خوردگی فلزات و اثر آن بر روی صنایع مختلف
فصل اول
مقدمه
1-1-تعریف خوردگی
خوردگی
را تخریب یا فاسد شدن یک ماده در اثر واکنش با محیطی که در آن قراردارد
تعریف می کنند و بعضی ها اصرار دارند که این تعریف بایستی محدود به فلزات
باشد . ولی بایستی برای حل این مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر
بگیریم .
مثلاً‌تخریب
رنگ و لاستیک بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی ، خورده شدن جدارة کوره
فولاد سازی ، و خوره شدن یک فلز جامد بوسیله مذاب یک فلز دیگر و حتی خورد
شدن فولادی که در داخل تیرهای بتنی برق قرار دارد تماماً خوردگی نامیده می
شوند.
2-1- محیط های خورنده :
عملاً‌کلیه
محیط ها خورنده هستند،لکن شدت خورندگی آنها متفاوت است . مثالهایی در این
مورد عبارتند از : هوا ، رطوبت آبهای تازه ، مقطر،نمکدار و معدنی .
اتمسفرهای روستائی، شهری،صنعتی ، بخار و گازهای دیگر مثل کلر- آمونیاک
–سولفور هیدروژن ، دی اکسید گوگرد وگازهای سوختنی، اسیدهای معدنی مثل اسید
کلریدریک، سولفوریک و نیتریک، اسیدها‌ی‌آلی مثل اسید نفتیک، استیک و
فرمیک، قلیائی ها ، خاکها ، طلاها، روغنهای نباتی و نفتی و انواع و اقسام
محصولات غذائی، بطور کل مواد «معدنی » خورنده تر از مواد «آلی » می
باشند. مثلاً‌خوردگی در صنایع نفت بیشتر در اثر کلرور سدیم ، گوگرد ، اسید
سولفوریک و کلریدریک و آب است تا بخاطر روغن ، نفت و بنزین .کاربرد درجه
حرارتهای فشارهای بالا در صنایع شیمیایی باعث امکان پذیر شدن فرآیندهای
جدید با بهبود فرآیندها قدیمی شده است ، به عنوان مثال ( راندمان بالاتر )
سرعت تولید بیشتر ، یا تقلیل قیمت تمام شده . این مطلب همچنین در مورد
تولید انرژی از جمله انرژی هسته‌‌ای ، صنایع فضائی و تعداد بسیار زیادی از
روشها و فرآیندها صادق است . درجه حرارتها و فشارهای بالاتر معمولاً باعث
ایجاد شرایط خوردگی شدیدتر می گردند بسیاری از فرآیندها و عملیات متداول
امروزه بدون استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی غیر ممکن یاغیر اقتصادی
می باشند.
زنگ
لفظی است که برای آلیاژهای آهنی به کار برده می شود. زنگ از اکسیدهای آهن
تشکیل شده و معمولاً‌اکسید نیتریک هیدراته است . موقعی که در یک آگهی تجاری
ادعا می شود که یک آلیاژ غیر آهنی زنگ نمی زند ، ادعایی بیش نیست و لکن
بدان معنی نسبت که آن فلز خورده نخواهد شد
3-1- فولادهای کم آلیاژی:
فولادهای
کربنی با یک یا چند عنصر کرم ، نیکل ، مس ، مولیبدن ، فسفر وانادیم، به
مقادیر چند درصد یا کمتر از فولاد کم آلیاژی می نامند. مقادیر بالا از
عناصر الیاژی معمولاً برای خواص مکانیکی و سختی پذیری است . از نقطه نظر
مقاومت در برابر خوردگی محدودة تا ماکزیمم 2 درصد بیشتر مورد توجه است . در
این محدوده استحکام فولادها بالاتر از فولادهای ساده کربنی بوده ولی
مهمترین خاصیت آنها مقاومت خیلی بهتر در برابر خوردگی آتمسفری است .گاهی
اوقات در محیط های آبی نیز این فولادها دارای مزایائی می باشند
1-3-1- اثرات افزودنی های میکروآلیاژ کننده :
این
بخش بر روی فولادهای پرلیت – فریت میکروآلیاژ شده تاکید کرده است ، که از
افزودنی های عناصر آلیاژ کننده مثل نیوبیوم و وانادیوم برای بالا بردن کربن
و یا محتواهای منگنز استفاده می کند ( و به این ترتیب توانایی حمل بار
بالا می رود ) بررسی های گسترده در طول دهه 1960 بر روی اثرات نیوبیوم و
وانادیوم روی خصوصیات مواد یا مصالح درجه ساختمانی باعث کشف این موضوع
گردید که مقادیر کم نیوبیوم، وانادیوم هر کدام (10/0% ) فولادهای استاندارد
کربن – منگنز را بدون تداخل با بعمل آوری بعدی مستحکم و قوی می سازند
مقدار کربن نیز می تواند کم شود تا هم قابلیت جوش را بالا ببرد و هم چقرمگی
را ، چون اثرات مقاومت دهندگی نیوبیوم و وانادیوم بخاطر کاهش در استحکام
ناشی از کاهش در مقدار کربن جبران می شوند .
خصوصیات
مکانیکی فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای میکرو آلیاژ شده ، فقط در
صورت افزایش عناصر میکرو آلیاژ کننده حاصل می شوند . لازمه ی وجود آستنیت
که به اثرات پیچیده طرح آلیاژ و تکنیک های نورد کاری بستگی دارد ، نیز یک
فاکتور مهم در تصفیه دانه ای فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای نورد
گرم است . تصفیه دانه ای در صورت وجود آستنیت با روش های نورد کاری کنترل
شده ، باعث چقرمگی بالا و استحکامهای تسلیم زیاد در رنج 345 تا 620 مگا
پاسکال(ksi 90 تا 50) می شود. ]1[
این
توسعه فرآیندهای نوردکاری کنترل شده همراه با طرح آلیاژ، سطوح استحکام
تسلیم بالایی را تولید کرده است که با پایین آمدن تدریجی مقدار کربن توام
می باشد بسیاری از فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالا میکروآلیاژ شده
اختصاصی ، مقادیر کربن به کمی 60/0% و یا حتی کمتر دارند ، با این حال هنوز
می توانند استحکام تسلیم حدود 485 مگا پاسکال (ksi 70) را توسعه داده و
ایجاد نمایند . استحکام تسلیم بالا ، با اثرات ترکیبی اندازه دانه ریز
ایجاد شده و در طول نورد کاری گرم کنترل شده و استحکام دهندگی رسوب حاصل می
شود که این خصوصیت ناشی از حضور وانادیوم ، نیوبیوم و تیتانیوم است .
2-3-1- انواع گوناگون فولادهای فریت – پرلیت میکروآلیاژ شده عبارتند از :
1-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم
2-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم
3-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیوبیوم
4-2-3-1- فولادهای مولیبدن – نیوبیوم
5-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم – نیتروژن
6-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم
7-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – تیتانیوم
8-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم – وانادیوم
این
فولادها ممکن است شامل عناصر دیگری هم باشند تا مقاومت خوردگی بالایی
داشته باشند و مقاومت محلول جامد را بالا برده و قابلیت سخت کاری زیادی را
در بر بگیرند(اگر محصولات تغییر شکل غیر از فریت – پرلیت بهینه باشند) ]1[.
1-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم :
تهیه
و توسعه فولادهای حاوی وانادیوم مدت کوتاهی پس از تهیه فولادهای هوازدگی
رخ می دهد و محصولات نورد شده صاف با بیش از 10/0% وانادیوم بطور وسیعی در
شرایط نورد گرم بکار می روند فولادهای حاوی وانادیوم نیز در شرایط نورد
کنترل شده ، نرمال شده و یا کوئنچ و تمپر شده بکار می روند .
وانادیوم
با تشکیل ذرات رسوب ریز ( با قطر 5 الی 100 نانومتر ) V (CN) در فریت در
طول سرد سازی پس از نورد گرم به قوی ساختن کمک می کند . این رسوبات
وانادیوم ، که به پایداری رسوبات نیوبیوم نیستند ، محلول در همه دماهای
عادی نورد کاری هستند که برای ایجاد فریت دانه ریز مفید می باشند (بخش
فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم در این تحقیق را مشاهده نمایید) قوی
ساختن به وسیله وانادیوم ، بین 5تا 15 مگا پاسکال ( ksi 2 و 7/0 ) در هر
01/0 ترکیب شیمیایی وانادیوم است و این حد متوسط به مقدار کربن و سرعت سرد
سازی حاصل از نورد گرم بستگی دارد ( و بنابراین به ضخامت مقطع نیز بستگی
دارد ) سرعت سرد سازی که با دمای نورد گرم
و ضخامت مقطع معین می شود برروی قوی ساختن سطح رسوب در فولاد 15/0% وانادیوم تاثیر می گذارد که در شکل 1-1 نشان داده شده است .
شکل (1-1)- اثر میزان سرد کاری روی افزایش استحکام تسلیم ناشی از قوی ساختن رسوب در یک فولاد 15/0 درصد وانادیوم ]1[
در
سرعت های سرد سازی بالا بیشتر ذرات (CN) V در محلول باقی می ماند و
بنابراین بخش کوچکتری از ذرات (CN) V رسوب کرده و قوی ساختن نیز کاهش می
یابد در مورد یک ضخامت مقطع داده شده و محیط سرد سازی ، سرعت های سرد سازی
می توانند با افزایش یا کاهش دما قبل ازسرد سازی به ترتیب افزایش یافته و
یا کاهش یابند. افزایش دما باعث بزرگتر شدن اندازه دانه ای آستنیت می شود
در حالیکه کاهش دمای نورد کاری را دشوار تر می سازد .
مقدار
منگنز نیز بر روی استحکام دادن فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم تاثیر می
گذارد اثر منگنز روی فولاد وانادیوم نورد شده گرم در جدول (2-1) نشان داده
شده است با افزایش 9/0 درصد منگنز که ناشی از قوی ساختن محلول جامد است .
قوی کردن رسوب وانادیوم نیز افزایش می یابد چون منگنز دمای تغییر شکل
آستنیت به فریت را پایین می آورد به این ترتیب باعث پراکندگی رسوب ریزتر می
شود . این اثر منگنز روی قوی ساختن رسوب بزرگتر از اثرش در فولادهای
نیوبیوم است با اینحال استحکام مطلق در یک فولاد نیوبیوم دارای Mn 2/1 %
فقط حدود 50 مگا پاسکال ( ksi 7) کمتر از فولاد وانادیوم است اما در سطح
آلیاژی بسیار کمتری است ( یعنی nb 06/0 % در برابر 14/0% وانادیوم ) سومین
عاملی که روی استحکام فولادهای وانادیوم تاثیر می گذارد اندازه دانه ای
فریت تولید شده بعد از سرد سازی از دمای آستنیت کننده است . اندازه های
دانه ای فریت ریزتر (که نه تنها باعث استحکام های تسلیم بالاتر شده بلکه
چقرمگی و شکل پذیری را نیز بالا می برند) می توانند با دماهای تغییر شکل
کمتر آستنیت به فریت و یا با شکل گیری اندازه های دانه ای آستنیت ریز تر
قبل از تغییر شکل تولید شوند پایین آوردن دمای تغییر شکل که روی قوی ساختن
سطح رسوب تاثیر می گذارد می تواند با افزودن آلیاژ و یا با سرعت های
سردسازی افزایش یافته ایجاد شود در مورد یک سرعت سرد سازی داده شده تصفیه
اندازه دانه فریت و تصفیه اندازه دانه آستنیت در طول نورد کاری صورت می
گیرد .
اندازه
دانه آستنیت فولادهای نورد گرم با تبلور مجدد و رشد دانه ای آستنیت در طول
نورد کاری معین می شود فولادهای نورد گرم وانادیوم معمولاً دستخوش
نوردکاری قراردادی قرار می گیرند اما با نورد کنترل شده تبلور مجدد تولید
می شود. با نورد کاری قراردادی فولادهای وانادیوم قوی ساختن مناسب رسوب را
تهیه کرده و قوی ساختن نسبتاً کمی را از تصفیه دانه ایجاد می کنند استحکام
تسلیم حداکثر فولادهای وانادیوم نورد گرم قراردادی با 25/0 درصد کربن و
087/0 درصد وانادیوم حدود 450 مگا پاسکال (ksi 65) است . حد عملی استحکام
های تسلیم برای فولاد میکرو آلیاژ شده وانادیوم نورد گرم حدود 415 مگا
پاسکال (ksi 60) است حتی وقتی تکنیک های نورد کاری کنترل شده بکار روند .
فولادهای
وانادیوم که در معرض نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد قرار می گیرند
نیاز به اضافه کردن تیتانیوم دارند بطوریکه رسوب ریزی ازTiN تشکیل می شود
که رشد دانه آستنیت را بعد از تبلور مجدد محدود می سازد . استحکام های
تسلیم از نورد کاری کنترل شده قراردادی به حد عملی حدود 415 مگا پاسکال
(ksi 60) محدود شده است که به دلیل فقدان تاخیر تبلور مجدد است وقتی هم
استحکام و هم چقرمگی ضربه ای از جمله عوامل مهم باشند در این صورت فولاد
نیوبیوم کم کربن و نورد کاری شده کنترل شده قابل ترجیح است ( مثل ورقه
مقاوم به ترک خوردگی تحریک شده هیدروژن 60- X )]1[
جدول(2-1)-
اثر مقدار منگنز روی قوی ساختن رسوب فولاد میکروآلیاژ شده وانادیوم با
ترکیب پایه 08/0 درصد کربن و 30/0 درصد سیلیسیوم ]1[
2-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم :
مثل
وانادیوم ، نیوبیوم استحکام تسلیم را با سخت کردن رسوب ، بالا می برد ،
میزان افزایش به اندازه و مقدار کاربیدهای نیوبیوم رسوب کرده بستگی دارد .
شکل(2-1)- اثر کاربید نیوبیوم روی استحکام تسلیم برای اندازه های متفاوت ذرات کاربیدنیوبیوم ]1[
با
این حال نیوبیوم نیز یک تصفیه کننده دانه ای موثر از وانادیوم است .
بنابراین اثر ترکیبی قوی کردن رسوب و تصفیه دانه فریت نیوبیوم، یک عمل قوی
کننده موثرتر از وانادیوم می سازد . اضافه کردن نیوبیوم معمولاً حدود 04/0%
تا 02/0% درصد است .
استحکام
دهی با نیوبیوم 35 تا 45 مگا پاسکال (5تا 6 ksi )در هر 01/0 درصد اضافه
کردن است. این استحکام دهی با نقص قابل توجهی از چقرمگی فاز توام می باشد .
تا اینکه روندهای نوردکاری ویژه ای تهیه شدند و مقادیر کربن برای جلوگیری
از شکل گیری بینیت فوقانی پایین آورده شدند . بطور کلی دماهای پرداخت کاری
بالا و عبورهای تغییر شکل نوری در مورد فولادهای نیوبیوم بکار می روند چون
ممکن است باعث افزایش اندازه های دانه های مخلوط و یا فریت و یدمن اشتاتن
شود که چقرمگی را ناقص می کند . فولادهای نیوبیوم با نورد کاری کنترل شده و
سرد کردن مستقیم تولید می شوند.
نوردکاری
کنترل شده تحت تبلور مجدد فولاد نیوبیوم می تواند بدون تیتانیوم موثر باشد
و این در حالی است که نورد کاری تحت تبلور مجدد فولادهای وانادیوم برای
تصفیه ی دانه ای به تیتانیوم نیاز دارد . همچنین نیوبیوم بسیاری مورد نیاز
است و فولادهای تیتانیوم – نیوبیوم می توانند در دماهای بالاتر نورد کنترل
شده تحت تبلور مجدد بشوند. در حال حاضر فولادهای سطح ساحلی با ضخامت بیش از
75 میلیمتر (in 3) و با استحکام های تسلیم 345 تا 415 مگا پاسکال (50 تا
60 ksi) بطور معمول تولید می شوند . ]1[
3-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – وانادیوم :
فولادهای
میکروآلیاژ دارای نیوبیوم و وانادیوم استحکام تسلیم بالاتری در شرایط
نورد گرم بطور قراردادی نسبت به فولادهای موجود را دارد . مثل فولادهای
نورد گرم ، فولادهای وانادیوم – نیوبیوم تقریباً همه از استحکام افزایش
یافته اشان به دلیل استحکام دهی به رسوب مشتق می شوند و بنابراین دماهای
انتقال بالای شکل پذیر – شکننده دارند . اگر فولاد نورد، کنترل شده باشد
اضافه کردن نیوبیوم و وانادیوم با هم از جمله مزایایی برای افزایش استحکام
تسلیم و پایین آوردن دماهای انتقالی شکل پذیر – شکننده یا تصفیه دانه ای
است .
معمولاً
فولادهای نیوبیوم – وانادیوم با مقادیر کربن نسبتاً پایین شناخته می شوند .
( کربن کمتر از %10/0) این مقدار پرلیت را کاهش می دهد و چقرمگی ، شکل
پذیری و قابلیت جوش را بالا می برد. این فولادها، معمولاً به عنوان
فولادهای کاهش یافته پرلیت شناخته می شوند. ]1[
4-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده مولیبدن – نیوبیوم :
ممکن
است میکروساختمان پرلیت – فریت داشته باشند و یا یک میکرو ساختمان فریت
سوزنی داشته باشند ، در فولادهای نیوبیوم، اضافه کردن مولیبدن ، استحکام و
تسلیم و استحکام کششی را حدود 20 مگا پاسکال (ksi 3) تا 30 مگا پاسکال (ksi
5/4) به ترتیب در هر 1/0 درصد روی رنج تحقیق شده 27/0 درصد مولیبدن افزایش
می دهد ، اثر اصلی مولیبدن روی میکروساختمان – تغییر مورفولوژی پرلیت و
معرفی بینیت فوقانی به صورت جانشینی جزیی برای پرلیت است . با این حال ،
چون مقادیر جداگانه استحکام پرلیت و بینیت تا حدی مشابهند از اینرو پیشنهاد
شده است که افزایش استحکام ناشی از قوی ساختن محلول جامد و قوی ساختن زیاد
رسوب (CN) Nb حاصله با نیوبیوم – مولیبدن باشد .
واکنش
بین مولیبدن و نیوبیوم ( یا وانادیوم ( با اضافه کردن مولیبدن به صورت
توزیعی برای افزایش قوی ساختن رسوب پیشنهاد شده است . این اثر به رسوب کاهش
یافته در آستنیت به دلیل افزایش در قابلیت انحلال ناشی از کاهش در فعالیت
کربن ایجاد شده با مولیبدن نسبت داده شده است . با رسوب کمتر در آستنیت ،
رسوبات بیشتری می توانند در فریت تشکیل شوند که باعث بالا رفتن استحکام می
شود ، همچنین مولیبدن در خود رسوبات شناسایی شده است ، حضورش ممکن است ،
کارآیی قوی شدن را با افزایش و تنش های چسبندگی ( پیوستگی ( و یا با افزایش
کسر حجم رسوب ، بالا برد ، این فاکتور های متالوژیکی وقتی در رابطه با
کارآیی نورد کنترل شده برای دماهای زیر دمای AR3 در نظر گرفته می شوند،
منجر به تهیه فولاد خط لوله نیوبیوم- مولیبدن 70-X مقرون به صرفه تر می
شوند . ]1[
5-2-3-1- فولادهای میکرو آلیاژ شده ی وانادیوم – نیتروژن :
وانادیوم
، به طور قوی تر از نیوبیوم ، با نیتروژن ترکیب می شود و رسوبات نیترید
وانادیوم در فولاد نیتروژن – وانادیوم تشکیل می دهند . افزودنی های
نیتروژنی به فولادهای دارای استحکام بالا و حاوی وانادیوم ، از لحاظ تجاری
مهم شدند چون افزودنی ها ، سخت کاری رسوب را بالا می برند . سخت کاری رسوب
ممکن است با کاهش در چقرمگی فاز همراه باشد ، اما این کاهش اغلب با کم کردن
محتوای کربن دیگر صورت نمی گیرد ، رسوب نیترید وانادیوم نیز به صورت یک
تصفیه کننده دانه ای عمل می کند .
بعضی
از تولید کنندگان از افزودنی های نیتروژن استفاده می کنند تا به قوی ساختن
رسوب ورقه سرد و کنترل شده با ضخامت بالای 5/9 میلیمتر (in 375/0) کمک
کنند ورقه های نورد گرم دارای وانادیوم و دارای 022/0% تا 018/0% درصد
نیتروژن باسرد سازی کنترل شده با ضخامت بالای 16 میلیمتر ( in 625/0 ) و
دارای استحکام های تسلیم 550 مگا پاسکال (ksi 80)تولید شده اند . با این
حال ، ترک خوردگی به تاخیر افتاده ، یک مشکل اصلی در این فولادهاست .
استفاده از نیتروژن ، برای فولاد هایی توصیه نمی شود که جوش می خورند چون
اثر مخربی روی چقرمگی فاز در ناحیه ی تحت تاثیر گرما دارد.]1[
6-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده ی تیتانیوم :
تیتانیوم
در فولاد های کم کربن به صورت ترکیباتی شکل می گیرد که تصفیه دانه ، قوی
ساختن رسوب و کنترل شکل سولفید را فراهم می آورد . با اینحال ، چون
تیتانیوم نیز یک دی اکسید کننده قوی است ، از این رو ، تیتانیوم می تواند
فقط در فولادهای کاملاً کشته شده به کار رود ( آلومینیوم دی اکسید شده ) به
طوری که تیتانیوم برای شکل دهی ترکیباتی غیر از اکسید تیتانیوم موجود است
. از لحاظ تجاری ، رسوب فولاد های قوی شده با تیتانیوم با ضخامت بیش از
9/5 میلیمتر (in 375/0 ) و با استحکام تسلیم حداقل متغیر از 345 تا 550 مگا
پاسکال (50 تا 80 ksi) با نورد کاری کنترل شده مورد نیاز برای به حداکثر
رساندن استحکام و بالا بردن چقرمگی ، تولید می شوند .
مثل
فولادهای نیوبیوم و یا وانادیوم ، فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم ، با
مکانیزم هایی مستحکم می شوند که با ترکیبی از تصفیه دانه و استحکام دهی
رسوب توام می باشند ، ترکیبی که به مقدار افزودنی های آلیاژ و روشهای به
عمل آوری بستگی دارد . در فولادهای ریختگی پیوسته و یا مجدداً حرارت داده
شده ، مقادیر کمی از تیتانیوم ( تیتانیوم 025/0 درصد> ) از جمله تصفیه
کننده های دانه موثرند . چون ریشه دانه آستنیت با نیترید تیتانیوم به
تاخیر می افتد (شکل a3-1).
شکل
a(3-1)- در زبری دانه آستنیت طی گرم کردن مجدد و بعد از نورد گرم برای
نگهداری به مدت 30 دقیقه که مقدار تیتانیوم بین080/0% و 022/0% درصد می
باشد.]1[
مقادیر
کم تیتانیوم در نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد نیز موثر است ، چون
نیترید تیتانیوم ، رشد دانه آستنیت باز متبلور شده را به تاخیر می اندازد .
در نورد کاری کنترل شده قراردادی ، تیتانیوم ، تصفیه کننده دانه متوسط است
، که تصفیه کمتر از نیوبیوم را ایجاد می کند اما بیشتر از وانادیوم است .
بنابراین
برای قوی کردن رسوب ( شکل b 3-1) مقدار کافی تیتانیوم برای تشکیل کاربید
تیتانیوم مورد نیاز است، درصد های کم تیتانیوم ( تیتانیوم 025/0درصد > )
اساساً نیترید تیتانیوم تشکیل می دهند ، که روی رشد دانه آستنیت تاثیر
دارند اما اثر کم روی قوی کردن رسوب دارند چون رسوب های تشکیل شده در مایع ،
درشت و ناهموار هستند . افزایش مقدار تیتانیوم منجر به تشکیل آخال های
سولفید منگنز حاوی تیتانیوم (Mn,Ti)S می شود و سپس کربوسولفیدهای کروی ،
Ti4,C2,S2 تشکیل می شوند ( که کنترل شکل سولفید را انجام می
دهند) ]1[.
شکلb
(3-1)- وابستگی استحکام دهی رسوب روی اندازه متوسط رسوب (X) و کسر آن
مطابق با تئوری و مشاهدات آزمایشی برای افزودنی های میکروآلیاژ کننده ی
داده شده]1[
شکل
گیری Ti4,C2,S2 همراه با شکل گیری کاربید تیتانیوم (TiC ( است و با آن
دنبال می شود ، که می تواند برای قوی کردن رسوب فولادهای کم کربن به کار
رود . برای تعیین مقدار تیتانیوم که برای قوی کردن رسوب موجود است ، مقدار
کامل تیتانیوم باید برای شکل گیری نیترید تیتانیوم و کربوسولفیدهای نامحلول
و درشت تنظیم شود . این نمونه ها در قوی ساختن رسوب ، ته نشین نمی شود .
استحکام مشاهده شده از لحاظ آزمایشی که از رسوب TiC افزایش می یابد، برای
هر ذره بسیار ریزی ( کمتر از 30 آنگستروم) تا بالای 440 مگا پاسکال متغیر
است (شکلb3-1).
اگر
مقدار کافی تیتانیوم به کار رود ، تیتانیوم بعداً می تواند استحکام دهی
رسوب بیشتر از نیوبیوم و یا وانادیوم فراهم کند . با این حال چون سطوح
بالاتر استحکام دهی رسوب ، معمولاً توام با چقرمگی کم شده است ، از این رو
تصفیه دانه برای توسعه و بالا بردن چقرمگی ضروری می شود .
تیتانیوم
یک تصفیه کننده دانه ای متوسط است ( در مقایسه با نیوبیوم و وانادیوم در
فولادهای نورد گرم شده ) و سطوح بالای استحکام دهی رسوب فولادهای
میکروآلیاژ شده تیتانیوم باعث کاهش شدید در چقرمگی می شود . استفاده از فقط
تیتانیوم به عنوان یک استحکام دهنده در نوار نورد گرم پر استحکام منجر به
تغییر پذیری غیر قابل قبول در خصوصیات مکانیکی می شود . (شکلb3-1). ]1[
7-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده ی تیتانیوم – نیوبیوم :
گرچه
فولادهای تیتانیوم رسوب قوی شده محدودیت هایی بنا بر چقرمگی و تغییر پذیری
خصوصیات مکانیکی دارند ، اما تحقیق نشان داده است که اضافه کردن تیتانیوم
به فولادهای نیوبیوم کم کربن باعث پیشرفت در خصوصیات اشان می شود .
تیتانیوم ، کارآیی نیوبیوم را افزایش می دهد . چون آن با نیترید تیتانیوم
تشکیل دهنده ترکیب نیتروژن است ، بنابراین از شکل گیری نیوبیوم جلوگیری می
کند و قابلیت افزایش انحلال نیوبیوم را در آستنیت میسر می سازد که باعث
رسوب افزایش یافته ای از ذرات Nb(C,N) در فریت می شود اضافه کردن 04/0 درصد
تیتانیوم به نوار فولاد حاوی مقادیر متفاوت نیوبیوم ، به طور ثابت ،
افزایش استحکام حدود 105 مگا پاسکال (ksi 15) را برای دمای 675 درجه ی
سانتیگراد (1250 درجه ی فارنهایت ) تولید می کند. نوار فولاد تیتانیوم –
نیوبیوم نورد گرم شده در ایجاد استحکام های تسلیم حدود 550 مگا پاسکال (ksi
80) موثر است . افزودن وانادیوم و یا مولیبدن می توان استحکام ها را تا
690 مگا پاسکال (ksi 100) بالا ببرد . ]1[
فصل دوم :
مروری بر منابع
یکی
از مشکلات اصلی عمر ساختمان های بتنی خوردگی در فولادهای آن ساختمان
می‌باشد. فولاد میکرو آلیاژ دارای کربن معادل %0.4,%0.3 می باشد و حاوی
غلظتی از آلیاژهای کرم و مس و فسفر می باشد.
بر
طبق گفته کمپانی TaTa ( کمپانی فولاد در هند 1991) [23] مس با کلراید
واکنش داده و برروی سطح فولاد یک لایه از Cucl2.3cu(oH)2 تشکیل میدهد و
قابلت انحلال را پایین می‌آورد و فرآیند خوردگی را به تعویق می اندازد و
فسفر هم با اکسید شدن پروسه خوردگی را کند می کند و کرم هم با تشکیل یک
لایه (Feo.Cr2O3) رسانایی ناچیز در الکترون ها دارد .
بسیاری
از فولادها با فرآیندهای دمایی عملیات حرارتی پذیرند که شامل کوئینچ کردن و
تمپرکردن پس از نورد می باشد.آزمایش در محیط های خوردگی در دوره هایی از
2ماه تا 2 سال طول می کشد . به طور مثال آنالیز فولاد میکروآلیاژی CRPT1 به
شرح زیر می باشد:
( مقادیر زیر به درصد می باشد)
0.180
C ، 0.960 MN ، 0.117 P ، 0.025 S ،0.29 SI ، 0.55 Cr ، 0.52 Cu ، 0.12
Ni ، 0.009 Sn ،0.036 Mo ، 0.019 V و آنالیز بقیه فولادها که این
پروژه مورد مطالعه قرار می گیرد. در جدول 1-2 به طور کامل آمده است.
آزمایش
هایی در 60 سیکل در محلول نمکهای NaCl برروی میله هایی که در بتن وجود
دارد انجام می شود و در همه سیکل ها بلوک بتنی در محلول نمک دار فرو برده
می شود و سپس در دمای اتاق به مدت 48 ساعت خشک می شود. ( با گردش هوا با
دمای C°60[F °14] )
در مجموع سرعت خوردگی ماکروسل در آزمایش SE حدوداً برای فولاد میکروآلیاژی ، نصف سرعت خوردگی ماکروسل فولاد معمولی می باشد .
و
در آزمایش bench-scale فولاد میکرو آلیاژ نورد گرم شده نسبت به فولاد
معمولی بالاترین سرعت خوردگی را نشان میدهد ، اما در آزمایش ماکروسل سریع،
نصف سرعت خوردگی فولاد معمولی را دارد و فولاد معمولی عملیات حرارتی شد
مقاومت به خوردکی بهتری نسبت به فولاد معمولی نورد گرم شده دارد .
در
این فولادهایی که بحث خواهد شد تقریباً پتانسیل خوردگی مشابهی را داریم
وقتی که در معرض غلظتی از NaCl قرار بگیرند . پوشش های epoxy در فولادهای
میکروآلیاژ عملیات حرارتی پذیر بهتر از پوشش های epoxy در فولادهای
معمولی می باشد .
در
جریان این پروژه 2 ارزیابی سرعت داریم که یکی پتانسیل خوردگی و دیگری
آزمایش ماکروسل می باشد و 3 تا آزمایش bench Scale که شامل G109,CB , SE می
باشد که جلوتر به توضیح آن می پردازیم .
و همچنین آزمایش خمش و کشش که برای خاصیت مکانیکی و Ductility فولاد می باشد را داریم[2] .
1-2- خوردگی فولاد در بتن :
موادها معمولاً‌از ترکیب شیمیایی (مواد معدنی – سنگ معدنی ) و مقدار معینی انرژی که برای فرآیندهای آنها نیاز می باشد بدست می آیند.
خوردگی فولاد در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی می باشد که به 4 فاکتور نیاز داریم .
1) آند
2) کاتد
3) الکترولیت
4) جریان الکتریکی
آندو
کاتد دو محل متفاوت در فولاد می باشد که آنها محل های متفاوتی از فولادها
را انتخاب می کنند. برای نمونه خوردگی ماکروسل را فرض می کنیم که آند و
کاتد برروی میله ها جای بگیرند یا در دو میله متفاوت در فولاد با وجود
اکسیژن آهن با آن واکنش می دهد و تولید اکسید آهن داریم و از قسمت آند
الکترون رها می شود [Eq.(1.1)] در کاتد اکسیژن با بخار آب ترکیب می شود و
الکترون و هیدروکسید داریم . [Eq.(1.2)]
(1-2)
(2-2)
آهن با هیدروکسید ترکیب می شود و تولید هیدروکسیدآهن میکند .
هیدروکسید
آهن با آب و اکسیژن ترکیب می شود و هیدروکسید آهن به اکسید آهن و آب احیاء
می شود. خاصیت قلیایی بالا منجر به تشکیل یک لایه فیلم اکسید آهن y برروی
سطح فولاد می شود که در برابر خوردگی محافظت میکند .
وجود فیلم محافظ 2 مکانیزم مخرب دارد:
1) وجود کلراید آهن که نتیجه آن تجزبه فیلم محافظ می باشد .
2) کربوره کردن که نتیجه آن کاهش PH بتن مثلاً کاهش Passivity( PH بتن و خمیر سیمان 13 تا 5/13 می باشد ).
به
طور نمونه برروی یک قسمت از بتن ، کلراید ها از بالای سطح وارد می شوند که
وقتیکه کلرایدها به قسمت بالای فولاد می رسد پتانسیل خوردگی به مقدار
منفی‌ای می رسد ودر قسمت پایین فولاد مقدار پتانسیل نسبی را داریم که این
تفاوت پتانسیل،نتیجه تشکیل سلول گالوانیکی در پروسه خوردگی می باشد که در
نهایت چنین واکنش هایی را داریم[2] .
2-2- روش های نمایان شدن خوردگی :
شامل اندازه گیری پتانسیل خوردگی ، سرعت خوردگی ماکروسل ، مقاومت پلاریزاسیون طولی ، طیف الکتروشیمیایی و مشاهده چشمی می باشد[2] .
1-2-2-پتانسیل خوردگی :
میزان
پتانسیل خوردگی بین یک میله و الکترود مرجع برای یک میله مقدار متفاوتی می
باشد. الکترود مرجع بدون توجه به محیط یک مقدار ثابتی از پتانسیل را دارا
می باشد (uhlig1985)[25]
واکنش
الکترود استاندارد هیدروژن که پتانسیل آن صفر در نظر گرفته می‌شود .
دیگر الکترودها مثل الکترودهای استاندارد (SCE) Calomel و الکترود سولفات
مس – مس (CSE)که غالباً بیشتر از SHE استفاده می شود[2] .
در جدول 1-2 تفاوت پتانسیل این دو الکترود نسبت به SHE داده شده است .
جدول 1-2 الکترود های استاندارد مرجع
Potential vs. she(V) Half – Cell reaction Electrode
+0.318 Cuso4+2e-CU+So2-4 Copper- copper Sulfate (CSE)
+0.241 Hgcl2+2e-2Hg+2cl Saturated calomel(SCE)
0.000 2H++2e-H2 Standard hydrogen
جدول2-2 تاتبفاقلیلقص
Interpretation Half – cell Reading (V)
greater than 90% probability that Corrosion is not occurring CSE SCE
<-0.200 <-0.125
Corrosion activity is uncertain -0.200 to – 0.350 -0.125 to – 0.275
Greeter than 90%probability that corrosion is ocurring >-0.350 >0.275
2-2-2- سرعت خوردگی ماکروسل
سرعت خوردگی یک میله تقویت شده در آزمایش خوردگی را می توان طبق فرمول زیر محاسبه و اندازه گیری کرد[2] :
سرعت بر حسب می باشد.
K= فاکتور تبدیل
Ic= دانسیته جریان خوردگی
a= وزن اتمی برای مواد آهنی
f= ثابت فارادی F=96500
n= ظرفیت معادل (=2 برای آهن )
D= چگالی مواد ( D= 7.87 برای آهن )
(1-2)
(2-2)
V= ولتاژ مقاومتی (Mv)
R= مقاومت ( ohm)
A= سطح میله آندی (cm2)
3-2-2- مقاومت پلاریزاسیون
ic= دانسیته جریان خوردگی
B= با مقدر ثابتی بین (mv)52-26 برای آهن در بتن
Rp= مقاومت پلاریزاسیون
3-2-آزمایش های خوردگی
آزمایش
های ارزیابی سریع‌ای که برروی فولاد انجام می شود شامل پتانسیل خوردگی و
آزمایش ماکروسل خوردگی می باشدو 3 آزمایشbench – scale می باشد[2].
1-3-2-آزمایش های ارزیابی سریع
آقای
Martinez [16] آزمایش های پتانسیل خوردگی ، ماکروسل خوردگی را برروی فولاد
در سال 1990 انجام داد . تحقیقات انجام شده شامل توسعه و ارزیابی نمونه
های آزمایش استاندارد آن در پتانسیل خوردگی و ماکروسل خوردگی می باشد و
تأثیر متفاوت غلظتهای آنها برای 3 فاکتور (کلراید کلسیم – کلراید سدیم ،
کلرید استات منیزیم ) برروی خوردگی فولاد تقویت شده در ملات می باشد .
نمونهای
که در ارزیابی سریع استفاده می شود 127mm طول دارد با شماره (No.4)13 میله
تقویت شده که تا حدودی در ملات فرو برده می شود ، نمونه یک پوشش نازکی از
ملات را دارد که کلراید در یک زمان کوتاه به فولاد می رسد . پتانسیل خوردگی
یک جریان نسبی ای از مواد را مشخص می کند که در محیط خورده می شود.
آزمایش
ماکروسل برای اندازه گیری سرعت خوردگی فولاد استفاده می شود . در اولین
هفته آزمون پتانسیل خوردگی نتایج بیشتری را نسبت به آزمون ماکروسل نشان می
دهد . نتایج نشان می دهد که کلراید کلسیم قدرت نفوذپذیری بیشتری نسبت به
کلراید سدیم دارد در حالی که استات منیزیم کلسیم کمترین خورندگی را دارد[2]
.
2-3-2- آزمون Bench – Scale
آزمون Bench- scale شامل آزمون های ASTM G109 –CB -SE می باشد
نمونه
Bench- scale عبارتست از یک تختال بتنی با محتوی 2 ماده فولادی که جریان
ماکروسل بین 2 قسمت فولاد اندازه گیری می شود و سرعت خوردگی میله ها راهمین
طور اندازه گیری می کنیم ( قسمت 2-3-1) و همچنین پتانسیل خوردگی قسمت
بالائی و پایین ماده ها را گزارش می دهد .نمونه SE عبارتست از یک تختال
بتنی با طول mm805 (12in)-پهنای (12in)mm305 وارتفاع mm179 (12in) ،
نمونهCB طویل تر از نمونه SE می باشد و نصف پهنای SE.رادارد
یک ترک مانندی در بتن به طور خط موازی و حدوداً‌تا بالای میله قرار دارد (6in)152mm) (0.012in)0.3mm طول(
نمونه ASTM G109 عبارتست از یک تختال بتنی با طول (11in) mm279 و با پهنای(6in)152mm و (4.5in)114mm ارتفاع می باشد.
سیکلی
که این آزمون ها را شامل می باشد نمونه ای می باشد که 100 ساعت در
محلولNaCl 15% قرار می گیرد و سپس نمونه در اثر حرارت خشک می شود( 100°F و
به مدت 64 ساعت) بعد از این دوره نمونه ها خشک می شوندو تا 2 هفته این سیکل
ادامه پیدا می کند تا جریان خوردگی بین 2 قسمت فولاد به برسد .
آزمون
های مکانیکی برای استحکام کششی و استحکام تسلیم و Elongation ( درصد
کشیدگی ) بر روی فولاد میکروآلیاژی انجام می شود و همچنین آزمون خمش[2].
4-2- روش کار آزمایش
پتانسیل
خوردگی ، ماکروسل خوردگی ، Cracked beam , Southern Exposure و آزمون ASTM
G109، برای مقایسه انواع مختلف فولاد تقویت شده استفاده می شود .
آزمونی که برای ارزیابی سریع انجام می شود آزمون Bench-Scale با 3 فاکتور ASTMG109, CB , SE می باشد .
این فصل احتیاجات و موادهای لازم و روش کار و استفاده آنها را برای ساختن نمونه ها توضیح می دهد و رفتار خوردگی را گزارش می دهد[2].
5-2- فولاد تقویت شده
در جدول 1-2و 2-2 حالت های شیمیایی و خاصیت های مکانیکی فولاد توسط Gerdau Ameristeel گزارش شده است[2].
انواع این فولادها به شرح زیر است :
فولاد N: فولاد معمولی نرماله شده
فولاد T: فولاد معمولی عملایت حرارتی شده
فولاد CRT1: فولاد میکروآلیاژی با فسفر بالا حدود (0.117%)
فولاد CRPT2: فولاد میکروآلیاژی فسفردار (0.1%)عملیات حرارتی شده
فولاد CRT: فولاد میکرو آلیاژها با فسفر نرمال و عملیات حرارتی شده
6-2- آزمون ارزیابی سریع
در
این پروژه آزمون ارزیابی ای که استفاده می شود آزمون ماکروسل خوردگی و
آزمون پتانسیل خوردگی می باشد میله هایی که مورد آزمایش قرار می گیرند با
پوشش ملات یا شامل 55 آزمون پتانسیل خوردگی و 115 آزمون ماکروسل می باشد.
این قسمت شامل یک توضیحی از مواد لازم جهت آزمایشات و نمونه های مورد آزمایش می‌باشد[2].
1-6-2-شرح آزمایش
1-1-6-2- آزمون پتانسیل خوردگی
آزمون پتانسیل خوردگی با جریان نسبی از مواد که در محیط خورده می شود اندازه گیری می شود.
پتانسیل
خوردگی میله های تقویت شده در محلول یونی NaCl با غلظتهای 1.6m, 0.4m
اندازه گیری می شود که با الکترود اشباع شده calomel در یک محلول اشباع
شده کلراید پتاسیم تماس دارد. در شکل 1-2 نمونهای را مشاهده می‌کنیم که
در مرکز ظرف ثابت شده به کمک Styrofoam نگهداری می شود در این مورد نمونه
ملاتی ( در شکل 1-2 نشان داده شده است ) نمونهای می باشد که در به طور
کامل از ملات پرشده است.
مشابه
بتنی آن که با محلول NaCl که در ظرف می‌باشد mm (2in)51 در بالای میله و
در بالای فولادی که سطح آن از ملات می باشد نمونهای که با روکش از
پایین آزاد می باشد با یک سیم مسی بسته شده است .
یک
پل نمکی که به حلال اشباع شده متصل می باشد و ظرفی دیگر وجود دارد که در
آن حلال اشباع شده کلراید پتاسیم می باشد. ولتاژی که خوانده می شود متصل
است به الکترود اشباع شده calomel که ولت متر مقادیر مثبت و منفی را نشان
می دهد که به جعبه ترمینال متصل می باشد[2] .
شکل1-2- آزمایش پتانسیل خوردگی برای نمونه ملاتی
2-1-6-2-آزمون پتانسیل خوردگی
با کاربرد آزمون پتانسیل خوردگی ، میزان سرعت خوردگی فولاد مشخص می شود
شکل
2-2 و 3-2 ثابت ماکروسل را برروی آندریک کاتد نشان می دهد . کاتد در یک
محلول بتنی مانند ساخته می شود . ثابت آندی هم در یکی از نمونه ها در محلول
بتن مانند با کلراید سدیم ( با غلظت1.6M , 0.4 ساخته می شود . پتانسیل
خوردگی آندی و کاتدی با الکترود مرجع اشباع نشده Calomel در نظر گرفته می
شود (SCE)
این
آزمون ها تا 100 روز ادامه پیدا می کند. برای آند نمونه ای را در نظر می
گیریم که در وسط ظرف می باشند و این نمونه روکش ملاتی دارد و به طور کامل
از ملات احاطه شده است و بالای میله توسط Styrofoam نگهداری می شود .
پل نمکی موجود ، به محلولی که آند و کاتد را احاطه کرده است متصل است.
شکل 2-2- آزمایش ماکروسل برای میله های ساده
شکل 3-2-آزمایش ماکروسل برای نمونه های ملاتی
مقدار ولتاژ از مقاومت 10 اهم کاسته می شود به طوری که تمام جریان ماکروسل به
Black binding Post , Red binding post در جعبه ترمینال متصل می شود.
ترمینال مثبت از ولتاژ به Black binding Post متصل می شود. ترمینال منفی
از ولتاژ به binding post Red متصل می شود . و بعد از کاهش ولتاژ
مقدار آن خوانده می شود .آند از Terminal box جدا می شوند و پس از 2 ساعت
جدائی پتانسیل خوردگی آند و کاتد با الکترود اشباع شده Calomel در محلول
که میله را احاطه کرده است اندازه گیری می شود به ترمینال مثبت متصل می
شود. شکل4-2 آزمایش ماکروسل را نشان می دهد وقتیکه پتانسیل خوردگی در آن
اندازه گیری می شود[2] .
شکل 4-2-آزمایش ماکروسل برای مطالعه پتانسیل خوردگی
شدت پتانسیل خوردگی : ic
Mv سقوط ولتاژ مقاومت V=
(ohm) مقاومت =R
Cm2 سطح فلز میله‌ی آندی =A
2-6-2- خاصیت نمونه های آزمایش
نمونه که در آزمایش پتانسیل خوردگی استفاده می‌شود دارای (5in) 127mm طول با شماره 16 می باشد.
میله تقویت شده و جانی از میله که درملات فرو برده می شود در شکل 5-2 آمده است
بخشی
از میله با Epoxy پوشش داده شده است با چسبیدن Epoxy سطح بهتری پیش بینی
می شود . بعد از تمیزکردن کانال برداشته می شود و میله ها توسط استن
(acetone) تمیز می شوند. Epoxy در 2 نوع پوشش عمل می کنند. یک پوشش وقتی
که اولین پوشش تقریباً بعد از 2 ساعت چسبناک به نظر می رسد.
بسیاری
از نمونه ها از انتهایشان سرپوش پلاستیکی دارند . دراین مورد اولین پوشسش
Epoxy در Unthreaded پایین میله عمل می شود. شکل 5-2 یک طرحی از نمونه
ماکروسل ، سرپوش دار بر روی پایین نمونه میله ای را نشان می دهد[2] .
شکل 5-2- نمونه ملاتی
3-6-2- برنامه آزمایش
در
مجموع 55 پتانسیل خوردگی انجام می شود این آزمایش ها شامل 5 آزمون برای هر
نوع از فولاد درمحلول 1.6m NaCl و 3 تای آن برای هر نوع فولاد با پوشش
ملاتی در غلظت های (0.4m,1.6m)NaCl می باشد در مجموع 115 ازمون ماکروسل
انجام می شود که شامل آزمایش های 5 میله ساده برای هر نوع از فولاد در یون
NaClبا غلظت های 0.4m,1.6m می باشد و شامل آزمایش هایی می باشد که با
پوشش ملاتی برای هر نوع فولاد بدون سرپوش از غلظت های مختلف داریم.خلاصه
برنامه آزمایش ها برای آزمایش های ارزیابی سرعت در جدول 3-2 .و 4-2 آمده
است[2].
فصل اول
مقدمه
1-1-تعریف خوردگی خوردگی را تخریب یا فاسد شدن
یک ماده در اثر واکنش با محیطی که در آن قراردارد تعریف می کنند و بعضی ها
اصرار دارند که این تعریف بایستی محدود به فلزات باشد . ولی بایستی برای
حل این مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر بگیریم .مثلاً‌تخریب رنگ و
لاستیک بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی ، خورده شدن جدارة کوره فولاد
سازی ، و خوره شدن یک فلز جامد بوسیله مذاب یک فلز دیگر و حتی خورد شدن
فولادی که در داخل تیرهای بتنی برق قرار دارد تماماً خوردگی نامیده می
شوند.2-1- محیط های خورنده :عملاً‌کلیه محیط ها خورنده هستند،لکن شدت
خورندگی آنها متفاوت است . مثالهایی در این مورد عبارتند از : هوا ، رطوبت
آبهای تازه ، مقطر،نمکدار و معدنی . اتمسفرهای روستائی، شهری،صنعتی ،
بخار و گازهای دیگر مثل کلر- آمونیاک –سولفور هیدروژن ، دی اکسید گوگرد
وگازهای سوختنی، اسیدهای معدنی مثل اسید کلریدریک، سولفوریک و نیتریک،
اسیدها‌ی‌آلی مثل اسید نفتیک، استیک و فرمیک، قلیائی ها ، خاکها ، طلاها،
روغنهای نباتی و نفتی و انواع و اقسام محصولات غذائی، بطور کل مواد «معدنی
» خورنده تر از مواد «آلی » می باشند. مثلاً‌خوردگی در صنایع نفت بیشتر
در اثر کلرور سدیم ، گوگرد ، اسید سولفوریک و کلریدریک و آب است تا بخاطر
روغن ، نفت و بنزین .کاربرد درجه حرارتهای فشارهای بالا در صنایع شیمیایی
باعث امکان پذیر شدن فرآیندهای جدید با بهبود فرآیندها قدیمی شده است ، به
عنوان مثال ( راندمان بالاتر ) سرعت تولید بیشتر ، یا تقلیل قیمت تمام شده .
این مطلب همچنین در مورد تولید انرژی از جمله انرژی هسته‌‌ای ، صنایع
فضائی و تعداد بسیار زیادی از روشها و فرآیندها صادق است . درجه حرارتها و
فشارهای بالاتر معمولاً باعث ایجاد شرایط خوردگی شدیدتر می گردند بسیاری از
فرآیندها و عملیات متداول امروزه بدون استفاده از مواد مقاوم در برابر
خوردگی غیر ممکن یاغیر اقتصادی می باشند.زنگ لفظی است که برای آلیاژهای
آهنی به کار برده می شود. زنگ از اکسیدهای آهن تشکیل شده و معمولاً‌اکسید
نیتریک هیدراته است . موقعی که در یک آگهی تجاری ادعا می شود که یک آلیاژ
غیر آهنی زنگ نمی زند ، ادعایی بیش نیست و لکن بدان معنی نسبت که آن فلز
خورده نخواهد شد 3-1- فولادهای کم آلیاژی: فولادهای کربنی با یک یا چند
عنصر کرم ، نیکل ، مس ، مولیبدن ، فسفر وانادیم، به مقادیر چند درصد یا
کمتر از فولاد کم آلیاژی می نامند. مقادیر بالا از عناصر الیاژی معمولاً
برای خواص مکانیکی و سختی پذیری است . از نقطه نظر مقاومت در برابر خوردگی
محدودة تا ماکزیمم 2 درصد بیشتر مورد توجه است . در این محدوده استحکام
فولادها بالاتر از فولادهای ساده کربنی بوده ولی مهمترین خاصیت آنها
مقاومت خیلی بهتر در برابر خوردگی آتمسفری است .گاهی اوقات در محیط های آبی
نیز این فولادها دارای مزایائی می باشند
1-3-1-
اثرات افزودنی های میکروآلیاژ کننده : این بخش بر روی فولادهای پرلیت –
فریت میکروآلیاژ شده تاکید کرده است ، که از افزودنی های عناصر آلیاژ کننده
مثل نیوبیوم و وانادیوم برای بالا بردن کربن و یا محتواهای منگنز استفاده
می کند ( و به این ترتیب توانایی حمل بار بالا می رود ) بررسی های گسترده
در طول دهه 1960 بر روی اثرات نیوبیوم و وانادیوم روی خصوصیات مواد یا
مصالح درجه ساختمانی باعث کشف این موضوع گردید که مقادیر کم نیوبیوم،
وانادیوم هر کدام (10/0% ) فولادهای استاندارد کربن – منگنز را بدون تداخل
با بعمل آوری بعدی مستحکم و قوی می سازند مقدار کربن نیز می تواند کم شود
تا هم قابلیت جوش را بالا ببرد و هم چقرمگی را ، چون اثرات مقاومت دهندگی
نیوبیوم و وانادیوم بخاطر کاهش در استحکام ناشی از کاهش در مقدار کربن
جبران می شوند . خصوصیات مکانیکی فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالای
میکرو آلیاژ شده ، فقط در صورت افزایش عناصر میکرو آلیاژ کننده حاصل می
شوند . لازمه ی وجود آستنیت که به اثرات پیچیده طرح آلیاژ و تکنیک های نورد
کاری بستگی دارد ، نیز یک فاکتور مهم در تصفیه دانه ای فولادهای کم آلیاژ
دارای استحکام بالای نورد گرم است . تصفیه دانه ای در صورت وجود آستنیت با
روش های نورد کاری کنترل شده ، باعث چقرمگی بالا و استحکامهای تسلیم زیاد
در رنج 345 تا 620 مگا پاسکال(ksi 90 تا 50) می شود. ]1[این توسعه
فرآیندهای نوردکاری کنترل شده همراه با طرح آلیاژ، سطوح استحکام تسلیم
بالایی را تولید کرده است که با پایین آمدن تدریجی مقدار کربن توام می باشد
بسیاری از فولادهای کم آلیاژ دارای استحکام بالا میکروآلیاژ شده اختصاصی ،
مقادیر کربن به کمی 60/0% و یا حتی کمتر دارند ، با این حال هنوز می
توانند استحکام تسلیم حدود 485 مگا پاسکال (ksi 70) را توسعه داده و ایجاد
نمایند . استحکام تسلیم بالا ، با اثرات ترکیبی اندازه دانه ریز ایجاد شده
و در طول نورد کاری گرم کنترل شده و استحکام دهندگی رسوب حاصل می شود که
این خصوصیت ناشی از حضور وانادیوم ، نیوبیوم و تیتانیوم است . 2-3-1- انواع
گوناگون فولادهای فریت – پرلیت میکروآلیاژ شده عبارتند از
: 1-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم 2-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ
شده نیوبیوم 3-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم –
نیوبیوم 4-2-3-1- فولادهای مولیبدن – نیوبیوم 5-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ
شده وانادیوم – نیتروژن 6-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده
تیتانیوم 7-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم –
تیتانیوم 8-2-3-1-فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم – وانادیوم این فولادها
ممکن است شامل عناصر دیگری هم باشند تا مقاومت خوردگی بالایی داشته باشند و
مقاومت محلول جامد را بالا برده و قابلیت سخت کاری زیادی را در بر
بگیرند(اگر محصولات تغییر شکل غیر از فریت – پرلیت بهینه باشند) ]1[.
1-2-3-1-
فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم : تهیه و توسعه فولادهای حاوی وانادیوم
مدت کوتاهی پس از تهیه فولادهای هوازدگی رخ می دهد و محصولات نورد شده صاف
با بیش از 10/0% وانادیوم بطور وسیعی در شرایط نورد گرم بکار می روند
فولادهای حاوی وانادیوم نیز در شرایط نورد کنترل شده ، نرمال شده و یا
کوئنچ و تمپر شده بکار می روند . وانادیوم با تشکیل ذرات رسوب ریز ( با قطر
5 الی 100 نانومتر ) V (CN) در فریت در طول سرد سازی پس از نورد گرم به
قوی ساختن کمک می کند . این رسوبات وانادیوم ، که به پایداری رسوبات
نیوبیوم نیستند ، محلول در همه دماهای عادی نورد کاری هستند که برای ایجاد
فریت دانه ریز مفید می باشند (بخش فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم در این
تحقیق را مشاهده نمایید) قوی ساختن به وسیله وانادیوم ، بین 5تا 15 مگا
پاسکال ( ksi 2 و 7/0 ) در هر 01/0 ترکیب شیمیایی وانادیوم است و این حد
متوسط به مقدار کربن و سرعت سرد سازی حاصل از نورد گرم بستگی دارد ( و
بنابراین به ضخامت مقطع نیز بستگی دارد ) سرعت سرد سازی که با دمای نورد
گرم و ضخامت مقطع معین می شود برروی قوی ساختن سطح رسوب در فولاد 15/0%
وانادیوم تاثیر می گذارد که در شکل 1-1 نشان داده شده است .
شکل (1-1)- اثر میزان سرد کاری روی افزایش استحکام تسلیم ناشی از قوی ساختن رسوب در یک فولاد 15/0 درصد وانادیوم ]1[
در
سرعت های سرد سازی بالا بیشتر ذرات (CN) V در محلول باقی می ماند و
بنابراین بخش کوچکتری از ذرات (CN) V رسوب کرده و قوی ساختن نیز کاهش می
یابد در مورد یک ضخامت مقطع داده شده و محیط سرد سازی ، سرعت های سرد سازی
می توانند با افزایش یا کاهش دما قبل ازسرد سازی به ترتیب افزایش یافته و
یا کاهش یابند. افزایش دما باعث بزرگتر شدن اندازه دانه ای آستنیت می شود
در حالیکه کاهش دمای نورد کاری را دشوار تر می سازد . مقدار منگنز نیز بر
روی استحکام دادن فولادهای میکروآلیاژ شده وانادیوم تاثیر می گذارد اثر
منگنز روی فولاد وانادیوم نورد شده گرم در جدول (2-1) نشان داده شده است با
افزایش 9/0 درصد منگنز که ناشی از قوی ساختن محلول جامد است . قوی کردن
رسوب وانادیوم نیز افزایش می یابد چون منگنز دمای تغییر شکل آستنیت به فریت
را پایین می آورد به این ترتیب باعث پراکندگی رسوب ریزتر می شود . این اثر
منگنز روی قوی ساختن رسوب بزرگتر از اثرش در فولادهای نیوبیوم است با
اینحال استحکام مطلق در یک فولاد نیوبیوم دارای Mn 2/1 % فقط حدود 50 مگا
پاسکال ( ksi 7) کمتر از فولاد وانادیوم است اما در سطح آلیاژی بسیار کمتری
است ( یعنی nb 06/0 % در برابر 14/0% وانادیوم ) سومین عاملی که روی
استحکام فولادهای وانادیوم تاثیر می گذارد اندازه دانه ای فریت تولید شده
بعد از سرد سازی از دمای آستنیت کننده است . اندازه های دانه ای فریت ریزتر
(که نه تنها باعث استحکام های تسلیم بالاتر شده بلکه چقرمگی و شکل پذیری
را نیز بالا می برند) می توانند با دماهای تغییر شکل کمتر آستنیت به فریت و
یا با شکل گیری اندازه های دانه ای آستنیت ریز تر قبل از تغییر شکل تولید
شوند پایین آوردن دمای تغییر شکل که روی قوی ساختن سطح رسوب تاثیر می گذارد
می تواند با افزودن آلیاژ و یا با سرعت های سردسازی افزایش یافته ایجاد
شود در مورد یک سرعت سرد سازی داده شده تصفیه اندازه دانه فریت و تصفیه
اندازه دانه آستنیت در طول نورد کاری صورت می گیرد . اندازه دانه آستنیت
فولادهای نورد گرم با تبلور مجدد و رشد دانه ای آستنیت در طول نورد کاری
معین می شود فولادهای نورد گرم وانادیوم معمولاً دستخوش نوردکاری قراردادی
قرار می گیرند اما با نورد کنترل شده تبلور مجدد تولید می شود. با نورد
کاری قراردادی فولادهای وانادیوم قوی ساختن مناسب رسوب را تهیه کرده و قوی
ساختن نسبتاً کمی را از تصفیه دانه ایجاد می کنند استحکام تسلیم حداکثر
فولادهای وانادیوم نورد گرم قراردادی با 25/0 درصد کربن و 087/0 درصد
وانادیوم حدود 450 مگا پاسکال (ksi 65) است . حد عملی استحکام های تسلیم
برای فولاد میکرو آلیاژ شده وانادیوم نورد گرم حدود 415 مگا پاسکال (ksi
60) است حتی وقتی تکنیک های نورد کاری کنترل شده بکار روند . فولادهای
وانادیوم که در معرض نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد قرار می گیرند
نیاز به اضافه کردن تیتانیوم دارند بطوریکه رسوب ریزی ازTiN تشکیل می شود
که رشد دانه آستنیت را بعد از تبلور مجدد محدود می سازد . استحکام های
تسلیم از نورد کاری کنترل شده قراردادی به حد عملی حدود 415 مگا پاسکال
(ksi 60) محدود شده است که به دلیل فقدان تاخیر تبلور مجدد است وقتی هم
استحکام و هم چقرمگی ضربه ای از جمله عوامل مهم باشند در این صورت فولاد
نیوبیوم کم کربن و نورد کاری شده کنترل شده قابل ترجیح است ( مثل ورقه
مقاوم به ترک خوردگی تحریک شده هیدروژن 60- X )]1[
جدول(2-1)-
اثر مقدار منگنز روی قوی ساختن رسوب فولاد میکروآلیاژ شده وانادیوم با
ترکیب پایه 08/0 درصد کربن و 30/0 درصد سیلیسیوم ]1[
2-2-3-1- فولادهای
میکروآلیاژ شده نیوبیوم : مثل وانادیوم ، نیوبیوم استحکام تسلیم را با سخت
کردن رسوب ، بالا می برد ، میزان افزایش به اندازه و مقدار کاربیدهای
نیوبیوم رسوب کرده بستگی دارد .
شکل(2-1)- اثر
کاربید نیوبیوم روی استحکام تسلیم برای اندازه های متفاوت ذرات
کاربیدنیوبیوم ]1[با این حال نیوبیوم نیز یک تصفیه کننده دانه ای موثر از
وانادیوم است . بنابراین اثر ترکیبی قوی کردن رسوب و تصفیه دانه فریت
نیوبیوم، یک عمل قوی کننده موثرتر از وانادیوم می سازد . اضافه کردن
نیوبیوم معمولاً حدود 04/0% تا 02/0% درصد است . استحکام دهی با نیوبیوم 35
تا 45 مگا پاسکال (5تا 6 ksi )در هر 01/0 درصد اضافه کردن است. این
استحکام دهی با نقص قابل توجهی از چقرمگی فاز توام می باشد . تا اینکه
روندهای نوردکاری ویژه ای تهیه شدند و مقادیر کربن برای جلوگیری از شکل
گیری بینیت فوقانی پایین آورده شدند . بطور کلی دماهای پرداخت کاری بالا و
عبورهای تغییر شکل نوری در مورد فولادهای نیوبیوم بکار می روند چون ممکن
است باعث افزایش اندازه های دانه های مخلوط و یا فریت و یدمن اشتاتن شود که
چقرمگی را ناقص می کند . فولادهای نیوبیوم با نورد کاری کنترل شده و سرد
کردن مستقیم تولید می شوند.نوردکاری کنترل شده تحت تبلور مجدد فولاد
نیوبیوم می تواند بدون تیتانیوم موثر باشد و این در حالی است که نورد کاری
تحت تبلور مجدد فولادهای وانادیوم برای تصفیه ی دانه ای به تیتانیوم نیاز
دارد . همچنین نیوبیوم بسیاری مورد نیاز است و فولادهای تیتانیوم – نیوبیوم
می توانند در دماهای بالاتر نورد کنترل شده تحت تبلور مجدد بشوند. در حال
حاضر فولادهای سطح ساحلی با ضخامت بیش از 75 میلیمتر (in 3) و با استحکام
های تسلیم 345 تا 415 مگا پاسکال (50 تا 60 ksi) بطور معمول تولید می شوند .
]1[
3-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده نیوبیوم – وانادیوم : فولادهای
میکروآلیاژ دارای نیوبیوم و وانادیوم استحکام تسلیم بالاتری در شرایط نورد
گرم بطور قراردادی نسبت به فولادهای موجود را دارد . مثل فولادهای نورد
گرم ، فولادهای وانادیوم – نیوبیوم تقریباً همه از استحکام افزایش یافته
اشان به دلیل استحکام دهی به رسوب مشتق می شوند و بنابراین دماهای انتقال
بالای شکل پذیر – شکننده دارند . اگر فولاد نورد، کنترل شده باشد اضافه
کردن نیوبیوم و وانادیوم با هم از جمله مزایایی برای افزایش استحکام تسلیم و
پایین آوردن دماهای انتقالی شکل پذیر – شکننده یا تصفیه دانه ای است
. معمولاً فولادهای نیوبیوم – وانادیوم با مقادیر کربن نسبتاً پایین شناخته
می شوند . ( کربن کمتر از %10/0) این مقدار پرلیت را کاهش می دهد و چقرمگی
، شکل پذیری و قابلیت جوش را بالا می برد. این فولادها، معمولاً به عنوان
فولادهای کاهش یافته پرلیت شناخته می شوند. ]1[4-2-3-1- فولادهای
میکروآلیاژ شده مولیبدن – نیوبیوم : ممکن است میکروساختمان پرلیت – فریت
داشته باشند و یا یک میکرو ساختمان فریت سوزنی داشته باشند ، در فولادهای
نیوبیوم، اضافه کردن مولیبدن ، استحکام و تسلیم و استحکام کششی را حدود 20
مگا پاسکال (ksi 3) تا 30 مگا پاسکال (ksi 5/4) به ترتیب در هر 1/0 درصد
روی رنج تحقیق شده 27/0 درصد مولیبدن افزایش می دهد ، اثر اصلی مولیبدن روی
میکروساختمان – تغییر مورفولوژی پرلیت و معرفی بینیت فوقانی به صورت
جانشینی جزیی برای پرلیت است . با این حال ، چون مقادیر جداگانه استحکام
پرلیت و بینیت تا حدی مشابهند از اینرو پیشنهاد شده است که افزایش استحکام
ناشی از قوی ساختن محلول جامد و قوی ساختن زیاد رسوب (CN) Nb حاصله با
نیوبیوم – مولیبدن باشد . واکنش بین مولیبدن و نیوبیوم ( یا وانادیوم ( با
اضافه کردن مولیبدن به صورت توزیعی برای افزایش قوی ساختن رسوب پیشنهاد شده
است . این اثر به رسوب کاهش یافته در آستنیت به دلیل افزایش در قابلیت
انحلال ناشی از کاهش در فعالیت کربن ایجاد شده با مولیبدن نسبت داده شده
است . با رسوب کمتر در آستنیت ، رسوبات بیشتری می توانند در فریت تشکیل
شوند که باعث بالا رفتن استحکام می شود ، همچنین مولیبدن در خود رسوبات
شناسایی شده است ، حضورش ممکن است ، کارآیی قوی شدن را با افزایش و تنش های
چسبندگی ( پیوستگی ( و یا با افزایش کسر حجم رسوب ، بالا برد ، این فاکتور
های متالوژیکی وقتی در رابطه با کارآیی نورد کنترل شده برای دماهای زیر
دمای AR3 در نظر گرفته می شوند، منجر به تهیه فولاد خط لوله نیوبیوم-
مولیبدن 70-X مقرون به صرفه تر می شوند . ]1[
5-2-3-1- فولادهای میکرو
آلیاژ شده ی وانادیوم – نیتروژن : وانادیوم ، به طور قوی تر از نیوبیوم ،
با نیتروژن ترکیب می شود و رسوبات نیترید وانادیوم در فولاد نیتروژن –
وانادیوم تشکیل می دهند . افزودنی های نیتروژنی به فولادهای دارای استحکام
بالا و حاوی وانادیوم ، از لحاظ تجاری مهم شدند چون افزودنی ها ، سخت کاری
رسوب را بالا می برند . سخت کاری رسوب ممکن است با کاهش در چقرمگی فاز
همراه باشد ، اما این کاهش اغلب با کم کردن محتوای کربن دیگر صورت نمی گیرد
، رسوب نیترید وانادیوم نیز به صورت یک تصفیه کننده دانه ای عمل می کند
. بعضی از تولید کنندگان از افزودنی های نیتروژن استفاده می کنند تا به قوی
ساختن رسوب ورقه سرد و کنترل شده با ضخامت بالای 5/9 میلیمتر (in 375/0)
کمک کنند ورقه های نورد گرم دارای وانادیوم و دارای 022/0% تا 018/0% درصد
نیتروژن باسرد سازی کنترل شده با ضخامت بالای 16 میلیمتر ( in 625/0 ) و
دارای استحکام های تسلیم 550 مگا پاسکال (ksi 80)تولید شده اند . با این
حال ، ترک خوردگی به تاخیر افتاده ، یک مشکل اصلی در این فولادهاست .
استفاده از نیتروژن ، برای فولاد هایی توصیه نمی شود که جوش می خورند چون
اثر مخربی روی چقرمگی فاز در ناحیه ی تحت تاثیر گرما دارد.]1[
6-2-3-1-
فولادهای میکروآلیاژ شده ی تیتانیوم : تیتانیوم در فولاد های کم کربن به
صورت ترکیباتی شکل می گیرد که تصفیه دانه ، قوی ساختن رسوب و کنترل شکل
سولفید را فراهم می آورد . با اینحال ، چون تیتانیوم نیز یک دی اکسید کننده
قوی است ، از این رو ، تیتانیوم می تواند فقط در فولادهای کاملاً کشته شده
به کار رود ( آلومینیوم دی اکسید شده ) به طوری که تیتانیوم برای شکل دهی
ترکیباتی غیر از اکسید تیتانیوم موجود است . از لحاظ تجاری ، رسوب فولاد
های قوی شده با تیتانیوم با ضخامت بیش از 9/5 میلیمتر (in 375/0 ) و با
استحکام تسلیم حداقل متغیر از 345 تا 550 مگا پاسکال (50 تا 80 ksi) با
نورد کاری کنترل شده مورد نیاز برای به حداکثر رساندن استحکام و بالا بردن
چقرمگی ، تولید می شوند . مثل فولادهای نیوبیوم و یا وانادیوم ، فولادهای
میکروآلیاژ شده تیتانیوم ، با مکانیزم هایی مستحکم می شوند که با ترکیبی از
تصفیه دانه و استحکام دهی رسوب توام می باشند ، ترکیبی که به مقدار
افزودنی های آلیاژ و روشهای به عمل آوری بستگی دارد . در فولادهای ریختگی
پیوسته و یا مجدداً حرارت داده شده ، مقادیر کمی از تیتانیوم ( تیتانیوم
025/0 درصد> ) از جمله تصفیه کننده های دانه موثرند . چون ریشه دانه
آستنیت با نیترید تیتانیوم به تاخیر می افتد (شکل a3-1).
شکل
a(3-1)- در زبری دانه آستنیت طی گرم کردن مجدد و بعد از نورد گرم برای
نگهداری به مدت 30 دقیقه که مقدار تیتانیوم بین080/0% و 022/0% درصد می
باشد.]1[
مقادیر کم تیتانیوم در نورد کاری کنترل شده تحت تبلور مجدد نیز
موثر است ، چون نیترید تیتانیوم ، رشد دانه آستنیت باز متبلور شده را به
تاخیر می اندازد . در نورد کاری کنترل شده قراردادی ، تیتانیوم ، تصفیه
کننده دانه متوسط است ، که تصفیه کمتر از نیوبیوم را ایجاد می کند اما
بیشتر از وانادیوم است . بنابراین برای قوی کردن رسوب ( شکل b 3-1) مقدار
کافی تیتانیوم برای تشکیل کاربید تیتانیوم مورد نیاز است، درصد های کم
تیتانیوم ( تیتانیوم 025/0درصد > ) اساساً نیترید تیتانیوم تشکیل می
دهند ، که روی رشد دانه آستنیت تاثیر دارند اما اثر کم روی قوی کردن رسوب
دارند چون رسوب های تشکیل شده در مایع ، درشت و ناهموار هستند . افزایش
مقدار تیتانیوم منجر به تشکیل آخال های سولفید منگنز حاوی تیتانیوم
(Mn,Ti)S می شود و سپس کربوسولفیدهای کروی ، Ti4,C2,S2 تشکیل می شوند ( که
کنترل شکل سولفید را انجام می دهند) ]1[.
شکلb
(3-1)- وابستگی استحکام دهی رسوب روی اندازه متوسط رسوب (X) و کسر آن
مطابق با تئوری و مشاهدات آزمایشی برای افزودنی های میکروآلیاژ کننده ی
داده شده]1[شکل گیری Ti4,C2,S2 همراه با شکل گیری کاربید تیتانیوم (TiC (
است و با آن دنبال می شود ، که می تواند برای قوی کردن رسوب فولادهای کم
کربن به کار رود . برای تعیین مقدار تیتانیوم که برای قوی کردن رسوب موجود
است ، مقدار کامل تیتانیوم باید برای شکل گیری نیترید تیتانیوم و
کربوسولفیدهای نامحلول و درشت تنظیم شود . این نمونه ها در قوی ساختن رسوب ،
ته نشین نمی شود . استحکام مشاهده شده از لحاظ آزمایشی که از رسوب TiC
افزایش می یابد، برای هر ذره بسیار ریزی ( کمتر از 30 آنگستروم) تا بالای
440 مگا پاسکال متغیر است (شکلb3-1).اگر مقدار کافی تیتانیوم به کار رود ،
تیتانیوم بعداً می تواند استحکام دهی رسوب بیشتر از نیوبیوم و یا وانادیوم
فراهم کند . با این حال چون سطوح بالاتر استحکام دهی رسوب ، معمولاً توام
با چقرمگی کم شده است ، از این رو تصفیه دانه برای توسعه و بالا بردن
چقرمگی ضروری می شود . تیتانیوم یک تصفیه کننده دانه ای متوسط است ( در
مقایسه با نیوبیوم و وانادیوم در فولادهای نورد گرم شده ) و سطوح بالای
استحکام دهی رسوب فولادهای میکروآلیاژ شده تیتانیوم باعث کاهش شدید در
چقرمگی می شود . استفاده از فقط تیتانیوم به عنوان یک استحکام دهنده در
نوار نورد گرم پر استحکام منجر به تغییر پذیری غیر قابل قبول در خصوصیات
مکانیکی می شود . (شکلb3-1). ]1[
7-2-3-1- فولادهای میکروآلیاژ شده ی
تیتانیوم – نیوبیوم : گرچه فولادهای تیتانیوم رسوب قوی شده محدودیت هایی
بنا بر چقرمگی و تغییر پذیری خصوصیات مکانیکی دارند ، اما تحقیق نشان داده
است که اضافه کردن تیتانیوم به فولادهای نیوبیوم کم کربن باعث پیشرفت در
خصوصیات اشان می شود . تیتانیوم ، کارآیی نیوبیوم را افزایش می دهد . چون
آن با نیترید تیتانیوم تشکیل دهنده ترکیب نیتروژن است ، بنابراین از شکل
گیری نیوبیوم جلوگیری می کند و قابلیت افزایش انحلال نیوبیوم را در آستنیت
میسر می سازد که باعث رسوب افزایش یافته ای از ذرات Nb(C,N) در فریت می شود
اضافه کردن 04/0 درصد تیتانیوم به نوار فولاد حاوی مقادیر متفاوت نیوبیوم ،
به طور ثابت ، افزایش استحکام حدود 105 مگا پاسکال (ksi 15) را برای دمای
675 درجه ی سانتیگراد (1250 درجه ی فارنهایت ) تولید می کند. نوار فولاد
تیتانیوم – نیوبیوم نورد گرم شده در ایجاد استحکام های تسلیم حدود 550 مگا
پاسکال (ksi 80) موثر است . افزودن وانادیوم و یا مولیبدن می توان استحکام
ها را تا 690 مگا پاسکال (ksi 100) بالا ببرد . ]1[
فصل دوم :مروری بر منابع
یکی
از مشکلات اصلی عمر ساختمان های بتنی خوردگی در فولادهای آن ساختمان
می‌باشد. فولاد میکرو آلیاژ دارای کربن معادل %0.4,%0.3 می باشد و حاوی
غلظتی از آلیاژهای کرم و مس و فسفر می باشد. بر طبق گفته کمپانی TaTa (
کمپانی فولاد در هند 1991) [23] مس با کلراید واکنش داده و برروی سطح فولاد
یک لایه از Cucl2.3cu(oH)2 تشکیل میدهد و قابلت انحلال را پایین می‌آورد و
فرآیند خوردگی را به تعویق می اندازد و فسفر هم با اکسید شدن پروسه خوردگی
را کند می کند و کرم هم با تشکیل یک لایه (Feo.Cr2O3) رسانایی ناچیز در
الکترون ها دارد .بسیاری از فولادها با فرآیندهای دمایی عملیات حرارتی
پذیرند که شامل کوئینچ کردن و تمپرکردن پس از نورد می باشد.آزمایش در محیط
های خوردگی در دوره هایی از 2ماه تا 2 سال طول می کشد . به طور مثال آنالیز
فولاد میکروآلیاژی CRPT1 به شرح زیر می باشد: ( مقادیر زیر به درصد می
باشد)0.180 C ، 0.960 MN ، 0.117 P ، 0.025 S ،0.29 SI ، 0.55 Cr ، 0.52
Cu ، 0.12 Ni ، 0.009 Sn ،0.036 Mo ، 0.019 V و آنالیز بقیه فولادها
که این پروژه مورد مطالعه قرار می گیرد. در جدول 1-2 به طور کامل آمده
است.آزمایش هایی در 60 سیکل در محلول نمکهای NaCl برروی میله هایی که در
بتن وجود دارد انجام می شود و در همه سیکل ها بلوک بتنی در محلول نمک دار
فرو برده می شود و سپس در دمای اتاق به مدت 48 ساعت خشک می شود. ( با گردش
هوا با دمای C°60[F °14] ) در مجموع سرعت خوردگی ماکروسل در آزمایش SE
حدوداً برای فولاد میکروآلیاژی ، نصف سرعت خوردگی ماکروسل فولاد معمولی می
باشد .و در آزمایش bench-scale فولاد میکرو آلیاژ نورد گرم شده نسبت به
فولاد معمولی بالاترین سرعت خوردگی را نشان میدهد ، اما در آزمایش ماکروسل
سریع، نصف سرعت خوردگی فولاد معمولی را دارد و فولاد معمولی عملیات حرارتی
شد مقاومت به خوردکی بهتری نسبت به فولاد معمولی نورد گرم شده دارد .در این
فولادهایی که بحث خواهد شد تقریباً پتانسیل خوردگی مشابهی را داریم وقتی
که در معرض غلظتی از NaCl قرار بگیرند . پوشش های epoxy در فولادهای
میکروآلیاژ عملیات حرارتی پذیر بهتر از پوشش های epoxy در فولادهای
معمولی می باشد .در جریان این پروژه 2 ارزیابی سرعت داریم که یکی پتانسیل
خوردگی و دیگری آزمایش ماکروسل می باشد و 3 تا آزمایش bench Scale که شامل
G109,CB , SE می باشد که جلوتر به توضیح آن می پردازیم .و همچنین آزمایش
خمش و کشش که برای خاصیت مکانیکی و Ductility فولاد می باشد را داریم[2]
.1-2- خوردگی فولاد در بتن :موادها معمولاً‌از ترکیب شیمیایی (مواد معدنی –
سنگ معدنی ) و مقدار معینی انرژی که برای فرآیندهای آنها نیاز می باشد
بدست می آیند.خوردگی فولاد در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی می باشد که به 4
فاکتور نیاز داریم .1) آند 2) کاتد 3) الکترولیت 4) جریان
الکتریکی آندو کاتد دو محل متفاوت در فولاد می باشد که آنها محل های
متفاوتی از فولادها را انتخاب می کنند. برای نمونه خوردگی ماکروسل را فرض
می کنیم که آند و کاتد برروی میله ها جای بگیرند یا در دو میله متفاوت در
فولاد با وجود اکسیژن آهن با آن واکنش می دهد و تولید اکسید آهن داریم و از
قسمت آند الکترون رها می شود [Eq.(1.1)] در کاتد اکسیژن با بخار آب ترکیب
می شود و الکترون و هیدروکسید داریم . [Eq.(1.2)](1-2) (2-2) آهن
با هیدروکسید ترکیب می شود و تولید هیدروکسیدآهن میکند . هیدروکسید آهن
با آب و اکسیژن ترکیب می شود و هیدروکسید آهن به اکسید آهن و آب احیاء می
شود. خاصیت قلیایی بالا منجر به تشکیل یک لایه فیلم اکسید آهن y برروی سطح
فولاد می شود که در برابر خوردگی محافظت میکند . وجود فیلم محافظ 2
مکانیزم مخرب دارد: 1) وجود کلراید آهن که نتیجه آن تجزبه فیلم محافظ می باشد .2) کربوره
کردن که نتیجه آن کاهش PH بتن مثلاً کاهش Passivity( PH بتن و خمیر
سیمان 13 تا 5/13 می باشد ).به طور نمونه برروی یک قسمت از بتن ، کلراید ها
از بالای سطح وارد می شوند که وقتیکه کلرایدها به قسمت بالای فولاد می رسد
پتانسیل خوردگی به مقدار منفی‌ای می رسد ودر قسمت پایین فولاد مقدار
پتانسیل نسبی را داریم که این تفاوت پتانسیل،نتیجه تشکیل سلول گالوانیکی
در پروسه خوردگی می باشد که در نهایت چنین واکنش هایی را داریم[2] .
2-2-
روش های نمایان شدن خوردگی :شامل اندازه گیری پتانسیل خوردگی ، سرعت
خوردگی ماکروسل ، مقاومت پلاریزاسیون طولی ، طیف الکتروشیمیایی و مشاهده
چشمی می باشد[2] .1-2-2-پتانسیل خوردگی : میزان پتانسیل خوردگی بین یک میله
و الکترود مرجع برای یک میله مقدار متفاوتی می باشد. الکترود مرجع بدون
توجه به محیط یک مقدار ثابتی از پتانسیل را دارا می باشد
(uhlig1985)[25]واکنش الکترود استاندارد هیدروژن که پتانسیل آن صفر در
نظر گرفته می‌شود . دیگر الکترودها مثل الکترودهای استاندارد (SCE)
Calomel و الکترود سولفات مس – مس (CSE)که غالباً بیشتر از SHE استفاده
می شود[2] .در جدول 1-2 تفاوت پتانسیل این دو الکترود نسبت به SHE داده شده
است .
جدول 1-2 الکترود های استاندارد مرجعPotential vs. she(V) Half – Cell reaction Electrode+0.318 Cuso4+2e-CU+So2-4 Copper- copper Sulfate (CSE)+0.241 Hgcl2+2e-2Hg+2cl Saturated calomel(SCE)0.000 2H++2e-H2 Standard hydrogen
جدول2-2 تاتبفاقلیلقصInterpretation Half – cell Reading (V)greater than 90% probability that Corrosion is not occurring CSE SCE<-0.200 <-0.125Corrosion activity is uncertain -0.200 to – 0.350 -0.125 to – 0.275Greeter than 90%probability that corrosion is ocurring >-0.350 >0.275
2-2-2-
سرعت خوردگی ماکروسلسرعت خوردگی یک میله تقویت شده در آزمایش خوردگی را می
توان طبق فرمول زیر محاسبه و اندازه گیری کرد[2] :
سرعت بر حسب می باشد.K=
فاکتور تبدیل Ic= دانسیته جریان خوردگی a= وزن اتمی برای مواد آهنی f=
ثابت فارادی F=96500 n= ظرفیت معادل (=2 برای آهن )D= چگالی مواد
( D= 7.87 برای آهن )(1-2) (2-2)
V= ولتاژ مقاومتی (Mv)R= مقاومت ( ohm)A= سطح میله آندی (cm2)
3-2-2-
مقاومت پلاریزاسیون ic= دانسیته جریان خوردگی B= با مقدر ثابتی بین
(mv)52-26 برای آهن در بتن Rp= مقاومت پلاریزاسیون 3-2-آزمایش های
خوردگیآزمایش های ارزیابی سریع‌ای که برروی فولاد انجام می شود شامل
پتانسیل خوردگی و آزمایش ماکروسل خوردگی می باشدو 3 آزمایشbench – scale می
باشد[2].1-3-2-آزمایش های ارزیابی سریع آقای Martinez [16] آزمایش های
پتانسیل خوردگی ، ماکروسل خوردگی را برروی فولاد در سال 1990 انجام داد .
تحقیقات انجام شده شامل توسعه و ارزیابی نمونه های آزمایش استاندارد آن در
پتانسیل خوردگی و ماکروسل خوردگی می باشد و تأثیر متفاوت غلظتهای آنها برای
3 فاکتور (کلراید کلسیم – کلراید سدیم ، کلرید استات منیزیم ) برروی
خوردگی فولاد تقویت شده در ملات می باشد .نمونهای که در ارزیابی سریع
استفاده می شود 127mm طول دارد با شماره (No.4)13 میله تقویت شده که تا
حدودی در ملات فرو برده می شود ، نمونه یک پوشش نازکی از ملات را دارد که
کلراید در یک زمان کوتاه به فولاد می رسد . پتانسیل خوردگی یک جریان نسبی
ای از مواد را مشخص می کند که در محیط خورده می شود.آزمایش ماکروسل برای
اندازه گیری سرعت خوردگی فولاد استفاده می شود . در اولین هفته آزمون
پتانسیل خوردگی نتایج بیشتری را نسبت به آزمون ماکروسل نشان می دهد . نتایج
نشان می دهد که کلراید کلسیم قدرت نفوذپذیری بیشتری نسبت به کلراید سدیم
دارد در حالی که استات منیزیم کلسیم کمترین خورندگی را دارد[2] .2-3-2-
آزمون Bench – Scale آزمون Bench- scale شامل آزمون های ASTM G109 –CB -SE
می باشد نمونه Bench- scale عبارتست از یک تختال بتنی با محتوی 2 ماده
فولادی که جریان ماکروسل بین 2 قسمت فولاد اندازه گیری می شود و سرعت
خوردگی میله ها راهمین طور اندازه گیری می کنیم ( قسمت 2-3-1) و همچنین
پتانسیل خوردگی قسمت بالائی و پایین ماده ها را گزارش می دهد .نمونه SE
عبارتست از یک تختال بتنی با طول mm805 (12in)-پهنای (12in)mm305 وارتفاع
mm179 (12in) ، نمونهCB طویل تر از نمونه SE می باشد و نصف پهنای
SE.راداردیک ترک مانندی در بتن به طور خط موازی و حدوداً‌تا بالای میله
قرار دارد (6in)152mm) (0.012in)0.3mm طول( نمونه ASTM G109
عبارتست از یک تختال بتنی با طول (11in) mm279 و با پهنای(6in)152mm و
(4.5in)114mm ارتفاع می باشد. سیکلی که این آزمون ها را شامل می باشد نمونه
ای می باشد که 100 ساعت در محلولNaCl 15% قرار می گیرد و سپس نمونه در اثر
حرارت خشک می شود( 100°F و به مدت 64 ساعت) بعد از این دوره نمونه ها خشک
می شوندو تا 2 هفته این سیکل ادامه پیدا می کند تا جریان خوردگی بین 2 قسمت
فولاد به برسد .آزمون های مکانیکی برای استحکام کششی و استحکام تسلیم و
Elongation ( درصد کشیدگی ) بر روی فولاد میکروآلیاژی انجام می شود و
همچنین آزمون خمش[2].
4-2- روش کار آزمایش پتانسیل خوردگی ، ماکروسل
خوردگی ، Cracked beam , Southern Exposure و آزمون ASTM G109، برای مقایسه
انواع مختلف فولاد تقویت شده استفاده می شود .آزمونی که برای ارزیابی سریع
انجام می شود آزمون Bench-Scale با 3 فاکتور ASTMG109, CB , SE می باشد
. این فصل احتیاجات و موادهای لازم و روش کار و استفاده آنها را برای ساختن
نمونه ها توضیح می دهد و رفتار خوردگی را گزارش می دهد[2]. 5-2- فولاد
تقویت شده در جدول 1-2و 2-2 حالت های شیمیایی و خاصیت های مکانیکی فولاد
توسط Gerdau Ameristeel گزارش شده است[2]. انواع این فولادها به شرح زیر
است :فولاد N: فولاد معمولی نرماله شده فولاد
T: فولاد معمولی عملایت حرارتی شده فولاد CRT1: فولاد میکروآلیاژی با فسفر
بالا حدود (0.117%)فولاد CRPT2: فولاد میکروآلیاژی فسفردار (0.1%)عملیات
حرارتی شده فولاد CRT: فولاد میکرو آلیاژها با فسفر نرمال و عملیات حرارتی
شده
6-2- آزمون ارزیابی سریع در این پروژه آزمون ارزیابی
ای که استفاده می شود آزمون ماکروسل خوردگی و آزمون پتانسیل خوردگی می باشد
میله هایی که مورد آزمایش قرار می گیرند با پوشش ملات یا شامل 55 آزمون
پتانسیل خوردگی و 115 آزمون ماکروسل می باشد. این قسمت شامل یک توضیحی از
مواد لازم جهت آزمایشات و نمونه های مورد آزمایش می‌باشد[2].1-6-2-شرح
آزمایش 1-1-6-2- آزمون پتانسیل خوردگی آزمون پتانسیل خوردگی با جریان نسبی
از مواد که در محیط خورده می شود اندازه گیری می شود. پتانسیل خوردگی میله
های تقویت شده در محلول یونی NaCl با غلظتهای 1.6m, 0.4m اندازه گیری می
شود که با الکترود اشباع شده calomel در یک محلول اشباع شده کلراید پتاسیم
تماس دارد. در شکل 1-2 نمونهای را مشاهده می‌کنیم که در مرکز ظرف ثابت
شده به کمک Styrofoam نگهداری می شود در این مورد نمونه ملاتی ( در شکل
1-2 نشان داده شده است ) نمونهای می باشد که در به طور کامل از ملات پرشده
است.مشابه بتنی آن که با محلول NaCl که در ظرف می‌باشد mm (2in)51 در
بالای میله و در بالای فولادی که سطح آن از ملات می باشد نمونهای که با
روکش از پایین آزاد می باشد با یک سیم مسی بسته شده است .یک پل نمکی که
به حلال اشباع شده متصل می باشد و ظرفی دیگر وجود دارد که در آن حلال اشباع
شده کلراید پتاسیم می باشد. ولتاژی که خوانده می شود متصل است به الکترود
اشباع شده calomel که ولت متر مقادیر مثبت و منفی را نشان می دهد که به
جعبه ترمینال متصل می باشد[2] .
شکل1-2- آزمایش پتانسیل خوردگی برای نمونه ملاتی
2-1-6-2-آزمون
پتانسیل خوردگی با کاربرد آزمون پتانسیل خوردگی ، میزان سرعت خوردگی
فولاد مشخص می شود شکل 2-2 و 3-2 ثابت ماکروسل را برروی آندریک کاتد نشان
می دهد . کاتد در یک محلول بتنی مانند ساخته می شود . ثابت آندی هم در یکی
از نمونه ها در محلول بتن مانند با کلراید سدیم ( با غلظت1.6M , 0.4 ساخته
می شود . پتانسیل خوردگی آندی و کاتدی با الکترود مرجع اشباع نشده Calomel
در نظر گرفته می شود (SCE)این آزمون ها تا 100 روز ادامه پیدا می کند. برای
آند نمونه ای را در نظر می گیریم که در وسط ظرف می باشند و این نمونه روکش
ملاتی دارد و به طور کامل از ملات احاطه شده است و بالای میله توسط
Styrofoam نگهداری می شود . پل نمکی موجود ، به محلولی که آند و کاتد را
احاطه کرده است متصل است.
شکل 2-2- آزمایش ماکروسل برای میله های ساده
شکل
3-2-آزمایش ماکروسل برای نمونه های ملاتی مقدار ولتاژ از مقاومت 10 اهم
کاسته می شود به طوری که تمام جریان ماکروسل به Black binding Post ,
Red binding post در جعبه ترمینال متصل می شود. ترمینال مثبت از ولتاژ به
Black binding Post متصل می شود. ترمینال منفی از ولتاژ به binding
post Red متصل می شود . و بعد از کاهش ولتاژ مقدار آن خوانده می شود .آند
از Terminal box جدا می شوند و پس از 2 ساعت جدائی پتانسیل خوردگی آند و
کاتد با الکترود اشباع شده Calomel در محلول که میله را احاطه کرده است
اندازه گیری می شود به ترمینال مثبت متصل می شود. شکل4-2 آزمایش ماکروسل را
نشان می دهد وقتیکه پتانسیل خوردگی در آن اندازه گیری می شود[2] .
شکل 4-2-آزمایش ماکروسل برای مطالعه پتانسیل خوردگی
شدت پتانسیل خوردگی : icMv سقوط ولتاژ مقاومت V=(ohm) مقاومت =RCm2 سطح فلز میله‌ی آندی =A
2-6-2-
خاصیت نمونه های آزمایش نمونه که در آزمایش پتانسیل خوردگی استفاده
می‌شود دارای (5in) 127mm طول با شماره 16 می باشد.میله تقویت شده و جانی
از میله که درملات فرو برده می شود در شکل 5-2 آمده است بخشی از میله با
Epoxy پوشش داده شده است با چسبیدن Epoxy سطح بهتری پیش بینی می شود . بعد
از تمیزکردن کانال برداشته می شود و میله ها توسط استن (acetone) تمیز می
شوند. Epoxy در 2 نوع پوشش عمل می کنند. یک پوشش وقتی که اولین پوشش
تقریباً بعد از 2 ساعت چسبناک به نظر می رسد.بسیاری از نمونه ها از
انتهایشان سرپوش پلاستیکی دارند . دراین مورد اولین پوشسش Epoxy در
Unthreaded پایین میله عمل می شود. شکل 5-2 یک طرحی از نمونه ماکروسل ،
سرپوش دار بر روی پایین نمونه میله ای را نشان می دهد[2] .
شکل 5-2- نمونه ملاتی
3-6-2-
برنامه آزمایش در مجموع 55 پتانسیل خوردگی انجام می شود این آزمایش ها
شامل 5 آزمون برای هر نوع از فولاد درمحلول 1.6m NaCl و 3 تای آن برای هر
نوع فولاد با پوشش ملاتی در غلظت های (0.4m,1.6m)NaCl می باشد در مجموع 115
ازمون ماکروسل انجام می شود که شامل آزمایش های 5 میله ساده برای هر نوع
از فولاد در یون NaClبا غلظت های 0.4m,1.6m می باشد و شامل آزمایش هایی
می باشد که با پوشش ملاتی برای هر نوع فولاد بدون سرپوش از غلظت های مختلف
داریم.خلاصه برنامه آزمایش ها برای آزمایش های ارزیابی سرعت در جدول 3-2 .و
4-2 آمده است[2].
