Aluminium en scheurvormende spanningscorrosie deel 1; Inleiding, effect van spanning, spanningsverlaging
1. Inleiding
Alleen aluminiumlegeringen die aanzienlijke hoeveelheden oplosbare legeringselementen bevatten, voornamelijk koper, magnesium, silicium en zink, zijn gevoelig voor SSC. Voor het merendeel van de technische legeringen, zijn er tempers ontwikkeld die een hoge mate van immuniteit bezitten tegen SSC in de meeste milieus.
De elektrochemische theorie van spanningscorrosie, die rond 1940 is ontwikkeld, beschrijft bepaalde vereiste
condities voor SSC van aluminiumlegeringen. Verder onderzoek heeft zwakke plekken in deze theorie aangetoond en de complexe wisselwerking tussen de factoren die leiden tot SSC van aluminium worden nog niet volledig begrepen. Er bestaat echter algemene overeenstemming dat voor aluminium de elektrochemische factoren de boventoon voeren en dat de elektrochemische theorie de basis blijft voor de ontwikkeling van aluminiumlegeringen en tempers die bestand zijn tegen SSC.
Spanningscorrosiescheuring in aluminium wordt gekenmerkt door het interkristallijne verloop. De elektrochemische theorie impliceert dat de korrelgrenzen op een of andere wijze anodisch zijn ten opzichte van de rest van de microstructuur, zodat corrosie selectief kan plaatsvinden op de korrelgrenzen. Een dergelijke toestand ontstaat als gevolg van plaatselijke decompositie van vaste oplossing, met een hoge mate van continuïteit van decompositieproducten langs de korrelgrenzen. De sterkst anodische regionen zijn hetzij de korrelgrenzen zelf, of de regionen die grenzen aan de korrelgrenzen en die zijn verarmd aan opgeloste stof.
In 2xxx-legeringen, zijn de verarmde gebieden het sterkst anodisch, in 5xxx-legeringen is dat het Mg2Al3 precipitaat op de korrelgrenzen. De sterkst anodische korrelgrensregionen in andere legeringen zijn niet met zekerheid bepaald. Sterke aanwijzingen voor de aanwezigheid van anodische gebieden alsmede voor de elektrochemische aard van hun corrosie in waterige oplossingen, worden geleverd door het feit dat SSC sterk kan worden vertraagd, zo niet geëlimineerd, door middel van kathodische bescherming. Afbeelding 1 toont vier verschillende microstructuren in een legering die 5% Mg bevat. Deze microstructuur representeert graden van gevoeligheid voor SSC lopend van hoge gevoeligheid tot hoge weerstand, afhankelijk van de warmtebehandeling. De behandelingen die hoge weerstand verschaffen tegen scheuring zijn die, welke een microstructuur opleveren die vrij is van uitscheidingen op de korrelgrenzen (afbeelding 1a) of met uitscheidingen die zo gelijkmatig mogelijk binnen de korrels zijn verdeeld (afbeelding 1d). In laatstgenoemd geval blijft corrosie langs de korrelgrenzen tot een minimum beperkt, omdat de aanwezigheid van precipitaat of verarmde zones door de korrels heen de verhouding van het totaal aan anodische gebieden tot dat van de kathodische gebieden doet stijgen en daarmee de corrosiestroom op elk anodisch gebied laat afnemen. Voor legeringen die afhankelijk zijn van hun structuur om gevoeligheid voor SSC te vermijden, wordt de weerstand verkregen door behandelingen die uitscheiding geven door de microstructuur heen, omdat daardoor het aandeel van uitscheidingen op de korrelgrenzen tot een minimum beperkt blijft.
Volgens de elektrochemische theorie is gevoeligheid voor interkristallijne corrosie een vereiste voor gevoeligheid voor SSC en behandeling van aluminiumlegeringen om hun weerstand tegen SSC te verhogen, verhoogt tevens hun weerstand tegen interkristallijne corrosie. Voor de meeste legeringen echter, vereisen optimale niveaus van weerstand tegen deze beide typen aantasting verschillende behandelingen, en weerstand tegen interkristallijne corrosie is dan geen betrouwbare indicator voor weerstand tegen SSC. Van de meeste aluminiumlegeringen, kan de gevoeligheid voor SSC niet betrouwbaar worden voorspeld aan de hand van microstructuuronderzoek. Er zijn veel waarnemingen gedaan van de progressieve veranderingen in dislocatienetwerk, uitscheidingenpatroon en andere microstructuurverschijnselen die optreden als een legering wordt behandeld voor het verbeteren van zijn weerstand tegen SSC, maar deze veranderingen konden niet kwantitatief worden gerelateerd aan gevoeligheid.
Afbeelding 1. Microstructuur van legering 5356-H12 na behandeling om verschillende graden van SSC-gevoeligheid op te wekken. (a) 20% Koudgewalst; hoge weerstand.
(b) 20% Koudgewalst, gevolgd door 1 jaar verhitten op 100°C; buitengewoon gevoelig.
(c) 20% Koudgewalst, vervolgens gedurende 1 jaar verhit op 150°C; in lichte mate gevoelig.
(d) 20% Koudgewalst, gevolgd door 1 jaar verhitten op 205°C; hoge weerstand.
2. Effect van spanning
Of er wel of geen SSC optreedt in een gevoelige aluminiumlegering hangt zowel af van de hoogte als van de duur van de trekbelasting die aan het oppervlak werkzaam is. De effecten van deze factoren worden gewoonlijk vastgesteld aan de hand van versnelde laboratoriumproeven. Afbeelding 2 toont de resultaten van een aantal van dergelijke proeven in de vorm van banden. Ondanks de introductie van breukmechanicatechnieken waarmee het mogelijk is om scheurgroeisnelheden te bepalen, blijven dergelijke proeven het basisgereedschap dat wordt gebruikt bij het evalueren van de weerstand van aluminiumlegeringen tegen SSC. Deze proeven suggereren een minimum (drempel) spanning die moet worden overschreden, wil er scheuring optreden.
Hoewel empirisch van aard, geeft de drempelwaarde een geldige maat van de relatieve gevoeligheden van aluminiumlegeringen voor SSC onder specifieke omstandigheden van een bepaalde test of milieu. Ook, voor sommige legering/tempercombinaties, voorspellen resultaten van versnelde laboratoriumproeven met betrouwbaarheid het SSC-gedrag in bedrijf. Zo kwamen de resultaten van een 84 dagen durende wisselende onderdompelingstest van voorwerpen, gemaakt van 7075 en 7178, goed overeen met het gedrag van deze producten in een zeekustomgeving.
Afbeelding 2. Spanningscorrosiescheuring van 7075-T651-plaat. De gearceerde banden geven combinaties aan van spanning en tijd waarvan bekend is dat er spanningscorrosiescheuring ontstaat in proefstukken die wisselend worden ondergedompeld in een 3,5% NaCloplossing. Punt A is de minimum rekgrens in de lange dwarsrichting van een 75 mm dikke plaat.
3. Spanningsverlaging
Er worden in aluminium voorwerpen restspanningen geïntroduceerd als ze een oplosgloeiing ondergaan en vervolgens worden afgeschrikt. Afbeelding 3a toont de kenmerkende verdeling en grootte van restspanningen in dik, hoogsterk materiaal met constante dwarsdoorsnede. Afschrikken brengt de oppervlakken in compressie en het binnenste in trek. Als de compressieve oppervlaktespanningen niet door opvolgende fabricagestappen worden verstoort, dan bezit het oppervlak een verhoogde weerstand tegen SSC, omdat een voortdurende trekspanning nodig is bij de initiatie en voortgang van dit type corrosie. Een van de gangbaarste praktijken in samenhang met SSSC is verspanen tot in het materiaal waar hoge trekspanningen heersen. Als de aan het oppervlak gekomen trekspanningen in dwarsrichting liggen of een dwarscomponent bezitten en de legering in kwestie is gevoelig voor SSSC, dan is het optreden ervan zeer waarschijnlijk. Aluminiumproducten met constante dwarsdoorsnede worden op effectieve wijze spanningsarm gemaakt door middel van mechanisch strekken. De strekbehandeling dient na afschrikken plaats te vinden en, voor de meeste legeringen, voor kunstmatig verouderen.
Vergelijk bijvoorbeeld de geringe grootte van restspanning op afbeelding 3b met het materiaal in afgeschrikte toestand van afbeelding 3a. Specificaties voor gewalste en geëxtrudeerde producten schrijven spanningsverlaging door middel van strekken voor tot in de orde van grootte van 1 tot 3%. Het gebruik van een spanningsarme temper voor warmtebehandelde producten zal de SSC-problemen die samenhangen met afschrikspanningen tot een minimum beperken. De spanningsarme temper voor de meeste legeringen wordt aangegeven door Tx5x of Tx5xx na het legeringsgetal, bijvoorbeeld 2024-T31 of 7075-T6511.
Afbeelding 3. Vergelijking van restspanningen in een dikke 7075-T6-plaat met constante dwarsdoorsnede voor en na spanningsarmgloeien. (a) Hoge restspanningen in de oplosgegloeide en afgeschrikte legering. (b) Afname van spanningen na 2% rekken.