsken, og korrosionen kan helt undertrykkes ved fjernelse af ilten fra væsken. Det er denne effekt, der anvendes ve d 52

korrosionsbeskyttelse i lukkede anlæg, for eksempel central - varmeanlæg. Da forøget flow betyder bedre ilttilgang til metaloverfladen, vil forøget flow også forøge korrosionspåvirkningen fra væ - sken. Temperatur 5.1. 3 Temperaturen har den indflydelse på de elektrokemiske reaktioner som på andre kemiske reaktioner, at hastighede n fordobles for hver 10 graders temperaturstigning. Hvor de r er tale om transportstyrede reaktioner som ved iltreduktionen, vil hastigheden stige med temperaturen, fordi iltdiffusionen stiger med temperaturen. Her fordobles hastigheden for hver 30 graders temperaturstigning. Imidlertid vil stigen - de temperatur gradvist nedsætte opløseligheden af ilt i vandet, således at ved højere temperatur bliver det nedsatte ilt - indhold afgørende for korrosionshastigheden. Forholdene afspejles på figur 5.2, der viser jernets korrosionshastighed som funktion af temperaturen. Ledningsevne 5. 1.4 Stigende ledningsevne letter korrosionen. Imidlertid er det sjældent, at ledningsevnen har afgørende virkning under hel t neddykkede forhold. Det er som regel andre faktorer, der bestemmer hastigheden. I tilfælde af lokalelementer, som ved mm/år Figur 5.2. Jerns korrosion under iltadgan g som funktion af temperature n 0,50 - a v 0,25 - rn 0 40 80 t C 53

galvanisk korrosion, spalte- eller tildækningskorrosion kan ledningsevnen have indflydelse på lokalangrebenes udseende og omfang. 5.1.5 Salte Arten og koncentrationen af opløste salte har indflydelse på korrosionen. Udover at forøge ledningsevnen har næsten alle, salte en større eller mindre indflydelse på korrosionen gennem adsorption. Chloridionen er kendt for sin evne til at nedbryde oxidlag og fremkalde lokalangreb, en egenskab der også kendes fra de andre halogenidioner. Effekten skyldes, at disse ioner adsorberes kraftigt til overfladen. Komplexbindere kan have både en korrosionsfremmende o g -beskyttende effekt. Hovedreglen er den, at hvor der dannes opløselige komplexer, kan komplexbinderen virke opløsend e på beskyttende lag og vil dermed være aggressiv. Dannes der uopløselige komplexer, kan stofferne virke korrosionsbeskyttende. Man taler da om korrosionsinhibitorer. Et eksempe l herpå er benzotriazol, hvor det dannede kobberkomplex er uopløseligt og dannes som et tæt beskyttende lag på kobber - legeringer. Oxiderende stoffer som nitrit og chromat virker også som inhibitorer, idet de ved deres oxidationsevne provokerer dannelsen af tætsiddende oxidlag (passivitet). Stigende saltindhold nedsætter opløseligheden af ilt i vande t hvorved den generelle korrosionshastighed kan nedsættes. Lokalkorrosion (galvanisk korrosion, spalte- og tildæknings - korrosion) vil dog stadig kunne være et problem. Figur 5. 3 viser korrosionshastigheden som funktion af saltindholdet. Figur 5. 3 Korrosionshastighed af stål so m funktion af natriumkloridindholdet 3 its N GC 0 0 I 5 I 10 I 15 I 20 25 % NaC L 54

Aluminiums korrosionsforhold i vandige miljøe r 6 Aluminium reagerer let med vand og danner en tynd, mege t kompakt beskyttende oxidhinde, der er uopløselig i vand og resistent over for mange kemikalier. Når oxidfilmen nedbrydes vil aluminium på grund af dets reaktive egenskaber korrodere kraftigt. Ved ph-værdie r uden for intervallet 4-8,5 og ved bestemte potential-niveauer nedbrydes oxidfilmen. Figur 6.1 skitserer den typiske korrosionshastighed for aluminium som funktion af ph. Oxidfilmens bestandighed Figur 6. 1 Aluminiums korrosionshastighe d skitseret som funktion af p H c 0. 7, 0 ö 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 p H Sur Neutral Alkalis k Den beskyttende oxidfilm på aluminium er dog følsom fo r tilstedeværelsen af klorider. Klorider kan afhængigt af koncentrationen medføre udvikling af defekter i oxidfilmen o g efterfølgende korrosion på aluminiumemnet. Da aluminium og dets legeringer er uædle i forhold til lang t de fleste andre metaller, opstår der let galvanisk korrosio n ved elektrisk kontakt til andre metaller. Der skal dog vær e tale om neddybning eller dannelsen af fugtfilm på samlingen før der er risiko for denne korrosionsform. Betydningen af denne korrosionsform afhænger tillige af arealforholdet mel - lem de indgående metaller. Generelt gælder det, at de ikke-hærdbare legeringer (herun - 55

der de magnesiumholdige) danner oxidlag, der er meget resistente over for opløsning. I gruppen af hærdbare legeringer er de magnesium-sliciumholdige legeringer moderat resistente. De kobber- eller zink - holdige legeringer danner de mindst resistente oxidlag. For de enkelte gruppers korrosionsbestandighed i vandige miljøer kan følgende forhold anføres: God korrosionsbestandighed Ædle udskillelser. Begrænset korrosionsbestandighed Rene Al-legeringer: Legeringerne er generelt forholdsvis korrosionsbestandige. Urenheder i disse legeringer kombinere t med aluminium (f.eks. A13Fe) vil være katodiske i forhold ti l den rene aluminiummatrix. Disse partikler vil i legeringens overflade danne tyndere og mindre korrosionsbestandig e oxidlag end metallet generelt. Korrosionsbestandigheden e r styret af arealforholdet mellem partikel og matrix i overfladen. Kobberholdige Al-legeringer : Kobberindholdet gør dannel - sen af galvaniske korrosionselementer mulig, hvor den sekundære kobberholdige fase (CuAl 2) er katodisk i forhold ti l Al-matrix. Ved opløsning af kobberioner kan disse udfælde s som metallisk kobber på legeringens øvrige overflader og forårsage yderligere korrosionsangreb. Interkrystallinsk korrosion og spændingskorrosion kan forekomme i disse legeringer, hvis den sekundære fase primært udskilles i korngrænserne. En korrekt modning forøger styr - ken, og medfører samtidigt, at den sekundære kobberholdige fase fordeles i mindre enheder og mere jævnt i Al-matrix, hvorved korrosionsbestandigheden bedres. God korrosionsbestandighed Manganholdige Al-legeringer : Disse legeringer har gode korrosionsegenskaber, da de mangan-, silicium- og jernholdig e partikler (A1 12(Mn,Fe)Si) er ligeså ædle/uædle som aluminiummatrix. Moderat korrosionsbestandighed Siliciumholdige Al-legeringer: I Siliciumholdige aluminiumlegeringer med mere end 1,65% silicium, vil silicium forekomme som rene Si-partikler i Al-matrix. Silicium er noget mere ædelt end Al, men fordi Si-partiklerne i Al-matrix er meget polariserede, har Si-fasen ingen betydning for korrosionsbestandigheden, som er generelt god for denne gruppe legeringer. 56

Magnesiumholdige Al-legeringer : Disse legeringer er mere bestandige i saltvand og svagt alkaliske miljøer end de ren e aluminiumlegeringer. Magnesiumindholdet forårsager den - ne resistens. Høj korrosionsbestandighe d Ved 3% Mg og derover udskilles dog en del af det opløste magnesium som intermetalliske forbindelser (Al 8Mgs). Diss e gør legeringerne følsomme for exfoliation og spændingskorrosion. Magnesium-siliciumholdige Al-legeringer: Indholdet af Mg2Si-faser, der betinger denne gruppes modningshærdning, har ingen nævneværdig betydning for legeringernes korrosionsbestandighed trods den omstændighed, at denne fase både er anodisk i forhold til Al-matrix og aktiv under sur e forhold. Tilsætning af kobber er styrende for korrosionsbestandigheden. Kobberholdige udskillelser vil reducere korrosionsbestandigheden. Moderat korrosionsbestandighed Interkrystallinsk korrosion og spændingskorrosion er iagttaget i laboratoriet men ikke i praksis. Zinkholdige højstyrke Al-legeringer : Zinkindholdet gør legeringerne mere uædle i forhold til de øvrige aluminiumlegeringer og følsom for lokaliserede korrosionsangreb herunder spændingskorrosion. Følsomheden for spændingskorrosio n kan nedsættes ved korrekt varmebehandling men ofte e r man nødsaget til f.eks. at anodisere emnerne for at reducere risikoen for spændingskorrosion. Tillegering med kobber for - bedrer styrkeegenskaberne, men formindsker korrosionsbestandigheden (visse legeringer i denne gruppe er af samm e grund kobberfri). uædle udskillelser. Begrænse t korrosionsbestandighe d Al-clad materialer: Compoundmaterialer med en kerne af Høj styrke og god korrosions - højstyrke Al-legering, belagt med en af de mere korrosions- bestandighed bestandige rene aluminiumlegeringer (clad-materialet), er et udbredt kompromis mellem styrke og bestandighed i fugtbelastede miljøer i flyindustrien. Ferskvand og drikkevand Brugsvand er i reglen aggressivt over for aluminium. Næsten alle typer brugsvand vil bevirke grubetæring på aluminium. Korrosionsforløbet varierer en del med vandsammensætningen, hvor chloridkoncentrationer i brugsvand på mellem 50-6. 1 57

500 vil være almindeligt i Danmark. Korrosionshastighede n øges af aflejringer åf enhver art og af opløst kobber, selv i koncentrationer på 30-40 µg/1 vand. Brugsvand aggressivt Gruberne kan blive 2-3 mm dybe efter et par år, og selv o m korrosionshastigheden efterhånden aftager, er ubeskytte t aluminium normalt ikke anvendeligt i brugsvand. Undtagelser kan være dele med stor godstykkelse og/eller begrænset krav til levetid, eller dele hvor mindre utætheder er uden be - tydning. I brugsvand må kontakt til andre metaller undgås ved alle anvendelser. Aluminium er et uædelt metal, som angribes af galvanisk korrosion ved kontakt til andre metaller i iltholdigt vand. I iltfrit vand kan kontakten være uskadelig, men bø r alligevel generelt undgås. I blødgjort vand opfører aluminium sig omtrent som i ubehandlet brugsvand. Derimod er aluminium meget bestandig t i totalt afsaltet vand, hvor man dog må sikre at vandet holde s neutralt. Ved temperaturer omkring 200 C og derover som i f.eks. køle- eller dampsystemer vil de lavtlegerede aluminiumlegeringer være meget lidt korrosionsbestandige, hvilke t er en modsætning til disse legeringers høje bestandighed ved moderate temperaturer. AlFeNi-legeringer med 1% Ni vi l være mest bestandig i disse miljøer. Iltfrit, neutralt vand som f.eks. centralvarmevand, giver in - gen nævneværdig korrosion. Derimod er fjernvarmevand i reglen så alkalisk (ph 9-10), at det angriber aluminium. 6.2 Havvand De A1Mg-holdige legeringer, de rene legeringer samt de AlMn-, og A1MgSi-holdige legeringer nævnt i aftagende ræk - kefølge er de mest korrosionsbestandige ved periodisk eller fuld neddypning i havvand. De AlCu- og AIZnMg-holdig e legeringer har ringe bestandighed i havvand. Siden korrosionsbestandigheden af aluminium afhænger af opretholdelsen af den beskyttende oxidfilm, vil aluminiu m være relativ mere bestandig i iltholdigt havvand end i havvand med lavere iltkoncentrationer. Korrosionshastigheden i iltholdigt havvand vil være lavere, fordi gendannelsen og ved - ligeholdelsen af det beskyttende oxidlag forløber hurtigere. 58

Aluminium følsom for grube- tæring i havvan d Den høje chloridkoncentration i havvand reducerer oxidfilmens beskyttende effekt og forøger antallet af defekter. Ved periodisk fuld neddypning i havvand vil der derfor ofte op - træde lokaliserede korrosionsangreb på aluminium i form a f grubetæring, spaltekorrosion, exfoliationskorrosion og spændingskorrosion. Højstyrkelegeringerne er mest følsom for lokalkorrosion. I havvand vil aluminiumlegeringer i starten være udsat for høje grubetæringshastigheder der på længere sigt vil aftag e noget. Aluminium vil især være udsat for korrosion i spalter og under tildækninger, hvor havvand og partikler vil kunne op - samles. I havvand vil galvanisk korrosion vil optræde ved kobling af aluminium i havvand med de fleste andre og mere ædle me - taller. Det er oftest denne korrosionsmekanisme, der reducerer aluminiums levetid væsentligt i havvand. Kontakten mel - lem et aluminium bådskrog og propeller eller andre armaturer af ædlere metaller som f.eks. messing vil føre til galvanis k korrosion under vandlinien, medmindre aluminiumskroget er katodisk beskyttet eller komponenterne isoleret fra hinan - den. Galvanisk korrosion Anvendelsen af aluminium i havvand indebærer derfo r grundig overvejelse, og vil som regel kræve supplerend e korrosionsbeskyttelse, såfremt tilfredsstillende levetider øn - skes opnået. Korrosionsbeskyttelse Beskyttelsen af aluminiumlegeringer i vandige systemer er udover optimalt materialevalg og konstruktiv udformning baseret på følgende principper: 6.3 Korrosionsbeskyttelse oft e nødvendigt Katodisk beskyttelse Tilsætning af inhibitorer. Overfladebehandlin g Ved en række anvendelser er det nødvendigt at lave katodisk beskyttelse på aluminium. Dette opnås enten ved at koble aluminium til mere anodiske materialer i form af f.eks. en magnesium/zinkanode, en belægning af zink på aluminium - Katodisk beskyttelse 59

emnet eller ved at koble aluminium til materialer, der er gjort mere anodiske ved at være påtrykt lave potentialer. Eftersom der ved den katodiske reaktion på aluminium produceres hydroxyl, må strømtætheden ved den katodiske beskyttels e ikke være så høj, at den gør det omgivende miljø alkalisk og dermed mere korrosivt. For at reducere muligheden for udvikling af grubetæring på aluminium i lukkede vandsystemer kan der tilsættes en række inhibitorer. Følgende stoffer er eksempler nævnt efter aftagende effekt: Nitrit - acetat - benzoat - silikater - sulfat. Der findes naturligvis også kommercielle produkter, men det vi l række for vidt at omtale dem her. Inhibitorer Overfladebehandling Inhibitorer er f.eks. helt almindeligt anvendt i motorkølesysterner, idet aluminium ofte bruges til topstykker og motorblokke. Kølervæske tilsættes derfor inhibitorer, hvorfor en vis minimum koncentration af kølervæske er påkrævet i kølevandet for at opnå beskyttelse mod korrosion på aluminiumdelene. Aluminum overfladebehandles af æstetiske hensyn og for at tilføre overfladen bedre korrosionsbestandighed i ordets videste betydning. Figur 6.2 viser en række overfladebehandlinger som i kombination kan beskytte aluminium mod korrosion. I modul A3 vil overfladebehandlingen af aluminiu m blive gennemgået nærmere. 60

Behandlingstype Behandlingsteknik Karakteristik af behandlingsmåde n Mekanisk : Fremstillingsoverflad e (ubehandlet) Overflade, som den er efter valsning, ekstrude - ring eller støbning uden viderebearbejdnin g (dog inclusive evt. mønstervalsning). Slibning Efterlader fine striber i sliberetningen. Polering Glatter overfladen og fjerner delvist slibestriber. Højglanspolering Polering til spejlende glathed. Satinbørstning Giver svag, stilkeagtig mathed. Tromlepolering Giver en mat til glinsende overflade p å masseartikler af lille størrelse. Blæsemetoder Giver en mat, let kornet struktur. Mønsterprægning Giver mønstre eller optiske effekter af specie l karakter. Hamring Giver dybpræget, lidt skællet overflade. Kemisk : Beitsning Bruges for at få ren, mat overflade og so m forbehandling for andre metoder. Glingsning Giver overfladen stor glans og reflektionsevne. Omdannelse (konvertering) Danner beskyttende og dekorative hinder, bestående af oxider, kromater og fosfater. Strømløs plettering Belægning med zink, tin, kobber, nikkel elle r krom, sølv m. fl. Elektro-kemisk : Anodisering Danner en hård, klar eller farvet, oxidhinde ti l beskyttende samt dekorative eller andre funktionelle formål. Elektrolytisk glinsning og polering Galvanisk plettering Udjævnende metode, som giver en glat, ensartet overflade med stor reflektionsevne. Belægning med zink, tin, kobber, nikkel, kro m og sølv m. fl. Påføring : Maling og lakering Egnet metode til opnåelse af forskellig grad a f beskyttende og dekorativ overflad e Plastbelægning Belægning af dekorativ, beskyttende og funk - tionel virkning påført som laminater eller ve d smelteteknik. Emaillering Metal- og keramisk e belægninger Glasagtige, hårde og korrosionsbestandig e belægninger. En række metaller og keramiske lag kan påføre s ved sprøjtning eller dypning, oftest af funktionel karakter. Figur 6.2 En række overfladebehandlinger som i kombination kan beskytte aluminium mod korrosion. 6 1

62

Aluminiums korrosionsforhold i jord og beton 7 Jord Jord varierer meget i sammensætning med hensyn til mineralogien, fugtigheden, surhedsgraden, resistiviteten, tilstedeværelsen af organisk stof og mikroorganismer. På grund af disse variationer vil ubeskyttede aluminiumemners korrosionsforhold skifte fra jordtype til jordtype. Korrosiv jord er kendetegnet ved lav resistivitet og lavt ph (såsom tørvejor d med ph værdier på under 5). På store dybder, hvor ilttilførslen er lav, vil korrosionshastigheden være betydeligt laver e end nær jordoverfladen, hvor ilttilførslen vil være høj. Derimod vil en nedgravet aluminiumkonstruktion som ligger i jord med varierende iltindhold være udsat for korrosion i de t mest iltfattige område, grundet dannelse af iltkoncentrationselementer. 7. 1 Jords korrosivitet Iltkoncentrationselemente r I mange miljøer, hvor kulstofstål kræver beskyttende belægninger vil ubeskyttede aluminiumlegeringer have lang leve - tid. Generelt bør nedgravede aluminiumkonstruktioner do g beskyttes med overfladebelægning, ved fraisolering eller ved hjælp af katodisk beskyttelse. De AlCu- og AlZnMg-holdige legeringer vil i fugtig jord med lav resistivitet være mere udsat for korrosion målt ve d vægttab og pittingdybde end de mere resistente renlegeringer, AlMn-, AlMg- og AIMgSi-holdige legeringer, hvorfor anvendelsen af de kobber og zinkholdige legeringer i jord er begrænset. Aluminiumflader i kontakt med jord bør beskyttes med f.eks. tjæreepoxy eller tape-systemer. Tape-systemerne er dog ikke anvendeligt på geometrisk komplicerede emner. Aluminiumflader i kontakt med jord bor beskytte s Beton 7.2 Aluminium kan støbes ind i beton eller letbeton, men i prak - sis ses denne kombination sjældent. I løbet af den tid betonen hærder vil det indstøbte aluminiumemne være udsat for korrosion. Aluminiums voluminøs e korrosionsprodukter vil ved fortsat korrosion og ugunstige 63

forhold kunne forårsage yderligere revnedannelse i den om - givende beton. Utæt beton kan medføre korrosion pga vandindtrængning Ved reaktion med kalciumhydroxid kan der på aluminium dannes en overfladebelægning af kalciumaluminat, som giver en vis beskyttelse mod fortsat korrosion. Er betonen imidlertid utæt, således at vand og salte kan trænge ind i betonen, øges risikoen for fortsat korrosion. For at undgå korrosion og revnedannelse bør man ved indstøbning af aluminium påføre aluminiumoverfladen f.eks. 200 gm tjæreepoxy eller asfalt. 64

Aluminiums korrosionsforhold i atmosfæren 8 De fleste aluminiumlegeringer er meget bestandige imod atmosfærisk korrosion. Ved mange udendørs anvendelser behøver aluminium ikke overdækning, beskyttende belægninger eller vedligehold. Aluminiumlegeringers bestandighed mod atmosfærisk korrosion afhænger af deres sammensætning såvel som strukturmæssige tilstand. Lavstyrke aluminiumlegeringer, so m bruges bl.a. i hjemmet og til arkitektoniske formål vil have den største bestandighed mod atmosfærisk korrosion, og variationer i bestandigheden forårsaget af sammensætning o g hærdning er her uden betydning. Legeringer i højstyrke gruppen som de AI-Cu- eller Al-Zn-Mg-holdige vil have den ringeste bestandighed ved atmosfærisk eksponering. Disse legeringer vil være udsat for mere intensiveret grubetærin g samt exfoliation og spændingskorrosion, hvorfor disse legeringer sjældent bruges til udendørs konstruktioner uden beskyttelse. Højstyrkelegeringerne har ring e korrosionsbestandighe d Atmosfærens korrosivitet Atmosfærens korrosivitet overfor aluminium varierer mege t fra en geografisk position til en anden afhængig af faktore r som luftforurening, luftfugtighed, nedbør og temperaturvariationer. 8. 1 Forudsætningen for at aluminium udsættes for korrosion i Befugtning og overfladeforure - atmosfæren er, at en vis mængde fugt afsættes på overflader- ving afgørende faktore r ne, og at befugtningen har en vis varighed. Overfladeforurening af aluminiumemnerne vil accelerere korrosionsangrebe - ne. Af de kemikalier som angriber aluminium i atmosfæren e r klorider og svovldioxid de mest aggressive. Kloriderne stam - mer fra havet eller industrien. Svovldioxiden stammer fr a forbrændingen af fossile brændsler og kan oxideres på en be - fugtet aluminiumoverflade, hvorved ph falder. En tilstræk - kelig lav ph vil medfører nedbrydning af aluminiums beskyttende oxidfilm. 65

Luftens indhold af faste partikler af forskellig størrelse og kemisk sammensætning kan have stor betydning. Dette gælder i særdeleshed, hvis de er hygroskopiske, og derved forlæn - ger varigheden for aluminiumoverfladens befugtning. Aggressiv og hygroskopisk overfladeforurening vil intensivere korrosionsangrebet på aluminium og hurtigt føre til loka l gennemtæring. Afrensning vigti g Det har derfor stor betydning, at aluminiumoverfladerne afvaskes eller regnpåvirkes regelmæssigt således, at forureningen på aluminiumoverfladerne fjernes. Omfanget af korrosion på aluminium som følge af afvaskning vil på længere sig t være mindre end korrosionsangrebene opstået pga. akkumulering af forurening på overfladerne. 8.2 Høj korrosionshastighed i starten Korrosionshastigheder og -udbredels e Atmosfærisk korrosion af aluminium medfører normalt ku n dannelsen af små gruber med ringe dybde, hvorved overfladen bliver ujævn. Efter en høj korrosionshastighed i begyndelsen vil korrosionshastigheden, målt som dybden af de udviklede angreb, aftage. Aluminiumoverfladen bliver mat pga. de grålige korrosionsprodukter og ansamlinger af over - fladeforurening, hvilket kan medføre æstetiske problemer. I de første 6 måneder og op til 2 år efter opsætning kan korrosionshastigheder op til 0,1 mm/år observeres, derefte r 0,003 mm/år ved havområder og 0,0008 mm/år i landlige di - strikter, uafhængigt af legeringens sammensætning. Dette gør aluminium anvendeligt til f.eks. tag- og facadebeklædning. Figur 8.1 viser atmosfærisk korrosionsdata for en aluminiumplade på 0,89 mm efter 20 års eksponering. Korrosionshastigheden er baseret på måling af dybden på de udviklede gruber. Figur 8.2 viser atmosfærisk korrosionsdata for en AlMnl, 2 aluminiumplade efter 10 års eksponering i forskellige atmosfæriske miljøer i Sverige. Korrosionshastigheden er basere t på måling af dybden på de udviklede gruber. 66

Eksponering, å r 0, 20 0 10 20 30 40 50 60 Maksimu m angre b Gennemsnitligt angre b Gennemsnitligt korrosionsangreb på emner ved New Kensington, PA 0,15 0,1 0 Maksimum korrosionsangre b på emner placeret ve d New Kensington, PA 0,05 2 0 \ c ~O q~ QP QP~~~ QP QP QV- QP QP~e~SC O åojs.g'' ~co+ P~ oca s ' ;~~a " Q\~~~a~ Q~qa~Q co ecqpöe\ S\cQr Loca~Qra Ps~ o\a ~ aj ~o s~oj ~ ~~a~oc Fsa O.j~ ~` a 1 e,e~a ca ~~. ofså 5 ts 4e' ep ~ ` Qec NLa o~ Figur 8. 1 Atmosfærisk korrosionsdata for en aluminiumplade på 0,89 mm efte r 20 års eksponering. Korrosionshastigheden er baseret på måling a f dybden på de udviklede gruber. Industriområde Figur 8. 2 Atmosfærisk korrosionsdata fo r en AlMnl,2 aluminiumplad e efter 10 års eksponering i for - skellige atmosfæriske miljøer i Sverige. Korrosionshastighede n er baseret på måling af dybde n på de udviklede gruber. 0 2 Exponeringsti d 67

Æstetisk levetid og funktionsdygtig levetid For atmosfærisk eksponerede aluminiumemner kan man tal e om en æstetisk eller funktionsmæssig levetid. Den æstetiske levetid er defineret som den periode, indenfor hvilken em - nets udseende er acceptabelt og endnu ikke præget af talrig e gruber med grålige korrosionsprodukter. Med den funktionsdygtige levetid menes perioden, hvori emnets styrke, varme - ledning, elledning eller afskærmende effekt er intakt. Den funktionsdygtige levetid vil gennemgående være længere end den æstetiske levetid. For at opnå optimal æstetisk levetid vil det være nødvendig t at overfladebehandle aluminium ved f.eks. anodisering elle r maling. I modul A3 vil overfladebehandlingen af aluminium blive gennemgået nærmere. 68

Aluminiums korrosionsforhold i røggasse r 9 Aluminiumlegeringers lave smeltepunkt på omkring 600 C sætter en naturlig øvre grænse for anvendelsen af aluminiu m ved højere temperaturer. Ved lavere temperaturer er aluminium bestandigt i varm luft og ikke aggressive røggasser. Røggasser fra forbrænding af gas indeholder normalt kun små koncentrationer af aggressive syrer som svovlsyre o g saltsyre. Aluminiumlegeringer er meget anvendte materialer til mindre gaskedler, varmevekslere og røggaskanaler. Beds t bestandighed har ren aluminium (>99,5% Al) samt aluminiumlegeringer med max. 5% Mg og max. 1% Si. Også i kondenserende gaskedler har aluminium god bestandighed, selv om der på overfladen i starten dannes en del hvidlige korrosionsprodukter og mindre korrosionsgruber. Forureninger af forbrændingsluften med klorholdige forbindelser f.eks. freon fra køle- og airkonditioneringsanlæg eller fra brug af klorholdige opløsnings- og affedtningsmidler kan føre til stærkt for - øget korrosion. Andre brændsler som olie, kul og biobrændsler (træ, flis, halm, affald) indeholder aggressive syrer, som ved underskridelse af syredugpunktet kondenserer og angriber aluminium kraftigt. Aluminium er som følge heraf normalt ikke anvendeligt til disse typer af røggasser. 69

70

Grubetæring på aluminium 1 0 Grubetæring også kaldet pitting er lokaliserede angreb på det oxidbelagte aluminium. Angrebene finder normalt sted i kloridholdige miljøer i det neutrale ph-område, hvor aluminiumlegeringerne ellers må betegnes som passive. For at grubetæring kan udvikles må korrosionspotentialet antage højere værdier end pittingpotentialet. Dette opnå s ved en passende stimulering af anodereaktionen pga. af f.eks. opløste klorider og katodereaktionen pga. tilstedeværelsen af f.eks. ilt samt effektive katodearealer. Lokal korrosio n Grubetæring udvikle s Når pittingpotentialet er nået, vil det elektriske felt over den tyndeste del af den beskyttende oxidfilm blive så høj, at kloridioner gennemtrænger oxidfilmen under dannelsen af de mindre stabile oxid-klorider, som er forbindelser af oxid o g klorid. Solution of 0 2 and CI- and preferably also Cue ', Cat ', and HCO - 3 0 2 Porøst hydroxid lag H 2 (temporært ) 2 H 2 O+0 2 +4e > 4 OH- Katode C ue++2" > C u Koncentreret, syreholdi g elektrolyt i gruben AIOHCI + AICl2+ Anode AI -+ AI 3++3 e Figur 10. 1 Grubetæring på aluminium, hvor processerne i og omkring en grube er vist. 71

Figur 10.1 illustrerer grubetæring på aluminium, hvor processerne i og omkring en grube er vist. Polarisation af aluminium ved f.eks. aflejring af kobber p å overfladen, som vist på figur 10.1, medfører, at aluminium s korrosionspotential lokalt polariseres til op over aluminiums pittingpotential. Den opståede polarisering kunne også være forårsaget af redoxprocesser på metallets overflade eller i den omgivende elektrolyt. De forhold som får grubetæring til at forløbe er : Inde i gruben : Opkoncentrering af kloridioner (se figur 10.1) pga overskud af positiv ladning. Høj ledningsevne for elektrolytten. Selvforstærkende korrosions- Dannelsen af et surt miljø pga dannelsen af aluminiumoxi - proces der ved hydrolyse (se figur 10.1). Begrænset iltkoncentration pga. ilts ringe opløselighed i den koncentrerede elektrolyt. I grubens åbning : Dannelsen af voluminøse aluminiumhydrater, som mod - virker fortynding af grubens elektrolyt og dermed forstær - ker faktorerne ovenfor. Omkring gruben : Katodisk beskyttelse af den omkringliggende metaloverflade pga. korrosionsstrømmene. Passivering af den omkringliggende metaloverflade pga. dannelsen af CaCO3 ved katodereaktionen. Når gruben er dannet vil korrosionsprocessen være selvfor - stærkende. Kun et tilstrækkeligt lavt elektrodepotential, re - passiveringspotentialet, vil medføre, at grubens vækst op - hører. Grubetæring på aluminium modvirkes ved : Forebyggelse af pitting 1. At anvende aluminiumlegeringer med så lille et silicium-, jern- og kobberindhold som muligt. Disse vil normal t 72

medfører dannelsen af udskillelser, der er mere ædle end aluminium. Silicium koncentrationer op til 1,65% vil i aluminium kunne medføre dannelsen af siliciumholdige udskillelser, som er mere ædle end aluminium. 2. At anvende legeringer med mangan eller magnesium, som med jern og silicium vil danne faser, der er liges å uædle som aluminium. 3. At undgå blødglødninger, som resultere i maximum dannelsen af katodiske udskillelser i aluminiumlegeringen. 4. Overfladebehandling af aluminium herom mere i modu l A3. 73

74

Exfoliationskorrosion på aluminiu m 1 1 I visse hærdningstilstande kan valsede aluminiumlegeringe r være udsat for exfoliationskorrosion, som også kaldes lagdelingskorrosion eller delaminering. Ved denne type korrosion forløber angrebene i planer parallelt med valseretningen under emnets overflade. Figur 11. 1 viser, hvordan lag af ikke korroderet metal mellem de korro - derede planer er adskilt og løftet over den oprindelige over - flade. Denne delaminering er fremkaldt af dannelsen af voluminøse korrosionsprodukter langs de korroderede planer. I modsætning til spændingskorrosion forårsager exfoliationskorrosion i aluminium normalt ikke pludselig og uventet ha - vari, fordi exfolation selv med begrænset udbredelse hurtig t opdages. Figur 11. 1 Snit igennem exfoliations korrosionsangreb i varmmodne t AIZnMg-legering, hvor laf af ikk e korroderet metal mellem de kor - roderede planer er adskilt og løftet over den oprindelige overflade. Denne lagdeling er fremkald t af dannelsen af voluminøse korrosionsprodukter langs de korro - derede plane r Exfoliation udvikles kun i produkter, som har en udpræget retningsorienteret struktur, hvor kornene er strakt og relativt tynde, med form som plader. Strukturorienteret korrosions - angreb Valselegeringer af typen AlCu, AlMg, AIZnMg eller AlZn - MgCu valselegeringer er mest følsomme for exfoliation. Exfoliation udvikles pga. 75

udskillelser i korn- eller underkorngrænserne i de udskillelseshærdende legeringer, AlCu, AlZnMg og AlZnMgCu. dannelse af sammenhængende lag af udskillelser i de Mgholdiger legeringer med magnesium i overmættet fastfas e opløsning. Exfoliation undgås ved at sikre jævn fordeling af udskillelserne i kornene eller ved at sfæroidisere de sammenhængen - de lag af udskillelser. Udskillelseshærdning ved høj temperatur eller lang varighed vil analogt med forebyggelse af spændingskorrosion (se kap. Forebyggelse af exfoliation 13) forhindre exfoliation. Optimal bestandighed over for exfoliation opnås efter kortere varmebehandling end f.ek s ved opbygning af resistens mod spændingskorrosion. Forebyggelse af exfoliation vil derfor normalt ikke være tilstræk - kelig til også at opnå optimal bestandighed mod spændings - korrosion. 76

Overbelastningsbrud. Effekt af varmepåvirknin g 1 2 I dette kapitel gennemgås, hvorledes aluminium og aluminiumlegeringers styrkeforhold ændres ved varmepåvirkninger. Emnet kan naturligt deles i to afsnit. Første afsnit omhandler de tilfælde, hvor aluminiumlegeringerne under driftsforhold udsættes for forhøjede temperaturer. Det andet afsnit omhandler de styrkereduktioner der ka n forekomme som følge af kortvarige og ofte utilsigtede varmepåvirkninger. Forhøjede driftstemperaturer Som nævnt i afsnit 2.2 er overbelastningsbrud de brud, de r opstår, når en komponent påvirkes til spændinger højere end materialets trækstyrke. Det er i denne forbindelse vigtigt a t erindre, at de forskellige aluminiumlegeringers trækstyrke, som er specificeret i materialekataloger og på certifikater, normalt er målt ved stuetemperatur. Aluminiums og aluminiumlegeringers flydespænding og trækstyrke ændrer sig imidlertid med temperaturen, som omtalt i lærebogen Al's kapitel 6. Generelt kan det siges, a t trækstyrken stiger med faldende temperatur, og både flydegrænsen og trækstyrken aftager ved forhøjet temperatur. Fal - det i flydegrænsen og trækstyrken ledsages af en stigning i brudforlængelsen. 12. 1 Styrken falder med stigend e temperatu r Foruden temperaturen har også tiden indflydelse på træk - styrken, som det fremgår af figur 12.1. Når et materiales trækstyrke måles i laboratoriet, er der kra v til maksimal og minimal trækhastighed, og hele trækprøvvingen er sædvanligvis overstået på få minutter. Det er fænomenet krybning, som omtalt i kapitel 2.4, der får aluminium og aluminiumlegeringer til at bryde ved laver e spændinger, når spændingspåvirkningerne udstrækkes i tiden. Trækhastighede n Krybnin g Kun den øverste kurve (Rm ) på figur 12.1 viser trækstyrken 77

Figur 12. 1 Kurverne angiver spændingerne der giver brud til de anførte tider (timer) som funktion af tempera - turen MPa 100 50 20 10 5 0 Test temperatu r 10 0 200 300 C som funktion af temperaturen. De øvrige kurver viser ikke trækstyrken, men det der kaldes krybebrudstyrken. Det er vigtigt at være opmærksom på fænomenet krybning, specielt når der arbejdes med aluminium og aluminiumlegeringer, da disse har lave krybebrudstyrker. Det er som oftes t krybebrudstyrken, der er den begrænsende faktor ved dimensionering af konstruktioner udført i aluminium. Ved konstruktion i aluminiumlegeringer er det altså ikke nok at søge oplysning om trækstyrken ved den aktuelle driftstemperatur. Krybeegenskaberne bør i højeste grad også tage s med i overvejelserne. 12.2 Kortvarig opvarmnin g I forrige afsnit blev det beskrevet, hvorledes en belastnin g ved forhøjet temperatur vil reducere trækstyrken sammenlig - net med de værdier, der måles ved stuetemperatur. Også en kortvarig opvarmning, både i belastet eller ubelastet tilstand, kan medføre voldsomme reduktioner i visse alumi- 78

niumlegeringers flydegrænse og trækstyrke. De legeringer, der her er tale om, er de legeringer, der har opnået sin styrk e ved en kolddeformation eller en modningshærdning. I kolddeformerede emner vil selv en kortvarig opvarmning kunne føre til afspænding eller i værste fald rekrystallisation, afhængig af forudgående deformationsgrad og aktuel temperaturpåvirkning. Selv en kortvarig opvarmnin g kan reducere styrke n Figur 12.2 viser flydegrænsen, trækstyrken og brudforlængelsen for nogle kolddeformerede, ikke-hærdbare legeringe r efter % times varmebehandling på den anførte temperatur. De værdier, der er opgivet i figurerne, er alle målt ved stue - temperatur. Som det kan ses af figur 12.2 er det efter varmepåvirkning til 200-300 C, at reduktionen for alvor sætter ind. Flydegrænsen reduceres til mindre end det halve af den oprindelige værdi. Den relative reduktion af trækstyrken er noget mindre. Typisk vil trækstyrken blive reduceret til ca. 60 % af den oprindelige værdi inden varmepåvirkningen. For de modningshærdelige aluminiumlegeringer vil en kortvarig omvarmning ligeledes kunne reducere legeringerne s styrke. Specielt hvis legeringerne opvarmes til temperature r over modningstemperaturen, vil reduktionen af styrken ind - træde efter kort tid. En legering, der tilsigtet eller utilsigtet er blevet varmepåvirket således, at styrken er blevet reduceret, siges at være blevet overmodnet. overmodnin g Figur 12.3 viser eksempler på styrkereduktionen af nogle modningshærdede legeringer efter varmebehandling til varierende temperaturer. Bemærk de meget voldsomme styrkereduktioner, som ind - træder specielt i højstyrkelegeringerne 2014 og 7075. Det er vigtigt at være opmærksom på, at selv meget kortvarige varmepåvirkninger, af måske få sekunders varighed, ka n medføre styrkereduktioner både i deformations- og modningshærdede legeringer. Det betyder, at det ikke er nok kun at vurdere den aktuell e driftstemperatur. Også eventuelle varmepåvirkninger fra ek- Varmepåvirkning fra produktio n 79

Figur 12.2 Flydegrænse, trækstyrke og forlængelse af 3 forskellige alumini - umlegeringer efter en % times varmebehandling ved de anførte temperaturer MP a 400-300 - 200 - % - 40-3 0-20 100-0 0 100 200 300 400 C Temperatu r Al 99,5 (AA 1100 H14) M Pa 300-200 - % - 3 0-2 0 100-1 0 0 f I I I 0 0 100 200 300 400 C Temperatu r Al Mn 1 (AA 3003 H18) 0 100 200 Al Mg Mn (AA 3004 H38 ) 300 400 C Temperatu r 80

MP a 300 200 100 % Figur 12. 3-30 Flydegrænse, trækstyrke og for - længelse af 3 forskellige mod- - 20 ningshærdede legeringer efte r times varmebehandling ved d e anførte temperature r - 10 0 0 100 200 300 400 C 0 o Temperatur Al Mg Si (AA 6063 - T6) MP a 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 C Temperatu r AI Cu Mg Si (AA 2014 -T6) MP a 500 400 300 200 100 0 Temperatu r AI Zn6 Mg Cu (AA 7075- T6) 81

sempelvis svejsning eller mekanisk bearbejdning skal tage s med i betragtning. utilsigtede varmepåvirkninger Varmepåvirkninger, som det er vanskeligt at forholde sig til, er de utilsigtede eller uforudsigelige varmepåvirkninger. Disse varmepåvirkninger kan forekomme både i produktions - og driftsfasen, og som oftest er temperatur-tidsforløbe t ukendt. I disse tilfælde kan det være nødvendigt at udtage prøver ti l kontrol af materialernes styrkeegenskaber. De værste tilfælde er de ikke erkendte varmepåvirkninger, som måske først opdages ved en efterfølgende havarianalyse, efter at overbelastningsbruddet er indtrådt som følge a f en reduktion af materialernes styrke. 82

Spændingskorrosion på aluminium 1 3 Spændingskorrosion er en korrosionsform, der leder til revnedannelse. Ved et passende samspil mellem trækspændinger, miljøets sammensætning og emnets metallografi kan der opstå spændingskorrosionsrevner. Et væsentligt træk ved spændingskorrosion er evnen til at sætte en større konstruktion ud af funktion ved et meget lille materialetab. Lille materialetab kan føre ti l totalhavar i I aluminiumlegeringer er revnedannelsen ved spændings - korrosion normalt interkrystallinsk, men den kan også vær e transkrystallinsk. Korrosionsbetingelserne og spændingsniveauet afgør, hvilken af formerne, der udvikles. Overgangen mellem interkrystallinsk spændingskorrosion og almindelig interkrystallinsk korrosion er jævn. Mekanisk e spændinger vil kunne åbne interkrystallinske revner, hvorved interkrystallinsk korrosion normalt går hurtigere. Dette kaldes spændingsaccellereret korrosion. Udviklingen af spændingskorrosionsbrud opdeles i : Revneinitiering som frem for alt er betinget af aluminiumemnets overfladebeskaffenhed og det aktuelle miljø. Revnevækst, som er afhængig af den lokale spændingskoncentration. Indvirkning af miljø Tilstedeværelsen af en fugtfilm er tilstrækkeligt til at bevirke udvikling af spændingskorrosion i de aluminiumlegeringer, der er mest følsomme for spændingskorrosion. Nedgravning i jord eller neddypning i vand vil i endnu højere grad frem - me spændingskorrosion. 13. 1 Fugt kan føre til havar i Visse forureninger herunder klorider vil fremme følsomheden for spændingskorrosion. Fugtfilm kan opstå bl.a. ved kondensation af luftens fugtindhold pga. anvendelse under skiftende temperaturer. Det kræver derfor grundig overvejelse af risikoen for befugtning un - 83

der drift før valg af en spændingskorrosionsfølsom aluminiumlegering som konstruktionsmateriale. Følsomheden for spændingskorrosion på aluminium kan reduceres ved at styre aluminiumlegeringernes sammensætning, struktur og spændingstilstand. 13.2 Mest følsom for trækspændinger på tværs af valseretning Indvirkning af spændingstilstan d Det er hovedsageligt højstyrke aluminiumlegeringer, som er følsomme for spændingskorrosion. Der er samtidig ofte disse legeringer, der finder anvendelse i bærende konstruktione r og dermed udsættes for statiske trækspændinger. Trækspændingernes størrelse, svingning og retning vil vær e afgørende ved udviklingen af spændingskorrosion se figur 13.1 og 13.2. Legeringer med retningsorienteret struktur vi l være mest følsomme for trækspændinger på tværs af valse - retningen og mest bestandig mod trækspændinger i metal - strukturens længderetning dvs. i valseretningen. Figur 13. 1 Skematisk præsentation a f spændingskorrosionsfølsomhed for legering 7075 T651. Punkt A omgiver den nominelle flyde - spænding i lang tværretning fo r 76 mm plad e ///..... :\\\\\\\\\\\\\\ Lang tværretnin g......... 0 Antallet af dage indtil bru d 90 Udløsende spændinger Det skal bemærkes, at de udløsende spændinger kan stamme fra indre spændinger uden ydre belastninger. Dette skal forstås både som de interne spændinger der optræder i højstyrkelegeringen og de restspændinger der findes i den ubelastede konstruktion grundet f.eks. bearbejdning, svejsning og samlinger. 84

Figur 13. 2 Retningsbetegnelse for valset plade i forhold til valseretninge n u 100 p Indvirkning af legeringssammensætning og struktu r Der er fremsat den teori, at spændingskorrossion i aluminium er betinget af, at zonen omkring korngrænserne i metal - strukturen er mindre ædle end den øvrige matrix, således a t korrosionsangrebet udvikles selektivt langs disse grænser. Når opløste legeringselementer udskilles langs korngrænser - ne og reducerer indholdet af disse elementer i de tilstødend e zoner, vil enten udskillelserne eller zonerne, der støder op ti l partiklerne, være mere anodiske end den omkringliggende matrix. Bestandighed mod spændingskorrosion i de udskillelseshærdende aluminiumlegeringer samt de magnesium - holdige aluminiumlegeringer, opnås ifølge denne teori ved varmebehandling for enten at minimere udskillelserne eller at fordele dem jævnt i hele mikrostrukturen. Undersøgelser har vist, at denne teori til forklaring af spænd - ingskorrosion er mangelfuld. I disse år søges det påvist, a t dannelsen af atomar brint ved reaktionen mellem aluminium og vand eller fugt kan føre til udviklingen af spændingskor - rosion. Trods dette er det stadigvæk alment accepteret, at ud - viklingen af spændingskorrosion i vid udstrækning er elektrokemisk betinget. 13.3 Den galvaniske teor i Brintskørhe d 85

Bestandighed mod spændingskorrosion bl.a. strukturbetinget Eftersom spændingskorrosion på aluminium ofte følge r korngrænserne, har kornstrukturen stor betydning. Mest følsom er korngrænser vinkelrette eller næsten vinkelrette p å trækspændingerne. Specielt følsomme er korngrænserne i re - krystalliserede legeringer. Dette betyder, at et rekrystalliseret emne er mindre resistent overfor spændingskorrosion end et hærdet emne. Det er derfor hensigtsmæssigt at tilsætte legeringselementer, der forhindrer eller modvirker rekrystallisation som for eksempel krom, mangan, zirconium og til del s jern i lave koncentrationer. For høje jernkoncentrationer vi l medfører store udskillelser i strukturen, som reducerer bestandigheden mod spændingskorrosion ved at optræde som lokale spændingscentre. Det er primært de udskillelseshærdende valselegeringer, som er følsomme for spændingskorrosion. Spændingskorrosion optræder kun for legeringer med høj styrke, dvs. de AlCuMg-, AlMg-, AlZnMg- og A1ZnMgCu - holdige legeringer. Som hovedregel gælder det, at aluminiumlegeringer, der er varmebehandlet og/eller deformationshærdet til maksima l styrke, vil være mest følsomme for spændingskorrosion. For støbelegeringerne gælder det, at spændingskorrosion i praksis kun forekommer i de Al-Zn-Mg- og Al-Mg-holdige legeringer. Følsomheden for spændingskorrosion stiger med indholde t af hovedlegeringselementerne bortset fra Cu-indholdet i AlZnMgCu legeringerne, der har den modsatte effekt. Stigende Mg-indhold er derimod mest kritisk for denne legeringsgruppe. AlMg legeringerne er ikke udskilleseshærdende, men i kraft af, at de ofte rummer magnesium i overmættet fastfaseopløsning, vil denne fase kunne dekomponere under udskillelse af en magnesiumholdig fase, AlMg 3, i korngrænserne. Tabel 13.1 viser den relative spændingskorrosionsfølsomhed for en række gængse aluminiumlegeringer. 86

Forebyggelse af spændingskorrosion ved optimering af metalstrukture n En varmebehandling af AlZnMg- og A1ZnMgCu-legeringerne i form af en opløsningsglødning, relativ langsom afkølin g og delvis kunstig overmodning har vist sig at medføre en optimal kombination af bestandighed mod spændingskorrosion og styrke. 13.4 Korrekt varmebehandling ka n reducere følsomheden fo r spændingskorrosio n De A1CuMg-holdige legeringer vil være mest modstands - dygtige overfor spændingskorrosion efter en opløsnings - glødning, hurtig afkøling, deformationshærdning og varm - modning. Resistens mod spændingskorrosion vil for de A1Mg-holdig e legeringer fordre, at udskillelser undgås. Metoden til at opn å dette afhænger af den aktuelle magnesiumkoncentration i le - geringen. Støbelegeringerne kræver omhyggelig behandling med hensyn til støbning, forarbejdning og miljøpåvirkning. 87

Tabel 13.1 Den relative spændingskorrosionsfølsomhed (A-D). (Tabellen er gengivet efter Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 2, sid e 230-31). De relative vurderinger går fra "A" (højeste modstand til "D " (laveste modstand og beskrives således: A:Meget høj. Ingen rapporterede brud fra praksis. B:Høj. Ingen rapporterede brud fra praksis, men forholdsregler må ta - ges for at undgå stående spændinger, der ovrskrider 50% af flydespændingen. C:Middel. Normalt forekommer der ikke spændingskorrosion, hvis de stående spændinger er under 25% af nominelle minimum flyde - spænding. D:Lav. Spændingskorrosion må forventes ved enhver anvendelse, de r involverer stående spændinger i den betragtede retning. I visse produkter forekommer vurderingen kun sjældent for spændinger i de n korte tværretning. Legering Test Valset Stang Extruderede Smeded e og hærdning retning plade og barre profiler emne r 2011 -T3,-T4 L LT KT 2011-T8 L LT KT 2014-T6 L LT KT 2024-T#,-T4 L LT KT 2024-T6 L LT KT 2024-T8 L LT KT 2048-T851 L LT KT 2124-T851 L LT KT 2219-T3,-T37 L LT KT A B(f) D A B(f) D (e ) A A B A A B A A B A B D B D D A A A A D D A D D A B B A A A (e ) (e ) A B(f) D A B(f) D A A B A B D (e ) (e ) (e ) (e ) (e ) (e ) B B(f) A A(f) D A A C 8 8

Legering Test Valset Stang Extruderede Smeded e og hærdning retning plade og barre profiler emner 2219-T6,-T8 L A A A A LT A A A A KT A A A A 6061-T6 L A A A A LT A A A A KT A A A A 7005 -T53,-T63 L A A LT A(f) A(f) KT D D 7039 -T63,-T64 L A A (e ) LT A(f) A(f) (e ) KT D D (e ) 7049-T73 L A A A LT A A A KT A B A 7049-T76 L A (e ) LT A (e ) KT C (e ) 7149-T73 L A A LT A A KT B A 7050-T736 L A A A LT A A A KT B B B 7050-T76 L A A A (e ) LT A B A (e ) KT C B C (e ) 7075-T6 L A A A A LT B(f) D B(f) B(f) KT D D D D 7075-T73 L A A A A LT A A A A KT A A A A 7075-T736 L A LT A KT B 7075-T76 L A A (e ) LT A A (e ) KT C C Fortsættes 4-89

Legering Test Valset Stang Extruderede Smedede og hærdning retning plade og barre profiler emner 7175-T736 L LT KT (e ) (e ) (e ) (e ) A A B 7475-T6 L LT KT A B(f) D (e ) (e ) 7475-T73 L LT KT A A C (e ) (e ) 7475-T76 L LT KT A A C (e ) (e ) 7178-T6 L LT KT A B(f) D (e ) A B(f) D 7178-T76 L LT KT A A C A A C 7079-T6 L LT A B(f) A B(f) A B(f) KT D D D9 90

LME (Liquid Metal Embrittlement) i aluminiu m 1 4 LME eller flydende metalforsprødning/metalindtrængnin g generelt, er tidligere gennemgået i afsnit 4.3. For aluminium er det som nævnt metallerne tin (Sn), gallium (Ga), natrium (Na), indium (In), zink (Zn), kviksølv (Hg) og dets legeringer samt tin-zink-legeringer og bly-tin-legeringer, som kan forårsage LME. I praksis vil problemer primært kunne opstå, hvor aluminum opvarmes til over disse metallers og metallegeringers smeltepunkt. Smeltepunkter for en del af disse er vist i tabel 14.1. Under specielle tøjningsforhold kan f.eks. tin give nedsat duktilitet, også under tins smeltepunkt. Andre afgørende faktorer er vædningsegenskaber af det flydende metal o g trækspændingsniveau. Aluminium og dets legeringer vil generelt være mere følsomt for LME i stærkt kolddeformeret eller modningshærdet tilstand. Tabel 14.1 Smeltepunkt for metaller og legeringer, som kan forårsage LME i aluminiu m Metal(-legering ) Tin Sn Gallium Ga Natrium Na Indium In Zink Zn Kviksølv Hg Kviksølv-legeringe r Tin-zin k Bly-tin Smeltepunkt" C 23 2 30 98 15 5 41 7 ca. -39-39 til smeltepunktet Tm for legeringselement, do g -48 ved 2,8% Na i Hg 198 ved 85% Sn 183 ved 26,1% Pb * For legeringer er angivet laveste smeltepunkt og legeringsforhol d ved samme, jvf. fasediagrammer i Constitution of Binary Alloys; Han - sen, Elliot. 91

En praktisk følge er, at svejsning ikke kan foretages risikofrit på emner, hvor disse stoffer er tilstede i den varmepåvirked e zone. Lodning kan foretages med sædvanlige loddemetaller til blødlodning. Men trækspændinger i loddezonen kan med - føre LME. En afspændingsglødning forud for lodningen ka n eliminere eventuelle restspændinger, og for de højest smeltelige legeringer, f.eks. zinkbaserede lod, vil loddetemperaturen automatisk udgløde stående restspændinger. Geometri af loddesamlingen og opvarmningsforhold skal tilrettelægge s således, at der ikke introduceres trækspændinger i de varme - påvirkede zoner under lodning og afkøling. Et eksempel på aluminiumkonstruktioner, hvor risiko fo r LME tages yderst alvorligt, er fly. Der er således kraftige restriktioner for transport af kviksølvholdige instrumente r m.m. Kviksølv og mange af dets legeringer er, som det frem - går af tabel 14.1, flydende ved stuetemperatur og kan derfor bevæge sig til skjulte dele af konstruktionen. Her kan metallet forårsage LME direkte, dog kun som en mindre forringelse af mekaniske egenskaber. Ved en eventuel videre reaktion med andre stoffer kan bl.a. forøget vædning føre til alvorlige skader. 92

Udmattelse af aluminium 1 5 I komponenter, der udsættes for svingende belastning kan der opstå udmattelsesbrud jvf kap 2. Generelt er aluminiums udmattelsesstyrke lav i relation til Aluminiums udmattelsesstyrke er andre konstruktionsmaterialer. Det er en tommelfingeregel, ca. 1/3 af stål s at aluminiums udmattelsesstyrke er ca. 1/3 af ståls. Udmattelsesstyrken for aluminium afhænger af en lang række faktorer herunder legeringstype, tilstand, forarbejdnings - metode, belastningstype og overfladens egenskaber. Legeringstype og tilstand Valselegeringerne vil gennemgående være mere bestandig mod udmattelse end støbelegeringerne. I støbelegeringerne vil støbestrukturen indeholde defekter så som porer, udskillelser og sejringer som vil reducere udmattelsesstyrken. 15. 1 For aluminium gælder det, at med stigende flydespænding øges trækstyrken. Sammenhængen mellem trækstyrke og udmattelsesstyrke vil for de deformationshærdelige aluminiumlegeringer være liniær. De modningshærdende aluminiumlegeringer viser derimod ikke liniaritet mellem trækstyrke og udmattelsesstyrke. Udmattelsesstyrken når efter kort tids modningshærdning sit optimum, hvilket indtræffer fø r den maksimale trækstyrke er opnået, hvorfor de modnings - hærdende medium- og højstyrke aluminiumlegeringer stor t set uafhængigt af flydespændingen har samme udmattelses - styrke. Overfladens finish og emnets geometri Det er vigtigt at sikre sig, at overfladen af aluminiumemne t som skal udsættes for svingende belastning har en optima l overfladefinish. Jo ringere overfladefinish emnet har desto mindre vil udmattelsesstyrken være i forhold til en perfekt prøve. Dette skyldes at overfladedefekter som f.eks. partikler, revner eller korrosionsangreb kan optræde som kærve, de r lokalt hæver spændingen. Denne effekt betegnes kærvvirk- 15.2 Ringe overfladefinish medfør e ringe udmattelsesbestandighed 93

vingen. Af figur 15.1 ses, hvordan en kærv reducerer udmattelsesstyrken i forhold til emnet uden kærv. Endvidere er geometrien for aluminiumemnet afgørende for udmattelsesbestandigheden. Skarpe dimensionsovergange og konkave hjørner vil kunne medføre kraftige spændings - koncentrationer. Figur 15. 1 Spændingen for udma ttelses - belastede aluminiumemner med og uden kærv er afbildet so m funktion af antallet af cykler. Det ses, at overfladedefekter i form af kærver kan reducer e udmattelsesstyrken. Denn e effekt betegnes kærvvirkningen MPa108 4-3 - 2-102 10 3 10 4 105 106 107 108 Cykle r 15.3 Svejsesamlinger medfører kærv - dannels e Svejste konstruktioner Levetiden for udmattelsespåvirkede svejste aluminiumkonstruktioner varierer med legeringstypen. Udmattelsesstyrken vil være mellem 50-70% af den oprindelige styrke af d e usvejste emner. Ved svejsning indbygges alvorlige kærver i en konstruktion. Selv om der udføres 100% kontrol med røntgen eller ultralyd, vil der i en større svejste konstruktion som regel være defekter, som reducerer konstruktionens udmattelsesstyrke. 15.4 Udvikling af udmattelsesbru d Ved udmattelsespåvirkning af en fejlfri og poleret komponent vil hovedparten af dens levetid forløbe, uden at der ske r synlig skade. Indledningsvis sker skadeudviklingen i dislo- 94

kationsstrukturen inden for de enkelte korn i metallet, hvilket kun kan ses ved undersøgelse i elektronmikroskop. Når der optræder synlige skader, vil brudforløb kun tager ca. 5 ti l 10% af den totale levetid, selv med en meget stor spredning i den oprindelige størrelse af den "defekt", der udløser brud - det. Når udmattelsesrevner kan ses, vil konstruktionens restleveti d oftest være meget begrænse t Det er derfor nødvendigt ved design af aluminiumkonstruktioner at kunne estimere og optimere levetiden, før udmattelsesbrud indtræder, udfra udmattelsesdata for de enkelte komponenter i konstruktionen. Brudmekanisk metode I Wöhler-kurverne skelnes der ikke mellem antallet af svingninger, der skal til for at starte en revne og antallet af svingninger, der giver revnevækst, og de er derfor i princippe t ubrugelige til design af konstruktioner med indbyggede fejl. Det er derfor nødvendigt at udføre egentlig brudmekanisk prøvning på kærvede emner. 15.5 Brudmekaniske undersøgelse r bruges ved design af udmattelsesbelastede konstruktioner me d indbyggede fej l I kapitel 13 blev beskrevet, hvorledes påvirkningen ved en revnespids beskrives ved en kombination af spændingen og revnedybden, den såkaldte spændingsintensitet. Helt analogt spændingsintensitet gælder for en spænding, der varierer med amplituden Au : OQK = Y AQ Vahvor AK nu er spændingsintensitets-amplituden, mens a og Y som før er hhv. revnedybden og en konstant, der beskriver geometrien i øvrigt. I stedet for Wöhler-kurvernes r afsættes OK, og i stedet for antal påvirkninger til brud afsættes revnetilvækst pr. påvirkning, og man får en kurve som fig. 15.2, hvor revnehastigheden, da/dn, er afbildet som funktion af spændingsintensitetsvariationen. I midterområdet gælder en simpel potens-sammenhæng mellem revnevækst- hastighed og OK, kaldet Paris' lov : Paris' lo v da /dn = A (AK) n For gængse aluminiumlegeringer og under forhold, hvor der ikke optræder bidrag fra sprødbrud eller korrosion, er kan n 95

Figur 15.2 Udmattelses revnehastighede n da/dn afbildet som funktion a f spændingsintensitetsvariatione n OK. Det kan konstateres, at sammenhængen mellem revnehastighed og spændingsintensitets variationen er næsten identisk e for de viste legeringer 7050-T736 7175 - T 736 2219-T851 7079 - T 651 2618-T6 2024-T8 1 7075 - T 6 2024-T 3 2048 - T 85 1 7475-T 6 5456-H11 7 z 2020 - T 651 ' ~a 10-~ - 7475 - T 65 1 / 7079-T65 1 s,2048-t85 1 rn ß 10 e 0 10 20 30 40 Cyklisk spændingsintensitetsinterval, O k 50 60 MPa ligge på 3-5 og A på 10-10-10-11 (MPaN/Fn)-1/, når OK indsæt - tes i MPa~, og da/dn måles i m/påvirkning. Når AK bliver så stor, at den maksimale belastning nærmer sig den statisk kritiske spændingsintensitet (KIc), bliver revnevæksten pr. påvirkning meget stor; i den yderste grænse naturligvis totalt brud for en påvirkning. Denne værdi afhænger stærkt af mikrostrukturen. 96

Korrosionsudmattelse af aluminium 1 6 Korrosionsudmattelse er et fænomen, der optræder, når en komponent samtidig udsættes for varierende mekaniske belastninger og et korrosivt angreb. Kombination af korrosion og udmattelsespåvirkning Det bør nævnes, at selv udmattelse i luft i princippet er en form for korrosionsudmattelse. Forsøg udført i vacuum eller inaktive gasser viser længere levetider end tilsvarende forsø g udført i luft. I almindelighed henregnes udmattelse i atmosfærens luf t imidlertid ikke til korrosionsudmattelse, men man skal være opmærksom på, at ændringer i luftfugtigheden kan ændre levetiden. Endvidere skal man huske på, at langt de fleste udmattelsesdata der findes i kataloger og den tekniske litteratur er baseret på målinger og forsøg udført i en normal indendørs atmosfære. Det er ikke muligt inden for rammerne af dette kursus a t gennemgå de forskellige aluminiumlegeringers udmattelsesegenskaber ved kombination af et i princippet uendeligt antal miljøfaktorer. Alligevel kan der fremdrages visse generali - seringer. Effekten af korrosion nedsættes med stigende frekvens af udmattelsespåvirkningen. Levetiden målt i antal påvirkninger til brud forøges med stigende frekvens. Forklaringen er, a t der bliver mindre tid pr. påvirkning for det korrosive an - grebs skadelige virkning. En lignende anskuelse kan også gøres gældende for udmattelsespåvirkninger ved høje belastninger sammenlignet me d lave belastninger. Levetiden er, alt andet lige, kort ved høje udmattelsesbelastninger, hvor korrosionsangrebenes udvikling er begrænset tidsmæssigt. Effekten af korrosion er altså størst ved de lave belastninger, hvor levetiden er relativt længere. Korrosionseffekt størst ved la v frekven s Forsøg har vist, at effekten af korrosion er størst i revneinitieringsfasen og under den begyndende, langsomme revne- 97

vækst. I revneudbredelsesfasen er effekten af korrosion mere begrænset. F.eks. sås ingen effekt af 3,5% saltvand på revnevæksthastigheden ved AK > 14 MPa for 2024-T3 og ved AK > 27 MPa for 7075-T6. En forklaring kan være, at korrosion specielt angriber inklusioner, korngrænser, dislokations pile-ups eller andre diskon - tinuiteter, der virker som barrierer mod slip. Når disse barrierer nedbrydes, lettes den plastiske deformation i revnespidsen med en øget revnedannelse til følge. Ved de højere AKværdier er barriererne uden betydning, fordi spændingerne er høje nok til at aktivere slip uden om barriererne. Begge ovennævnte legeringer viste dog en stigende revne - væksthas ti ghed med aftagende frekvens. Også det omgivende miljøs temperatur har betydning for le - Figur 16. 1 Det ses hvorledes aluminium i relation til andre gængse metaller har begrænset korrosionsudmattelsesstyrke i haveand MN/m 2 500 _ Typiske korrosions udmattelsesstyrk e 70 (haveand, N = 108 cykler, R = -1 ) _ omgivende ////////77/A temperatur 60 400 Rustfrit stål, titanium legeringe r (e.g. Ti - 6AI - 4V) 50 ks i 300 40, 200 b ai Y Y ~ ~ 100 E -a c O O O \\\\\\\\\\ %/ 0 &%N\~ ~%. ~ ~. y Nikkellegeringe r (e.g. 600 og 800) austenitisk Rustfrit ferritisk } stå l martensitisk - kobber - nikkellegeringe r Kulstof stål Lavt legerede stå l Aluminium legeringer Magnesium legeringer 30 20 1 0 0 98

vetiden. For alle aluminiumlegeringer gælder det, at levetiden reduceres med stigende temperatur. Specielt ved temperaturer over 100 C bliver reduktionen markant. Generelt kan det siges, at aluminiums bestandighed mod korrosionsudmattelse er ringe. Figur 16.1 viser, hvorlede s aluminium i relation til andre gængse metaller har begrænse t korrosionsudmattelsesstyrke i havvand. Aluminium har ringe bestandig - hed mod korrosionsudmattels e Kloridholdige miljøer, som f.eks. havvand, udgør for aluminium meget korrosive miljøer, som i kombination med udmattelsespåvirkning, medfører meget begrænset bestandighed mod korrosionsudmattelse. MN/m 2 500 400 Trækstyrke O Flydespændin g q Udmattelsesstyrke i luft Udmattelsesstyrke i havvan d Udmattelsesstyrke iflodvand Glatte emne r Stuetemperatu r ks i 80 70 60 Figur 16. 2 Det kan konstateres, at på trods af store forskelle i trækstyrke og flydespænding er udmattelsesstyrken omtrent identisk for d e forskellige aluminium legeringe r 50 300 40 200 3 0 100, 2 0 b a) 10 ba) Y a N 0 O O O N N V m ~ V lo m ~O ~D l0 m H F n r r- r 0 0 2 S. 1 x m m 00 0 ö 0 m n n ~ n ~ co co O ~ O n0 0 0,O N n N. n an Nn 0111 N n 0 0 Y N 9 9

Bestandigheden mod korrosions - udmattelse ensartet for aluminiumlegeringe r I de vandige miljøer vil de mere korrosionsbestandige lege - ringer, herunder de AlMg- og A1MgSi-holdige legeringer, være lidt mindre udsat for reduktion af udmattelsesstyrken end de mere korrosionsfølsomme AlCu- og AIZnMg-holdig e legeringer. Generelt afviger de kommercielt tilgængelige aluminiumlegeringer ikke væsentligt fra hinanden. Figur 16.2 viser således, at på trods af store forskelle i trækstyrke og flydespænding er udmattelsesstyrken omtrent identisk for de forskellige aluminiumlegeringer. Endvidere synes forskellene at blive mindre i takt med, at miljøet bliver mere korro - sivt. Katodisk beskyttelse, der helt eller delvist kan forhindre korrosion, har følgelig en gavnlig effekt på aluminiumlegeringernes korrosionsudmattelsesegenskaber. Al-clad plade, hvor den yderste renaluminiumplade har go d korrosionsbestandighed, har ikke nødvendigvis tilsvarende gode korrosionsudmattelsesegenskaber. Forklaringen er, a t renaluminium på grund af den lave styrke, relativt hurtigt udvikler sliplinier, der virker som kim ved revneinitieringen. Aluminiums korrosionsbestandighed kan forbedres ved anodisering, hvor aluminiums naturlige oxidlag fortykkes, evt. indfarves og imprægneres (sealing). Dog forøger anodiseringen kun bestandigheden tidsmæssigt, fordi det dannede oxidlag nedbrydes af de samme faktorer som aluminium s naturlige oxidlag. Anodiseringslaget er sprødt og vil ved udmattelsespåvirkning sprække. Dette indebærer, at anodiseringslagets korrosionsbeskyttende effekt ophører i de belastede zoner og a t der induceres kærver i overfladen. Alt i alt vil anodisering reducere aluminiums udmattelseskorrosionsbestandighed. Bedste beskyttelse mod korrosionsudmattelse opnås med malingbelægninger Malingbelægninger vil virke korrosionsbeskyttende på aluminium og vil herunder tilføre aluminiumemnet større bestandighed mod korrosionsudmattelse. Udmattelsespåvirkninger vil på grund af malingbelægningers høje duktilite t normalt ikke føre til revner i disse belægninger og derme d ikke reducere deres korrosionsbeskyttende effekt. Såfremt der skulle opstå beskadigelser af aluminiumemnets malingbelægning i udmattelsespåvirkede zoner, kan disse i modsætning til anodiseringslaget udbedres. 100

Aluminiums slidbestandighed 1 7 Generelt er aluminiums slidbestandighed ringe og normalt ikke anvendeligt under slidende forhold, men bl.a. ford i automobil- og motorcykelindistrien ønsker at konstruere biler med så optimale effekt/vægt forhold som muligt, er aluminiumlegeringerne i en lang årrække søgt anvendt selv under slidende forhold. Derudover er høj varmeledningsevn e og lav udvidelseskoefficient i denne sammenhæng ønskværdige materialeegenskaber. Ringe slidbestandighed Allerede omkring 1920 begyndte aluminiumlegeringerne a t erstatte støbejern som konstruktionsmateriale til stempler i forbrændingsmotorer pga. deres lave vægtfylde. Aluminiumlegeringer med høje siliciumindhold (15-25%) evt. produceret som pulvermetallurgisk materiale med 3-4% SiC- eller Si 3N4-partikler medfører for aluminium en høj slidbestandighed og lav varmeudvidelseskoeffiicient. Slidbestandigheden er dog stadigvæk lavere end fx ståls. Endelig søges aluminium anvendt som metalmatrix i kompositmaterialer med keramiske whiskers eller fibre. Fiberforstærkede aluminiumlegeringer har dog indtil videre ku n fundet mindre anvendelse i automobilindustrien. 1.01

102

Kontrol/inspektion af anlæg 1 8 Det er normalt, at anlæg slides/nedbrydes i et vist omfang under drift. Der er naturligvis komponenter, som er designet til at holde i hele anlæggets levetid, hvis dette er muligt. De komponenter, som ikke er i stand til at holde i hele an - læggets levetid, er det vigtigt at kunne kontrollere under driften, helst uden driftsstop. Udskiftning kan på denn e måde planlægges og foretages på et passende tidspunkt under normalt driftstop - "shut down". Der eksisterer en række ikke destruktive metoder (NDT - Non Destructive Testing) til undersøgelse af anlæg, og nogle metoder kan anvendes under drift. I det følgende vil principperne for nogle af de almindeligs t anvendte NDT-metoder blive beskrevet kort. Flere metode r og detaljerede beskrivelser af alle metoderne findes samlet i en bog: NDE Ståbi - Metoder til ikke-destruktiv tilstandskontrol, hvor NDE står for Non Destructive Examination. Des - uden kan der henvises til modul S8, hvor der vil finde en detaljeret gennemgang sted i relation til de forskellige fejltyper. Radiografisk undersøgelse Der optages en radiografisk film ved hjælp af enten røntgen - stråler fra et røntgenapparat eller gamma-stråler fra en radio - aktiv isotop. Filmen vil afsløre områder med manglende materiale i stråleretningen, f.eks. hulrum, revner, reduceret godstykkelse o.s.v. Metoden registrerer kun fejl med en vis tykkelse i stråleretvingen. 18.1 Kun fejl med en vis tykkelse i stråleretninge n Metodernes følsomhed er forskellig. Røntgen er mest følsom, men også vanskeligere og undertiden umulig at anvende i praksis på grund af pladsmangel. Begge metoder kan ved passende isolerende mellemlæg an - vendes på komponenter med højere temperaturer ; men føl- 103

somheden bliver dårligere i takt med tykkelsen af de nødvendige mellemlæg. Supplerende må det siges, at undersøgelse af rørsystemer giver et langt bedre resultat, hvis systemet er tømt ; men undersøgelse i væskefyldt tilstand er undertiden mulig. Radiografisk undersøgelse kan anvendes på alle materialetyper. Principskitse se figur 18.1 : Figur 18. 1 Radiografisk gennemstrålin g med filmeksponering 1 2 Ilsomemomr. 18.2 Ultralydundersøgelse Man sender en lydstråle fra et prøvehoved ind i materialet under en kendt vinkel. Denne lydstråle, der vil reflekteres fra fejl med en vis udstrækning, bliver modtaget igen i prøvehovedets modtagerdel. På grundlag af prøvehovedets data og målbare afstande/dimensioner kan operatøren beregne fejlens størrelse og placering. Denne metode registrerer plane fejl i materialerne, f.eks. revner, bindingsfejl i svejsninger og større korroderede områder. Indre fejl og fejl ud til overfladerne Metoden kan afsløre både indre fejl og fejl, der går ud ti l overfladerne af materialet. Det er muligt at undersøge komponenter, som er væskefyldt. Alle typer aluminiumlegeringer kan undersøges, uanset den anvendte fremstillingsproces, d.v.s. valset, extruderet elle r støbt aluminium. 104

Supplerende kan det oplyses, at metoden normalt kan anvendes på valsede materialer, f.eks. stål og rustfrit stål, medens støbt materiale af rustfrit stål, herunder svejsemetal, som regel ikke kan undersøges. Principskitse se figur 18.2 : Figur 18. 2 Ultralydundersøgelse af svejsesøm Kapillarfarveprøvning Prøvningen foretages ved at påføre en penetrerende, stærk t farvet væske (rød) på materialeoverfladen, som skal under - søges. Væsken vil ved bl.a. kapillarvirkningen suges med i revner og lignende fejl i materialeoverfladen. Overfladen rengøres efter nogle minutters eksponering for overskydend e rød farve. Derpå tilføres overfladen en fremkaldervæske med kridtpulver, som suger en del af den røde farve op og danner et tilsvarende rødt monster på den hvide overflade. 18.3 Det er et krav, at overfladen er helt ren inden prøvning, d a urenheder, f.eks. olie m.m., vil forhindre den røde væske i a t trænge ind i eventuelle fejl. Det skal også fremhæves, at undersøgelse af slebne overflader undertiden er prpblematisk, da overfladematerialet kan være tværet og derved have lukket eventuelle defekter. Metoden afslører kun fejl, der er åbne til materialeoverfladen. 105 Kun fejl åbne til materialeoverflade n

Kapillarfarveprøvning kan anvendes på alle materialetyper. Metoden bruges som regel til undersøgelse af materialer, som ikke er egnet til magnetoflux-undersøgelse, der er e n væsentlig mere følsom metode. Principskitse se figur 18.3 : Figur 18. 3 Kapillarfarveprøvning. 1. Rengøring af emne, fejl ikk e synlig. 2. Påsprøjtning og indtrængning af kapillarvæske. 3. Afrensning af overskydende kapillarvæske. Revnen ikk e synlig. 4. Påsprøjtning af fremkalder. Revnen fremtræder i stær k kontrast, klar til inspektion 1. 2. 3. 4. 18.4 Fejl i materialeoverfladen Hvi rve lstrømsundersøgel se Der induceres en hvirvelstrøm i grundmaterialet. Man kan ved hjælp af elektriske målemetoder registrere områder, hvo r overfladematerialets induktionsmæssige egenskaber er unormale og dermed afsløre fejl i materialeoverfladen, f.eks. revner og pittings (korrosionsgruber). Metoden kan også anvendes på overflader, som ikke umiddelbart kan inspiceres, f.eks. indvendig i rør, hvorfor metoden er meget attraktiv til undersøgelse af rørvarmevekslere. Man har anvendt metoden i mange år på materialer, so m ikke er ferromagnetiske. I de senere år er det også blevet muligt i en vis udstrækning at bruge metoden på ferromagnetiske materialer. 106

Principskitse se figur 18.4 : Figur 18. 4 Hvirvelstromsundersogelse Trykprøvning 18. 5 Den almindeligste, ældste prøvemetode er trykprøvning. Den undersøgte komponent udsættes for indvendig overtryk med luft eller vand. Inspektionen foretages ved, at komponenten neddyppes i vandbad ved prøvning med luft, og direkte, eventuelt ved påsprøjtning af kridtpulver, ved prøvning med vand. Prøvningen afslører fejl, der er gennemgående i materialet. Metoden, der kan anvendes på alle materialetyper, er ikke særlig følsom. Gennemgående fej l Ikke særlig følso m Lækprøvning (Leak-test) Det er en art tryk- eller vacuumprøvning, hvor komponenten udsættes for et overtryk eller undertryk samtidig med, at "tryksiden" indeholder et sporstof, f.eks. freon. "Lavtryksiden" afsøges med en sonde, som registrerer selv meget få molekyler af sporstoffet. Prøvningen afslører fejl, der er gennemgående i materialet. Metoden, der er meget følsom, kan anvendes på alle materialetyper. 18.6 Gennemgående fej l Meget følso m Skades- og havarianalyser 18. 7 Det er normalt at undersøge komponenter, som er blevet defekte. Der kan være tale om lokale fejl, f.eks. revnedannelser, eller totale sammenbrud, som normalt benævnes havari. Skades- og havarianalysers primære formål er at fastlægge Primære formål er at fastlægg e skadesmekanisme n 107

skadesmekanismen entydigt. Derpå kan resultatet af analysen bruges på forskellig måde til at placere et ansva r udarbejde en eventuel reparationsprocedure eller udskiftning foretage redesign, herunder ændring af materiale ændre driftsbetingelser for fremtidig drift Kræver stor faglig ekspertise Skades- og havarianalyser kræver ofte stor faglig ekspertis e på områderne metallurgi, kemi, fysik, brudmekanik, konstruktiv udformning, fremstillingsprocesser, f.eks. svejsning, for blot at nævne nogle af de mest iøjnefaldende discipliner. En skadesanalyse kan være en meget kompleks sag, og det er helt afgørende, at opklaringen fører til korrekt konklusion, da eventuel reparation m.m. ellers vil være spildt, eventuel t direkte forværrende på problemerne. Der kan jo også være tale om fejlagtig placering af ansvar i forbindelse med personskader med deraf følgende menneskelige konsekvenser. 18.7.1 Arbejdsgang Selve forløbet af skades- og havarianalyser består af en ræk - ke principielle handlinger, som det er gengivet nedenfor. Rækkefølgen af de enkelte punkter kan, ligesom antallet o g omfanget af punkterne, variere fra sag til sag. 1. Besigtigelse af skader, eventuelt med fastlæggelse a f brudforløb, specielt primærskade og sekundære skader. 2. Indsamling af alle relevante data for konstruktionen o g driften, herunder eventuelle driftsuregelmæssigheder. 3. NDT-undersøgelser for fastlæggelse af det totale skadebillede. 4. Udvælgelse og udtagning af repræsentative prøver base - ret på resultaterne af dels den visuelle inspektion og dels NDT-undersøgelserne. Proceduren for udtagningen er meget vigtig, idet karakteristika for skadesfænomenerne let kan ødelægges for videregående undersøgelser. NB : Identifikation af prøverne er vigtig! 108

5. Makroskopiske undersøgelser. Visuel undersøgelse af brudflader, sekundærrevner o g andre fænomener. 6. Mikroskopisk undersøgelse. Undersøgelse af brudflader i lysoptisk stereomikroskop og SEM (Scanning Electron Microscope). 7. Udvælgelse og fremstilling af mikroslib. 8. Undersøgelse af mikroslib i lysoptisk mikroskop. 9. Fastlæggelse af skadesmekanismen på grundlag af resul - taterne af makro- og mikroundersøgelserne. 10. Kemisk analyse incl. analyser af korrosionsprodukter, af - lejringer, belægninger m.m. 11. Mekanisk prøvning. 12. Brudmekaniske beregninger. 13.Samlet gennemgang og vurdering af alle observationer og undersøgelsesresultater. 14.Konklusion og rapport med endelig fastlæggelse af skadesårsag. Det er uden for rammerne af dette indlæg at gå i detaljer med de enkelte punkter i ovenstående liste. Det skal dog understreges, at skades- og havarianalyser kan kompliceres væsentligt og opklaring umuliggøres, hvis de havarerede dele behandles forkert. Derfor skal De helst omgående tilkalde hjælp fra erfarne specialister, bl.a. metallurger, for at forhin - dre vigtige detaljer i at gå tabt. Skades- og havarianalyser ka n kompliceres væsentlig t Den egentlige skades- og havariundersøgelse slutter me d fastlæggelse af skadesårsagen, hvilket oftest kun er tilstræk - keligt til placering af et ansvar. I praksis er fortsættelsen mindst lige så vigtig, da virksomheden oftest skal producere videre, hvorfor udarbejdelse af reparationsprocedure, herunder eventuel udskiftning, ændrin g af materialer, ændring af driftsbetingelser o.s.v. er vigtig fo r 109

Lære af fejltagelserne! at undgå skader i fremtiden samt at minimere fremtidige ud - gifter. Husk, at det er vigtigt at lære af fejltagelserne! 18.7. 2 Fremstillings- og driftsbetingede fejl Årsager til skader og havarier Der er mangfoldige årsager til, at skader og havarier sker; men årsagerne kan groft deles op i to hovedgrupper, hvilke er fremstillings- og driftsbetingede fejl. Eksempler på fremstillingsbetingede fejl : Design/konstruktiv udformnin g Materialevalg Materialefejl Fabrikation Sammenføjningsfejl Lagring Forsendels e Eksempler på driftsbetingede fejl: Mekanisk overbelastning Sprødt brud Udmattelse Krybning Brintskørhe d Spændingskorrosio n LME (Liquid Metal Embrittlement = flydende metalind - trængning) Korrosio n Slid Det er imidlertid ofte således, at flere typer fejl/nedbrydningsmekanismer optræder i kombination. Det er derfor uhyre vigtigt at få fastlagt det sande skadesforløb, hvor man får fastslået den primære defekt, medens sekundære skader kan være helt uinteressante. Et brud kan umiddelbart godt se ud som et rent udmattelses - brud. Men en nærmere metallurgisk undersøgelse viser, a t udmattelsesrevner er startet ud fra mikrorevner fremkaldt a f spændingskorrosion. Omvendt kan en primær udmattelsesrevne medføre sekundære revner som følge af spændings - korrosion. Metallurgiske undersøgelser Det er i denne forbindelse de metallurgiske undersøgelser i 110

elektron- og lysoptiske mikroskoper har enestående værdi, fordi disse instrumenter kan afsløre, hvilke mekanismer, som har medvirket i skadesforløbet, da de forskellige nedbrydningsmekanismer heldigvis har forskellige karakteristika. Dette indlæg om skades- og havariundersøgelser er udarbejdet som en kort orientering for at gøre opmærksom på d e muligheder og værdier, denne type undersøgelser kan have. Når man til daglig beskæftiger sig med skades- og havariundersøgelser og ved, hvilken nytte man kan drage af resultaterne, må man undertiden undre sig over, at denne mulighe d ikke benyttes oftere. Det er vigtigt at fastslå karakteren af eventuelle fejl i såve l fremstillings- som driftsfasen så hurtigt som muligt, sålede s at korrekte ændringer hurtigst muligt kan gennemføres. 111

112

Stikord Abrasivt slid 2 4 Adhæsivt slid 2 4 Afspænding 79 Al-clad 57, 10 0 Alkaliske miljøer 5 7 Anodeproces 2 8 Anodisering 100 Arealforhold 35 Atmosfæris k eksponering 65 Atmosfærisk korrosion 66 Atmosfærisk korrosionsdata 6 6 Benzotriazol 54 Blisterdannelse 44 Blødgjort vand 58 Brintangreb 40 Brintelektroden 3 1 Brintskade r (hydrogenskader) 44 Brintskørhed 4 5 Brugsvand 5 7 Calomelektroden 3 1 Compoundmaterialer 5 7 Dampsystemer 5 8 Delaminering 75 Driftsbetingede fejl 11 0 Elasticitetsmodulet 1 8 Elastiske område 1 8 Erosion 2 3 Erosionskorrosion 49 Exfoliationskorrosion 75 Fiberforstærked e aluminiumlegeringer 10 1 Fjerne forureningen p å aluminiumoverfladerne 66 Flydespænding 18, 77 Forhøjede driftstemperaturer 77 Forskydningsspænding 1 6 Fremstillingsbetingede fejl 110 Galvanisk korrosion 34, 5 8 Generel korrosion 32 Geografisk position 6 5 Grubetæring 32 Hook's lov 1 8 Hvirvelstrøms - undersøgelse 106 Hydrider 4 6 Hydrogenangreb 40, 45 Hygroskopisk 6 6 Højtemperaturkorrosion 36 Ikke erkendte varmepåvirkninger 8 2 Iltbetinget korrosion 28 Iltindhold 5 2 Iltkoncentrationselement 34, 6 3 Inhibitorer 6 0 Interkrystallinsk korrosion 3 6 Interkrystallinsk 8 3 Intermetallisk e forbindelser 5 7 Kalciumaluminat 6 4 Kapillarfarveprøvning 105 Katodeproces 28 Katodisk beskyttelse 59, 100 Kavitationserosion 2 5 Kaviteter 22, 25 Kobber/kobbersulfatelektroden 3 1 Kobberholdig e Al-legeringer 5 6 Komplexbindere 54 Kontrol/inspektion 103 Korrosionshastigheder 32 Korrosionspotentiale 29 Korrosionsprocesser 2 7 Korrosionsprodukter 2 9 Korrosionsudmattelse 47, 9 7 Korrosiv jord 63 Kortvarig opvarmning 7 8 Krybebrudstyrke 23, 7 8 Krybehastighed 23 Krybekurve 2 3 Krybestyrke 2 3 Krybning 22, 77 Kvælstofangreb 41 Lagdelingskorrosion 75 Ledningsevne 5 3 Levetid 94 LME (Liquid Metal Embrittlement) 9 1 Ludskørhed 4 3 Lækprøvnin g (Leak-test) 10 7 Magnesium-siliciumholdige Al-legeringer 5 7 Magnesiumholdig e Al-legeringer 5 7 Malingbelægninger 10 0 Manganholdig e Al-legeringer 5 6 Metalforsprødning 9 1 Metalindtrængning 9 1 Metaltræthed 1 9 NDT 10 3 Normalkraft 1 6 Normalpotentialer 3 0 Opkulning 4 0 Overbelastningsbrud 17, 1 9 Overfladebehandling 60 Overfladefinish 93 Overfladeforurening 65 113

Overmodning 79 Oxidationskoefficient 37 Oxidhinde 55 Paris' lov 95 ph 5 1 Pitting 7 1 Pittingpotential 33, 71 Plastiske område 1 9 Polymerbelægninger 2 5 Potentialer 2 9 Potentialmålinger 27 Pulvermetallurgisk materiale 10 1 R-forholdet 2 1 Radioaktiv isotop 103 Radiografisk undersøgelse 103 Redoxpotential 3 1 Rene Al-legeringer 56 Repassiveringspotentialet 72 Restspændinger 84 Revnedannelse 45 Revneinitiering 8 3 Revneudbredelsesfasen 98 Revnevækst 83,97 Revnevæksthastigheden 98 Røggasser 69 Røntgen 103 Salte 5 4 Selektiv korrosion 35 Sfæroidisere 76 Shotpeening 44 Siliciumholdige Al-legeringer 56 Skades- og havarianalyser 107 Skalningstemperatur 3 7 Slid 2 3 Slid + Korrosion 49 Slidbestandighed 10 1 Slidstærkt 24 Spænding, R0,2 1 8 Spænding 1 5 Spændingsaccellereret 83 Spændingsintensitet 95 Spændingskorrosionsbrud 83 Spændingskorrosionsrevner 8 3 Spændingskorrosion 4 3 Spændingsniveau 8 3 Spændingsrække 30 Styrkereduktion 79 Sulfidkorrosion 39 Svejsning 94 Svovlsyrekorrosion 1 7 Syrebetinget korrosion 28 Temperatur 53,5 4 Temperaturpåvirkning 79 Tildækningskorrosion 3 4 Titankarbid 25 Titannitrid 25 Transkrystallinsk 83 Trykprøvning 10 7 Trækhastighed 77 Trækstyrke 18, 19, 77 Tværkraft 1 6 Tøjning 1 7 Tøjningshastighed 2 3 Udløsende spændinger 84 Udmattelsesbrud 1 9 Udmattelsesdata 9 7 Udmattelsesgrænse 22 Udmattelsesstyrke 10 0 Uforudsigelige varmepåvirkninger 82 Ultralydundersøgelse 10 4 Urenheder 56 Uædelt metal 30 Varmepåvirkning 77,79 Wolframkarbid 25 Wöhler-diagram 2 1 Wöhler-kurver 22,47 Zinkholdig e Al-legeringer 57 Ædelt metal 3 0 114