Tudo sobre rachaduras ambientais em ligas à base de níquel

As ligas à base de níquel (Ni) são usadas em ambientes altamente corrosivos e muitas vezes onde outros metais - como aços inoxidáveis ​​- têm resistência à corrosão insuficiente. Como as ligas à base de Ni tendem a ser mais resistentes à corrosão do que os aços inoxidáveis, elas geralmente substituem os aços inoxidáveis ​​onde os cloretos estão presentes e, combinados com tensões residuais mínimas, podem causar rachaduras por corrosão sob tensão de cloreto (SCC) dessas ligas. ( Para saber mais sobre este tópico, consulte:Trincamento por corrosão sob tensão de cloreto de aço inoxidável austenítico.)

A liga de escolha parece ser a liga C276, que é praticamente imune ao SCC.

Além disso, muitos acreditam que as ligas à base de Ni também são resistentes ao craqueamento ambientalmente assistido (EAC). Infelizmente, no entanto, existem alguns ambientes específicos - combinados com certas mudanças microestruturais - onde essas ligas também podem ser suscetíveis ao EAC. (Observe que a tensão de tração necessária pode ser aplicada ou residual.)

Este artigo irá destacar os ambientes em que várias classes de ligas à base de Ni são suscetíveis ao EAC. Tal rachadura nem sempre é muito comum; mas se esses ambientes estiverem potencialmente presentes, a avaliação de rachaduras potenciais por meio de testes - por exemplo, avaliações de curva em U, anel C ou taxa de deformação lenta - é altamente recomendada. A distinção entre SCC e fragilização por hidrogênio não será feita neste artigo.

Quebra assistida ambientalmente em ligas à base de Ni:O básico

Para sistemas de haletos aquosos, uma combinação de condições pode promover a suscetibilidade de ligas à base de Ni ao EAC. Esses incluem:

• Temperaturas acima de 205 graus Celsius.
• Alta concentração de cloreto.
• Condições ácidas.
• Presença de espécies oxidantes.
• Presença de sulfeto de hidrogênio (H₂ S).
• Alta tensão de tração.

Existem duas classificações principais de ligas à base de Ni:resistentes ao calor e resistentes à corrosão. E a última categoria consiste em três tipos básicos:

• Ligas Ni-Mo.
• Ligas de Ni-Cr-Mo.
• Ligas de Ni-Cr-Fe-(Mo).

Novas técnicas para avaliar o cracking ambientalmente assistido em Ni- Superligas baseadas

Embora o teste de taxa de deformação lenta - também conhecido como teste de fadiga de permanência - possa fornecer uma medida da suscetibilidade de uma liga ao EAC, nem sempre fornece informações suficientes sobre o mecanismo de trincas.

Em princípio, as técnicas podem ser usadas para examinar as regiões de ponta de trinca em amostras de fadiga. Os métodos possíveis incluem microscopia eletrônica de transmissão acoplada à Espectroscopia de Raios-X Dispersivos de Energia (EDXA), espectrometria de massa de íons secundários em nanoescala (nano-SIMS) e tomografia por sonda atômica – todos os quais foram usados ​​para estudar esse problema.

Esses estudos mostraram que, muitas vezes, a degradação ambiental está ocorrendo muito localmente na escala submicrométrica. No entanto, o efeito dos danos ambientais nas propriedades mecânicas locais na região à frente da ponta da trinca não foi estudado até o momento. O uso de técnicas de testes micromecânicos pode agora ser aplicado para avaliar o comportamento mecânico na escala submicrométrica. Usando esses testes, podemos fazer medições específicas do local em uma escala de comprimento sub-mícron; e isso pode desempenhar um papel crítico na melhor compreensão dos mecanismos de crack.

Quebra assistida ambientalmente em ligas Ni-Mo

As ligas Ni-Mo mais comuns são Liga B, Liga B2 e Liga B3. Essas ligas têm excelente resistência à corrosão em ambientes ácidos não oxidantes e redutores e têm se mostrado resistentes a Cl-SCC, como cloreto de magnésio em ebulição (MgCl₂ ) soluções.

A liga B2 - e até certo ponto a liga B3 - quando aquecida entre 550 e 850 graus Celsius, perde a ductilidade da formação de estado sólido de uma fase intermetálica ordenada, como Ni₄ Mo. Tais fases podem ocorrer na zona afetada pelo calor (HAZ) durante a soldagem. Estudos de taxa de deformação lenta demonstraram a suscetibilidade dessas ligas a rachaduras em condições ácidas redutoras quando tratadas termicamente a 570 graus Celsius ou condições típicas de soldagem.

A extensão do craqueamento foi atribuída à formação da fase intermetálica e do hidrogênio subsequente (H₂ ) fragilização. Este estudo pode explicar o craqueamento intergranular observado na ZTA da Liga B2, exposta a solventes orgânicos contendo traços de ácido sulfúrico (H₂ SO₄ ) e craqueamento transgranular na presença de iodeto de hidrogênio (HI).

A química das soluções catódicas e anódicas próximas às soldas pode ser o fator crítico para o EAC. A composição da liga B3 retarda a reação de envelhecimento e permite que seja usada na condição de soldado, o que pode reduzir o potencial de EAC.

Quebra assistida ambientalmente em ligas de Ni-Cr-Mo

As ligas Ni-Cr-Mo são as ligas à base de Ni mais versáteis devido à inclusão de molibdênio (Mo) - que pode aumentar a resistência à corrosão sob condições redutoras - e a presença de cromo (Cr) - que proporciona maior resistência à corrosão sob condições oxidantes .

Hastelloy C foi a primeira liga deste grupo e foi a base para o desenvolvimento de muitas ligas, incluindo as ligas C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo e 686. Quando essas ligas são envelhecidas em temperaturas superiores a 600 graus Celsius, pode ocorrer precipitação de fases empacotadas tetraedricamente fechadas, o que pode diminuir sua ductilidade. O tempo que leva para cada liga se transformar nessas fases varia; por exemplo, a liga C4 tem maior resistência a tais mudanças microestruturais do que a liga C276. A suscetibilidade do CAE também pode ser aumentada pelo trabalho a frio seguido de um tratamento a baixa temperatura. Assim, essas ligas podem ter suscetibilidade ao EAC em ambientes contendo H₂ S.

Também foi relatado que as ligas C276 e 625 podem sofrer trincas intergranulares quando expostas a várias soluções aquosas próximas ao ponto crítico da água. Testes de extensão de crescimento de rachaduras em salmoura ácida para simular resíduos nucleares para ligas C4, -22 e 625 parecem estar associados ao tempo – que, para ambientes tão agressivos e críticos, deve incluir testes de longo prazo.

Para fluoreto de hidrogênio (HF) úmido-quente – e dependendo da temperatura e concentração de HF – essas ligas podem ser suscetíveis ao EAC. Ligas contendo tungstênio parecem ser as mais afetadas.

Altos níveis de Mo nestas ligas parecem ser prejudiciais em ambientes cáusticos quentes, com desligo de Mo e Cr. Tal mecanismo pode promover o craqueamento transgranular na Liga C276. No entanto, a suscetibilidade também pode ser uma função das condições de teste.

A liga C22 é suscetível a EAC em ambientes contendo cloreto e bicarbonato (HCO₃ ) ou carbonato a temperatura elevada e sob potenciais anódicos. A perda de Cr da dissolução por HCO₃ ^- no filme de óxido protetor pode ser a fonte da suscetibilidade.

Craqueamento ambientalmente assistido em ligas de Ni-Cr-Fe-(Mo)

As ligas de Ni-Cr-Fe-(Mo) incluem Alloy 600, 690, 825 e 800. Elas são amplamente utilizadas em uma variedade de aplicações, como ambientes de reatores de água primários.

Em particular, as ligas 600 e 690 sofreram EAC em água pura e cáustica com suscetibilidade a rachaduras fortemente dependendo da temperatura, nível de tensão de tração, presença de H₂ gás, pH da solução e potencial eletroquímico. Os fatores metalúrgicos que afetam a fissuração incluem a presença de elementos menores ou impuros, a extensão do trabalho a frio e o tratamento térmico para a formação e localização de carbonetos. A Liga 690, com maior teor de Cr, apresenta maior resistência ao trincamento do que a Liga 600 nesses ambientes; mas ainda pode rachar.

Tem sido sugerido que a difusão interna de oxigênio nos contornos de grão pode resultar na oxidação intergranular do Cr, onde a fragilização da oxidação intergranular é um precursor para o craqueamento subsequente. A liga 800 também é suscetível a EAC nessas condições; mas o mecanismo é diferente. A 300 graus Celsius e um pH maior que 10, ferro (Fe) e cromo podem ocorrer e levar a um mecanismo de clivagem induzido pelo filme. A presença de ânions de chumbo (Pb) ou sulfato pode potencializar a degradação da Alloy 800 nesses ambientes.

A liga 825 é mais resistente ao Cl-SCC do que os aços inoxidáveis ​​austeníticos; no entanto, ainda é suscetível. As ligas 800 e 825, quando aquecidas entre 400 e 800 graus Celsius, sensibilizarão – que são carbonetos de Cr precipitando nos contornos de grão. Se as condições do processo forem tais que uma incrustação de sulfeto se forme na superfície do metal, essas ligas são suscetíveis a rachaduras por corrosão sob tensão de ácido politiônico. (Para saber mais sobre este tópico, consulte:Trincamento por corrosão sob tensão do ácido politiônico de aço inoxidável austenítico.)

Morfologia de rachaduras em ligas à base de Ni

A morfologia de trinca EAC para ligas à base de Ni pode ser transgranular (através do grão), intergranular (ao longo dos contornos de grão) ou modo misto, com trincamento secundário ramificado dependendo das condições ambientais, como temperatura, presença de impurezas do processo, química do processo e variações microestruturais. No entanto, a existência dessas trincas não significa automaticamente que o EAC é o mecanismo de falha, uma vez que outros mecanismos, como a trincas por relaxamento de tensão, se propagam de modo intergranular. (Para saber mais sobre este tópico, consulte:Cracking de relaxamento por estresse, um fenômeno esquecido.)

Uma análise detalhada da falha, incluindo uma avaliação completa das condições do processo e possíveis testes para EAC, pode ser necessária para identificar adequadamente o modo de falha exato.