Afkobling af stress og korrosion for at forudsige metalfejl

Et forskningshold fra Arizona State University har frigivet ny indsigt om intergranular stress-corrosion cracking (SCC), en miljømæssig årsag til for tidlig fejl i konstruerede konstruktioner, herunder broer, fly og atomkraftværker.

Forskningen, Afkobling af stress og korrosions rolle i den intergranulære revnedannelse af ædle legeringer, udgivet i dag i Naturmaterialer , adresserer antagelsen om, at intergranulær SCC er resultatet af den samtidige tilstedeværelse af en trækspænding og korrosion, og demonstrerer, at stress og korrosions roller kan afkobles, eller kan handle selvstændigt.

"Opdagelsen er kulminationen på omkring 30 års arbejde med denne form for spændingskorrosionsproblem, " sagde ledende forsker Karl Sieradzki, professor i materialevidenskab og teknik ved ASU. "Vi har nu et overblik over, hvordan nye legeringer kan designes for at undgå denne form for spændingskorrosions-induceret svigt."

Når metaller udsættes for vand indeholdende salte, metallets styrke kan blive alvorligt kompromitteret og føre til uventet fejl. Et eksempel på en SCC-fejl er 2003 Kinder Morgan-benzinrørledningen i Tucson, AZ.

Det konventionelle paradigme til at forstå SCC-forhold er den samtidige tilstedeværelse af et tilstrækkeligt niveau af trækspænding, et ætsende miljø og et modtageligt materiale.

Forskningen udfordrer dette synspunkt og illustrerer, at den samtidige tilstedeværelse af stress og et ætsende miljø ikke er et krav for SCC, og at det kan opstå, hvis korrosionen først sker, og materialet efterfølgende udsættes for belastning.

Ud over Sieradzki, avisens forfattere inkluderer Nilesh Badwe, Xiying Chen, Erin Karasz, og Ariana Tse fra ASU og Daniel Schreiber, Matthew Olszta, Nicole Overman og Stephen Bruemmer fra Pacific Northwest National Laboratory. Forskningen blev støttet af det amerikanske energiministerium.

Holdet undersøgte adfærden af ​​en laboratoriemodel sølv-guld legering, som efterligner korrosionsadfærden af ​​vigtige tekniske legeringer, såsom rustfrit stål og nikkel-baserede legeringer, der anvendes i atomkraftværker.

Korrosion i disse tekniske legeringer, som i modellen sølv-guld legering, resulterer i dannelsen af ​​huller på nanometerstørrelse i det korroderede lag. Ifølge Sieradzki, nøgleparameteren, der bestemmer forekomsten af ​​hurtig SCC, er adhæsionen mellem det korroderede lag og den ikke-korroderede legering. Ved at bruge atomskalateknikkerne i højopløsningselektronmikroskopi og atomsondetomografi, sammen med statistiske karakteristika, holdet fastslog, at det tilsyneladende krav om samtidig tilstedeværelse af stress og korrosion eksisterer på grund af tidsafhængige morfologiændringer, der påvirker adhæsion.

Så længe tilstrækkelig vedhæftning mellem lagene opretholdes, en revne, der starter med det korroderede lag, kan trænge ind i den ikke-korroderede legering. Det betyder, at der kan være en væsentlig mekanisk komponent til spændingskorrosionsrevner, som ikke kan identificeres ved nogen måling af korrosion. Resultatet er, at en korrosionsmåling kan undervurdere hastigheden af ​​SCC med multiplikative faktorer på 10 eller mere.

"I atomkraftværker, SCC-vedligeholdelse og anlægslukninger er baseret på tidligere erfaringer med lignende konstruerede reaktorer, Sieradzki forklarede. "Selvom vi ikke bygger nye atomkraftværker i USA, disse resultater bør udløse søgningen efter nye, korrosionsbestandige legeringer, der kan bruges til reservedele i eksisterende anlæg og i andre vigtige strukturelle applikationer."