Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus S 2 Nedbrydningsformer Stål, højstyrkestål og støbejern Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde mellem : Dansk Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE-Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1992
Nedbrydningsforme r Stål, højstyrkestål og støbejer n 1. udgave, 1. oplag 1992 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 87-7756-207-0 Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse
Nedbrydningsforme r Stål, højstyrkestål og støbejern Forord 9 Forord til S2 1 1 1 Nedbrydning af materialer 1 3 1.1 Nedbrydning er dyrt 1 3 1.2 Nedbrydningsformer 14 2 Mekaniske nedbrydningsformer 17 2.1 Definition af spændings- og tøjningsbegrebet 1 7 2.2 Overbelastning 1 9 2.3 Udmattelse 2 1 2.3.1 Hvad er udmattelse 2 1 2.3.2 Definitioner 22 2.3.3 Wöhler-diagrammer 23 2.4 Krybning 24 2.5 Slid 25 2.5.1 Abrasivt slid 26 2.5.2 Adhæsivt slid 26 2.6 Kavitationserosion 2 7 3 Korrosion 29 3.1 Hvad er korrosion 29 3.1.1 Korrosionsprocesser 2 9 3.1.2 Korrosionsprodukternes betydning 3 1 3.1.3 Potentialer 3 1 3.1.4 Referenceelektroder 3 3 3.1.5 Korrosionshastigheder 34 3.2 Korrosionsformer 3 4 3.2.1 Generel korrosion 34 3.2.2 Grubetæring 34 3.2.3 Spaltekorrosion 3 5 3.2.4 Tildækningskorrosion 3 6 3.2.5 Galvanisk korrosion 3 6 3.2.6 Selektiv korrosion 3 7
3.3 Højtemperaturkorrosion 3 8 3.3.1 Oxidation 3 9 3.3.2 Sulfidkorrosion 4 1 3.3.3 Korrosion i smeltede salte 4 1 3.3.4 Opkulning 42 3.3.5 Hydrogenangreb (brintangreb) 42 3.3.6 Nitrering (kvælstofangreb) 43 4 Kombinerede effekter 45 4.1 Spændingskorrosion 45 4.2 Brintskader (hydrogenskader) 4 6 4.2.1 Blisterdannelse 4 6 4.2.2 Brintskørhed 4 7 4.2.3 Revnedannelse 4 7 4.2.4 Hydrogenangreb 4 7 4.2.5 Dannelse af hydrider 4 8 4.3 LME (Liquid Metal Embrittlement) 48 4.4 Korrosionsudmattelse 49 4.5 Slid + Korrosion 49 4.6 Erosionskorrosion (turbulenskorrosion) 51 5 Miljøparametrenes indflydelse på korrosion 53 5.1 Korrosion i væskefase (»våd korrosion«) 53 5.1.1 ph 53 5.1.2 Iltindhold 54 5.1.3 Temperatur 55 5.1.4 Ledningsevne 5 5 5.1.5 Salte 56 6 Ståls korrosionsforhold i vandsystemer 5 7 6.1 Korrosion i forskellige vandtyper 5 7 6.1.1 Brugsvand 5 7 6.1.2 Central- og fjernvarmevand 5 8 6.1.3 Kedelvand 58 6.1.4 Kølevand 59 6.1.5 Havvand 59 6.2 Galvanisk korrosion 60
6.3 Korrosionsbeskyttelse af stål i vand 6 1 6.3.1 Konstruktionsmæssige forholdsregler 6 1 6.3.2 Maling/belægning 6 1 6.3.3 Vandbehandling 6 2 6.3.4 Katodisk beskyttelse 6 3 7 Ståls korrosionsforhold i atmosfæren 6 5 7.1 Korrosionsbestemmende faktorer 6 5 7.1.1 Relativ fugtighed 65 7.1.2 Svovldioxid 6 5 7.1.3 Salte og syrer 66 7.1.4 Temperatur 66 7.1.5 Galvanisk korrosion 66 7.2 De fem korrosionsklasser 67 7.3 Korrosionsbeskyttelse 67 7.3.1 Korrosionstillæg 67 7.3.2 Konstruktion 68 7.3.3 Lufttørring 68 7.3.4 Maling/belægning 68 7.3.5 Metalliske belægninger 69 7.3.6 Dampfaseinhibitorer 69 8 Ståls korrosionsforhold i jord 7 1 8.1 Korrosionsparametre 7 1 8.2 Korrosionselementer 7 1 8.2.1 Il tkoncentrationselementer 7 2 8.2.2 Galvaniske elementer 7 3 8.3 Korrosionsmønster 74 8.3.1 Overfladebehandlet stål 74 8.3.2 Katodisk beskyttelse 7 5 9 Ståls korrosionsforhold i røggasser 7 7 9.1 Indledning 77 9.2 Højtemperatur 77 9.3 Lavtemperatur 78 9.4 Kondenskorrosion 84 10 10.1 Ståls korrosionsforhold i beton 8 5 Beton som korrosionsmiljø 85
10.2 Passivitet af stål i beton 86 10.3 Korrosions af indstøbt stål 87 10.3.1 Kloridbetinget korrosion 87 10.3.2 Karbonatisering 88 10.3.3 Udludning 88 10.4 Korrosionsbeskyttelse af stål i beton 89 11 Overbelastn ingsbrud 9 1 11.1 Sejt brud - sprødt brud 9 1 11.2 Sprødt brud i stål 9 2 11.3 Slagsejhedsprøvning 9 3 11.4 Brudmekanisk prøvning 94 11.5 Forhold ved svejsning 96 12 Brintskørhed 99 12.1 Brint i stål 99 12.2 Brintskørhed ved bejdsning og elektrolyse 99 12.3 Brintskørhed i forbindelse med korrosion 100 12.4 Brintrevner ved svejsning 102 13 Liquid Metal Embrittlement 105 13.1 Generelle forhold ved LME 10 5 13.2 Praktiske eksempler 106 14 Krybning af stål 10 7 14.1 Nedbrydning af mikrostrukturen 107 14.2 Krybestyrkeøgende faktorer 108 14.3 Nogle vigtige krybefaste stål 109 14.4 Krybestyrkedata for stål 111 15 Udmattelse af stål 11 2 15.1 Udvikling af udmattelsesbrud 11 2 15.2 Udmattelse af glatte maskindele 11 4 15.3 Rulningslejer og tandflanker 117
15.4 Svejste konstruktioner 11 7 15.4.1 Traditionelt design 11 7 15.4.2 Brudmekanisk metode 119 16 Korrosionsudmattelse af stål 123 16.1 Miljøeffekter 123 16.2 Korrosionsudmattelse af stål i havvand 123 16.2.1 Virkning af katodisk beskyttelse 123 16.2.2 Revneinitiering 125 16.2.3 Revnevækst 125 17 Slid i praksis 12 7 17.1 Slid i glidelejer 12 7 17.2 Slid i rulningslejer 12 8 17.3 Slid på tandhjul, kæder og kædehjul 12 9 Stikord 13 1
Forord 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 ove r 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 tilstandskontro l 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 sin e 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 langs margin som indikation af, at det pågældende afsnit speciel t henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrun d el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget a f en arbejdesmappe 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 samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse skal de r lyde en tak til de mange rundt omkring i virksomhederne, 9
der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægnin g af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministerie t (Lov 271 - Lov om Efteruddannelse) og herunder har Ind - satsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referee'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) 10
Forord til 52 Denne bog er grundlaget for undervisningsmodulet S2 : Nedbrydning af materialer - Stål. Sammen med en kursusmappe udgør bogen det kursusmateriale, der anvendes i modulet S2. 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 ned - brydning 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 ned - brydning, der specielt angriber ulegerede og lavtlegered e stål. Desuden gives grundlæggende anvisninger på, hvorledes konstruktioner og komponenter dimensioneres mod mekanisk nedbrydning og beskyttes mod korrosion. Gruppen ulegerede og lavtlegerede stål dækker et meget bredt spektrum af mekaniske egenskaber. Som fællesnævner gælder, at den langt overvejende bestanddel er jern, og at all e disse stål vil ruste, blot de udsættes for uforurenet vind o g vejr. Denne bog er udarbejdet af Kjeld Borggreen, Piet Jansen, Jørgen Markan, Jørgen Møller Hans Peter Nielsen, Torben Stee n Nielsen, Ebbe Rislund og Finn Yding, FORCE Institutterne. København, marts 1992 Kirsten Arndal Rotvel Civilingeniør Hans Peter Nielse n Civilingeniør 11
Jo,
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 mest fredelige form medfører nedbrydning udgifter til reparation eller udskiftning. Disse udgifter giver et positivt bidrag ti l 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 bruger ca. 10 milliarder kr. pr. år (1988) til reparation efter utilsigtede 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 og 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 følgeskader 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. 13
Omtrentlig endnu en trediedel af de direkte udgifter forventer 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 ka n holde øje med den, så der ikke opstår følgeskader, og så vi kan skifte ud eller reparere, når det måtte være bekvemt. 1.2 Nedbrydningsformer Der er allerede ovenfor antydet en opdeling af former for 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, o g det er derfor mere hensigsmæssigt at inddele efter de oftest forekommende miljøer. 14
Tabel 1.1 Grundlæggende nedbrydningsformer og deres vekselvirknin g O.~ O Ö v.5, 0 p } N r a) o o ~ ~4 > al C~ ~ O Ö.4 o] o.- O 'x + N cn O x +.' E a' - 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 1 5
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 bære mere end en tynd, spinkel kæde af samme materiale. Til karakterisering og sammenligning af materialernes meka - niske egenskaber benyttes derfor størrelser, der er uafhængige af de geometriske dimensioner. De til kræfter svarende størrelser, som er uafhængige af emnedimensionerne, kalde s spændinger og vil blive omtalt i næste afsnit. Definition af spændings- og tøjningsbegrebet 2. 1 Betragt et emne med tværsnitsarealet A som påvirkes a f kræfterne P (figur 2.1). I ethvert tværsnit i emnet vil kræfterne i det viste tilfælde være ligeligt fordelt over tværsnittet, og vi kan definere normalspændingen i tværsnittet som : P = 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 det betragtede tværsnit, altså vinkelret på tværsnittet. I eksemplet 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 retning 17
Anderledes forholder det sig, hvis det betragtede tværsni t 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. Figur 2.1 P er kraften og A er tværsnitsarealet Figur 2. 2 Bemærk, at snitplanet A' ikke står vinkelret på emnets længde - akse defineres normalspændin- Analogt til tilfældet vist i figur 2.1 gen som: N (2-2 ) På tilsvarende måde defineres forskydningsspændingen i de t aktuelle snitplan som : T = T, (2-3 ) Det bemærkes, at: N = P cos cp T = Psincp A' = A cos cp (2-4) 18
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, pålagt e 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. Tøjninge n er defineret som: L Lo E = _ L o OL Lo (2-5 ) hvor E er tøjninge n Lo er udgangsmålelængde n L er målelængden under kraftpåvirknin g Det bemærkes, at tøjningen er dimensionslos (ingen enheder), og ofte angives tøjningen i procent. Overbelastning 2. 2 Ved overbelastningsbrud forstås de brud, der opstår, når et emne udsættes for spændinger ud over materialets træk - styrke. Brud opstået under indvirkning af f.eks. udmattelse, 19
spændingskorrosion, krybning o.s.v. karakteriseres ikke so m»rene«overbelastningsbrud. Trækprøvning Materialets trækstyrke måles ved en trækprøvning. Et træk - prøveemne 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 værdie r omregnes til henholdsvis spændinger og tøjninger, og resul - tatet præsenteres som en trækkurve som vist på figur 2.3. Figur 2. 3 Trækkurve for et materiale, der udviser et egentligt flydepunkt, 2.3 a), og trækkurve for et mate - riale, der ikke udviser noget fly - depunkt, 2.3 b ) Flydespændin g Materialets flydespænding defineres som den spænding, hvor mateiralet begynder at forlænge sig ved konstant elle r aftagende spænding (figur 2.3 a), eller som den spænding, RoZ, 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 sammen - hæng mellem spænding og tøjning kaldes det elastiske områ - de. I dette område gælder der : cr = 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 det vende tilbage til sin oprindelige længde (form) efter aflastning. Derfor kaldes den første retliniede del af trækkurven for det elastiske område. 20
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. Plastiske områd e Den maksimale spænding, der registreres under trækprøv - ningen, kaldes for trækstyrken og benævnes Rmt. 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 e t overbelastningsbrud, og bruddet vil normalt være ledsage t af plastisk deformation. Kun ved overbelastningsbrud i me - get 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 de - fineres nogle af de størrelser, der er nødvendige for at kunn e bruge og forstå udmattelseskurver og -data. Hvad er udmattelse Hvis et emne eller dele deraf udsætes for varierende belastninger, 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 materialet s flydespænding. 2.3. 1 Varierende eller svingende belastninge r 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. For hver mekanisk påvirkning over en vis størrelse vil revnen vokse et lille stykke, afhængig af belastningens størrelse. Revner vokser 21
Hvis de varierende påvirkninger er konstant i størrelse, vi l udmattelsesrevnen vokse hurtigere og hurtigere, jo længer e den bliver. Grunden er, at spændingskoncentrationen fra rev - nen selv stiger, jo dybere revnen bliver, samtidig med, at de t resterende, bærende tværsnit reduceres. På et tidspunkt ind - træder det endelige brud, ofte med et havari til følge. Et udmattelsesforløb kan følgelig inddeles i følgende 3 faser : 1. Revneinitierin g 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, diameterovergange, krydsboringer, notgange og lignende steder, hvo r spændingerne er høje eller koncentreres. 2.3.2 Definitioner Inden det forklares, hvorledes materialernes udmattelsesegenskaber præsenteres i form af kurver eller data, er de t 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 Q + 0 o'.. og Qn,i,,. er den maksimale henholdsvis den minimal e spænding. 22
Middelspændingen = (Tmax. + ffmin. 2 (2-6 ) (2-7 ) Spændingsvidden = 0- max. 0-min. Spændingsamplituden = ffmax. ffmin. 2 (2-8) R = amin. timax. (2-9) Ved måling af et materiales udmattelsesegenskaber afprøve s en stribe, så vidt muligt, identiske prøveemner ved forskellige spændingsamplituder. Det enkelte prøveemne afprøves 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 forskellige spændingsamplituder. Resultaterne præsenteres i et såkald t Wöhler-diagram. Wöhler-diagrammer 2.3. 3 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. 400-300- 200- Figur 2. 5 Wöhler- kurver for blødt stål o g for en aluminiumlegering. Bemærk, at aluminiumlegeringen ikke udviser nogen udmattelsesgræns e 100-0 I I 10 5 10 6 Antal påvirkninger 107 108 109 23
Udmattelsesgrænse Af figur 2.5 ses det, at visse materialer, herunder stål, udviser en udmattelsesgrænse. Hermed menes, at under en vi s spændingsamplitude kan materialet holde til uendelig mange 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 blive gennemgået i senere afsnit. 2.4 Krybning er kun af betydning fo r metaller ved temperaturer ove r den halve smeltetemperatur mål t i Kelvi n Stål kryber ved temperaturer over 500 C 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 ve d stuetemperatur, og stål kryber ved temperaturer over 500 C. Krybning er af særlig betydning i alle højtemperaturanlæg: Kraftværkskedler, dampturbiner, gasturbiner, petrokemisk e anlæg, procesanlæg, flymotorer m.m. Krybning ændrer dimensione n og mikrostrukturen Krybning kan opstå, når en komponent udsættes for spænd - inger, selv om disse er mindre end flydespændingen. Er temperaturen tilstrækkelig høj, vil komponenten langsomt de - formeres, og i tilfælde af trækspændinger vil den til slut bry - de i stykker. Undervejs kan krybningen følges, idet mikrostrukturen ændres og eventuelt danner indre hulrum (kaviteter) og mikrorevner. Man kan altså følge krybeprocessen ve d en løbende dimensionsmåling eller ved en mikrostruktur - analyse. Begge dele anvendes i praksis. Krybning af et materiale måles ved at foretage en trækprøve ved konstant belastning i en ovn med konstant temperatu r og følge prøvens forlængelse som funktion af tiden. Man måler f.eks. tiden til opnåelse af 1% forlængelse, og tiden ti l 24
brud optræder. Begge disse tider er vigtige i forbindelse med konstruktion af højtemperaturkomponenter, og for de flest e konstruktionsmaterialer kan man i produktkataloger og opslagsværker læse sig til disse værdier. Normalt opgive s udgangsspændingen for opnåelse af 1% forlængelse og fo r opnåelse af brud ved en given tid og temperatur. De valgte tider er typisk 10.000 timer, 100.000 timer og 200.000 timer, da konstruktionerne skal holde så længe. De opgivne spændinger kaldes under et for»krybestyrken«eller»krybebrud - styrken«. Ved konstruktion ved middelhøje temperature r skal man desuden tage hensyn til flydespændingens temperaturafhængighed. Flydespændingen opgives derfor normal t sammen med krybestyrken i opslagsværkerne. Krybestyrken defineres for e n given brudtid og temperatu r De opgivne spændinger kaldes 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 krybe - kurve foretaget ved konstant temperatur og belastning. Kurven kan opdeles i primærområdet (1), sekundærområder (2 ) og tertiærområdet (3). Primærområdet er ubetydelig t for lave spændinger i mod - sætning til sekundærområdet, hvor tøjningshastigheden (krybe - hastigheden) er minimal og konstant. Slid Slid kan opdeles i to hovedtyper : 2. 5 To slidmekanisme r Slidved kontakt mellem to flader, eventuelt med slidende partikler imellem. Erosion, som opstår ved kontakt mellem partikler (faste el - ler flydende) og en flade. 25
Normalt omtales kun den første type som slid, og denne type kan igen opdeles i to områder efter de mekanismer, som er 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 Fræsning 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, og 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 slidde t også øges. Der er tre grundlæggende måder at forebygge abrasivt slid 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 måde at gøre materialer slidstærke på er, at imprægnere materiale t med hårde partikler som f.eks titankarbid eller wolframkarbid. Ved at smøre og/eller anvende glatte overflader nedsæt - tes friktionen og derved sliddet. 2.5. 2 Koldsvejsning Adhæsivt slid Når to ru overflader er i kontakt, foregår den reelle kontak t 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 hinanden, vil svejsningen brydes, og bruddet vil ske i det svagest e af materialerne. Derved fjernes materiale. Denne form for slid kaldes adhæsivt slid. 26
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 under filtfrie 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 pro - portionalt med hårdheden, og dels vil brud ske i materialet 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 ka n 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 direkte 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, som både er hårde og har ringe opløselighed i stål, og polymerbelægninger som er glatte og har ringe opløselighed i alle metaller. 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 skibspropellers o.lign. eller som udsætte s for kraftige vibrationer, som f.eks. i ventiler, cylinderforinge r i motorer m.m. I begge tilfælde sker i lokale områder af væ - sken et trykfald til under væskens damptryk, hvorved det 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 Trykbølg e 27
Mikroje t 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 spændin g 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. Det 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 materia - lets evne til at optage stor energi som deformation uden bru d er vigtig. Det er vigtigt at lægge mærke til, at erosionen foregår i mikroskala, og det nytter derfor ikke, som ved slidforebyggelse, at imprægnere materialet med hårde partikler. Dis - se vil blot falde ud efterhånden som det blødere material e 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. 28
Korrosion 3 Hvad er korrosion? 3. 1 I naturen finder vi vore brugsmetaller som malme, d.v.s. so m 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. 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 og som ofte kan medføre en skade på metallets funktion, dets omgivelser eller det tekniske system hvori begge befinde r sig«. Korrosionsprocesser 3.1. 1 Det er i reglen ilt eller syre, der får metallerne til at korrodere. Den egentlige drivkraft for korrosion ligger imidlertid i me - talatomernes opbygning. Et atom består af en positivt ladet kerne, omkring hvilken negativt ladede elektroner bevæger sig. De yderste af disse elektroner er»løse«og kan bevæge sig frit i metallet - deraf den karakteristiske egenskab ved metal, at det er en god leder for elektrisk strøm. Hvis metalatomet helt kan slippe af med de yderste elektroner, vil de t være kommet ned i den tilstræbte lavere energitilstand. De n 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. 29
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: 02 Syreforbrug : + 4e + 2H20 -* 40 H 2H + + 2e -> H 2 hvor 02 = ilt, H 20 = vand, OH- = hydroxylioner, H+ = brintioner og H 2 = 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: Katodereaktion : Me -> Me ++ + 2 e 1/20 2 + H 20 + 2e - + 2OH Bruttoreaktion : Me + 1/20 2 + H 2O -~ 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 + -> Me ++ + H 2 Elektrisk kredsløb Korrosionen er altså ledsaget af transport af elektriske ladninger, d.v.s. af et strømkredsløb. På figur 3.1 ses et sådan t kredsløb omkring en grubetæring på metal i vand. Kredsløbet forudsætter naturligvis, at der mellem anode- og katodeareal er både metallisk forbindelse (transport af elektroner ) og væskeforbindelse (transport af ioner). I ord kan de to reaktioner udtrykkes ve d metal + ilt + vand - korrosion metal + syre -4 korrosio n 30
Van d Figur 3. 1 Strømkredsløb ved grubetærin g på stål i van d Jer n Syre er pr. definition en vandig opløsning, så vand er altså en forudsætning i begge tilfælde. Vand er også nødvendigt so m modtager af både Me++ og OH--ionerne. I det ovenstående er tænkt på korrosion ved temperaturer o p 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 me d vandet, og så påvirker de ikke korrosionen. Men meget oft e 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. Typisk e 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 ve d et ydre indgreb fjerner potentialet herfra, siger man, at metal - let er enten anodisk eller katodisk polariseret. 31
Ædle og uædle metaller Et let korroderbart metal som f.eks. magnesium eller zink vi l 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. Ma n 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. Figu r 3.2 viser, hvordan en sådan spændingsrække kan se ud i saltvand. Tabel 3.2 Potentialer i haveand, målt i forhold til brintelektroden. Ædle metaller øverst, uædle metaller neders t Metal Potential, E H, volt Guld +0,42 Sølv +0,1 9 Rustfrit stål 18/8, passivt +0,09 Kobber +0,02 Tin -0,2 6 Rustfrit stål 18/8, aktivt -0,2 9 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 for - hold, 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 praksis, og de bør generelt ikke anvendes til vurdering af praktiske korrosionsforhold. 32
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 mulige 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 ve d 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 valg t brintelektroden : Platin, som ombobles af brint ved 1 atm. i en 1 N syreopløsning. De indbyrdes potentialer er : brintelektroden, SHE (standard hydrogen electrode) calomelelektroden, SCE (saturated calomel electrode) kobber/kobbersulfatelektroden : 0 : + 0,244 V : + 0,318 V Ved angivelse af potentialer skal referencen altid oplyses. 33
3.1.5 Korrosionshastighede r Korrosion måles normalt ved tæringsdybde eller vægttab pr. tidsenhed. Da korrosionen er ledsaget af et elektrisk kredsløb, 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/å r 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 : %/år 3.2 Korrosionsforme r 3.2. 1 Generel korrosio n Ved generel korrosion (ofte kaldet fladetæring) angribes hele overfladen jævnt. Det sker ved at anode- og katodeprocesser hele tiden skifter plads på metaloverfladen. Et godt mål for korrosionshastigheden ved generel korrosion er gennemsnitlig tæringsdybde eller vægttab pr. arealenhed. 3.2.2 Grubetærin g Korrosionsformen grubetæring - også kaldet pitting - er karakteriseret ved, at der opstår en tæring med et begrænset areal på en fritliggende overflade, men med en relativt sto r 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. De r dannes derved et galvanisk element mellem det ubeskytted e metal og den passive metaloverflade. 34
Korrosionshastigheden i gruben kan ofte være mange gange større end metallets gennemsnitlige korrosionshastighed, hvor meget større afhænger bl.a. af arealforholdet melle m det ueksponerede område og det passive område samt passivhindens evne til at bremse metalopløsningen. Jo langsom - mere opløsningshastighed på den passive overflade dest o større vil»overskuddet«af katodeprocessen være, som kan 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 forudsig e præcist. I sådanne tilfælde er det praktisk taget umuligt a t angive en levetid for metallet. Opstår der grubetæring, ka n 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 betinget 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 tilfælde 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 35
flader, men ringe ilttilgang i spalten. Da ilten jo forbruge r 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 spaltekorrosion. 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 lavere end pittingpotentialet. 3.2.4 Ti Idaekn ingskorros io n 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 konsekven s af, at tildækningen holder på vand. Det betyder, at væskeudskiftning kun meget vanskeligt kan foregå, hvorved der ska - bes 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 metallisk 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 melle m 36
dem på ca. 0,4 V. Hvis der nu etableres en metallisk forbindelse, vil de to metaller antage samme potential, som vil lig - ge et sted imellem de oprindelige potentialer. Der sker altså en forøgelse af zinkens potential, og dermed en forøgelse af 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 z'~ Znz ~-- Znz+ Zn z + Znz + Znz + 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 stor t areal ædlere metal, kan korrosionshastigheden på det uædle metal mangedobles. Der bliver jo nu en langt større overflade 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 vil 37
den ene legeringsbestanddel korrodere helt bort, mens de t øvrige metal ikke angribes. Medvirkende hertil kan være potentialforskelle, således at der sker en galvanisk korrosion af den mindst ædle fase. Interkrystallinsk korrosion kan ses som en art selektiv korrosion, idet korrosionen angriber metallets korngrænser, me n ikke selve kornene. 3.3 Højtemperaturkorrosio n Korrosion af stål ved høje temperaturer er i de fleste tilfæld e en direkte reaktion mellem metallet og den varme gasatmos - Højtemperatur: Over 3-600 C fære. Højtemperaturkorrosion i stållegeringer kan finde sted i temperaturområdet fra 300-600 C og opefter. Den nedre temperaturgrænse afhænger af korrosionsmiljøet og omfatte r flere forskellige korrosionsmekanismer. Den øvre temperatu r på 600 C angiver den øverste temperatur, hvortil lavt legere - de stål kan anvendes i en ren iltholdig atmosfære uden ind - hold 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. Korrosionsformerne for stål ved høj temperatur er stærkt af- Korrosionsmiljøet hængige af det miljø, hvortil stålet anvendes. Hyppigst fore - kommende 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 højtemperaturproblemer. Korrosionsformer ved høj temperatur omfatter : Oxidation (skalning) Klorkorrosion Sulfidkorrosion Korrosion i smeltede salte Opkulnin g 38
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 materialer og afhænger desuden af driftstemperaturen. Ved højere temperaturer øges oxidationshastigheden og dermed tykkelsen af oxidlaget. Oxidationslaget fungerer som en beskyttelsesbarriere, der hæmmer adgangen af ilt ind til metaloverfladen. Med stigende temperatur og oxidlagtykkelse opstår de r 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 skalningstemperatur. Da dette ikke er nogen entydig temperatur, angives skalningstemperaturen i praksis ved den temperatur, hvor oxidationshastigheden i tør luft er 1 g/m 2 h, der svare r til 1 mm/år. Oxidlaget på ulegerede kulstofstål består af magnetit (Fe 30 4), der e r stabilt op til 570 C. Ved højere temperaturer er magnetit ikke stabilt. I stedet dannes wüstite (FeO), der til gengæld ikke er stabilt ve d 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 p å de mekaniske egenskaber er nærmere beskrevet i kapitel 14. Et tæt oxidlag danner beskyttel - sesbarrier e Skalningstemperatu r Legering med krom, aluminiu m og silicium øger varmebestandigheden 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 39