ترک خوردگی تنشی چیست و چه انواعی دارد؟

ترک خوردگی تنشی یکی از پیچیده ترین و خطرناک ترین پدیده هایی است که در صنعت مهندسی و متالورژی می تواند منجر به شکست های ناگهانی و فاجعه بار در سازه ها و تجهیزات شود. این پدیده که به عنوان قاتل خاموش در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی شناخته می شود، فرآیندی است که در اثر همزمانی سه عامل اصلی یعنی تنش کششی، محیط خورنده خاص و ماده حساس به خوردگی ایجاد می گردد. درک عمیق این مکانیزم برای مهندسان و متخصصان مواد حیاتی است، زیرا بدون هشدار قبلی و بدون تغییر قابل توجه در ابعاد یا ظاهر قطعه، می تواند باعث تخریب کامل سازه شود. در این مقاله به بررسی جامع این پدیده، انواع آن، مکانیزم های ایجاد و روش های مقابله با آن خواهیم پرداخت تا تصویری روشن از چگونگی وقوع و پیشگیری از این آسیب ارائه دهیم. با توجه به اهمیت موضوع و تأثیر مستقیم آن بر ایمنی و هزینه های تعمیر و نگهداری، شناخت دقیق ترک خوردگی تنشی و راهکارهای کنترل آن از اولویت های بالای صنایع معدنی و فلزی کشور است. همچنین عواملی مانند قیمت آهن و هزینه های بالای جایگزینی قطعات، لزوم توجه به دوام و طول عمر مواد در برابر این نوع خرابی را دو چندان می کند.

ترک خوردگی تنشی چیست؟

ترک خوردگی تنشی که در متون فنی با نام SCC نیز شناخته می شود، نوعی از شکست موضعی است که در اثر عملکرد همزمان تنش های کششی و محیط های خورنده خاص بر روی فلزات حساس رخ می دهد. این پدیده از آن جهت اهمیت دارد که برخلاف خوردگی های همگن که باعث کاهش تدریجی ضخامت قطعه می شوند، ترک های ایجاد شده در این حالت می توانند عمیق و نفوذی باشند و بدون اینکه تغییر محسوسی در سطح یا وزن قطعه ایجاد کنند، منجر به شکست نهایی شوند. در واقع، ترک خوردگی تنشی فرآیندی است که در آن ترک ها عمود بر جهت تنش اصلی رشد می کنند و می توانند از سطح قطعه به سمت داخل پیشروی کنند. این مسئله در صنایعی که با سیالات خورنده سر و کار دارند، مانند صنایع نفت و گاز، اهمیت بسیاری پیدا می کند، زیرا هزینه های ناشی از تعمیرات و توقف تولید بسیار بالا است و حتی نوسانات قیمت آهن و سایر مواد اولیه نمی تواند جایگزین خسارات ناشی از حوادث ناگهانی باشد.

برای وقوع این پدیده، حضور همزمان سه شرط اساسی ضروری است: اول ماده ای که ذاتاً در برابر آن محیط خاص، حساس باشد، دوم وجود یک محیط خورنده که بتواند باعث خوردگی موضعی شود و سوم وجود تنش کششی با مقدار بحرانی. این تنش می تواند ناشی از بارهای خارجی اعمال شده به سازه باشد، اما اغلب تنش های داخلی باقی مانده از عملیات های تولیدی مانند جوشکاری، خمکاری یا ماشین کاری، عامل اصلی ایجاد این مشکل هستند. SCC معمولاً در آلیاژهایی که مقاومت به خوردگی بالایی دارند، مانند فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای مس، رخ می دهد که این موضوع پارادوکسی جالب در مهندسی مواد محسوب می شود؛ هر چه ماده مقاوم تر باشد، در شرایط خاص آسیب پذیرتر می شود. بنابراین، شناخت دقیق این که ترک خوردگی تنشی چیست و شرایط وقوع آن کدام است، اولین قدم در طراحی و انتخاب مواد برای تجهیزاتی است که در محیط های خورنده کار می کنند.

انواع ترک خوردگی تنشی

انواع ترک خوردگی تنشی را می توان بر اساس مورفولوژی یا شکل ظاهری ترک ها به دو دسته اصلی تقسیم بندی کرد: ترک های بین دانه ای (Intergranular) و ترک های داخل دانه ای (Transgranular). در نوع بین دانه ای، مسیر پیشروی ترک در امتداد مرزدانه های فلز است و این حالت معمولاً زمانی رخ می دهد که مرزدانه ها به دلیل رسوب های نامطلوب یا جدایش عناصر آلیاژی، نسبت به بلورهای داخلی حساسیت بیشتری به خوردگی نشان دهند. این نوع از ترک خوردگی تنشی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی که به دلیل عملیات حرارتی نامناسب دچار حساسیت شده اند، بسیار شایع است. در مقابل، ترک های داخل دانه ای مستقیماً از داخل بلورهای فلز عبور می کنند و اغلب در سیستم های آلیاژی خاصی مانند مس در محیط های آمونیاکی دیده می شوند. تشخیص صحیح نوع ترک از طریق بررسی های میکروسکوپی الکترونی برای تعیین علت اصلی و راهکار پیشگیری بسیار حیاتی است.

علاوه بر تقسیم بندی مورفولوژیکی، انواع ترک خوردگی تنشی را می توان بر اساس سیستم آلیاژ-محیط نیز دسته بندی کرد. برای مثال، یکی از معروف ترین انواع آن، ترک خوردگی تنشی فولاد زنگ نزن در محیط های حاوی کلرید است که در صنایع دریایی و تصفیه آب بسیار رایج است. نوع دیگر، ترک خوردگی در آلیاژهای مس در محیط های آمونیاکی است که در سیستم های تهویه مطبوع و صنایع مربوطه مشاهده می شود. همچنین، فولادهای کم آلیاژ در محیط های حاوی گاز هیدروژن سولفید و متانول نیز مستعد این نوع خرابی هستند. شناخت این ترکیبات خاص آلیاژ و محیط به مهندسان کمک می کند تا در هنگام طراحی، از انتخاب موادی که در محیط کاربری خاص دچار SCC می شوند، خودداری کنند. این دسته بندی ها نشان می دهند که ترک خوردگی تنشی فلزات یک پدیده واحد نیست، بلکه مجموعه ای از واکنش های پیچیده است که بسته به نوع ماده و محیط، شیوه متفاوتی دارد. بنابراین، با توجه به پیچیدگی های ذکر شده و تنوع شرایط محیطی، پیش بینی دقیق زمان وقوع و محل بروز ترک در فلزات یکی از چالش های بزرگ مهندسی است که نیازمند نظارت مستمر و استفاده از روش های پیشرفته بازرسی است.

مکانیزم ایجاد ترک خوردگی تنشی

مکانیزم ایجاد ترک خوردگی تنشی موضوعی است که دهه ها است محققان بر روی آن کار می کنند و هنوز هم در مورد جزئیات دقیق آن در سیستم های مختلف بحث های علمی وجود دارد. با این حال، دو نظریه اصلی و پذیرفته شده برای توضیح مکانیزم ترک خوردگی تنشی وجود دارد: نظریه انحلال آندی و نظریه شکست هیدروژنی. در نظریه انحلال آندی، فرض بر این است که در اثر ترکیب تنش و خوردگی، فیلم اکسید محافظ روی سطح فلز در نقاط خاصی مانند مرزدانه ها یا نقص های بلوری پاره می شود. این پارگی باعث می شود فلز پایه در معرض محیط خورنده قرار گیرد و به سرعت حل شود. سپس فیلم دوباره تشکیل می شود و این چرخه با تمرکز تنش در نوک ترک ادامه می یابد تا زمانی که قطعه کاملاً بشکند. این مکانیزم بیشتر در سیستم هایی مانند مس-آمونیاک و فولاد زنگ نزن-کلرید صادق است.

در نظریه دوم، یعنی شکست هیدروژنی، مکانیزم ترک خوردگی تنشی بر پایه نفوذ اتم های هیدروژن تولید شده در واکنش های خوردگی به داخل شبکه بلوری فلز استوار است. اتم های هیدروژن کوچک هستند و می توانند به راحتی در شبکه فلز حرکت کنند و در نقاطی با تنش بالا، مانند نوک ترک های موجود یا مرزدانه ها، تجمع یابند. این تجمع باعث ترد شدن فلز و کاهش چسبندگی بین اتمی می شود که در نهایت منجر به ایجاد و رشد ترک می شود. این مکانیزم در فولادهایی با استحکام بالا بسیار رایج است و خطرناک ترین نوع آن محسوب می شود، زیرا می تواند با سرعت بسیار بالایی باعث شکست شود. در هر دو نظریه، نقش تنش کششی به عنوان عامل متمرکزکننده آسیب و بازکننده مسیر برای پیشروی خوردگی یا هیدروژن غیر قابل انکار است. دلایل اصلی ترک خوردگی تنشی همیشه در تعامل پیچیده بین شیمی سطح و مکانیک شکست نهفته است که درک آن نیازمند دانش همزمان متالورژی و مکانیک شکست است.

راه های تشخیص ترک خوردگی تنشی

راه های تشخیص ترک خوردگی تنشی به دلیل ماهیت پنهان و زیرسطحی این پدیده، نیازمند استفاده از روش های پیشرفته و غیر مخرب (NDT) است. یکی از رایج ترین روش ها، بازرسی بصری دقیق است، اما معمولاً زمانی که ترک ها به سطح فلز رسیده باشند و قابل مشاهده باشند، آسیب بسیار پیشرفت کرده است. بنابراین، برای شناسایی زود هنگام، از روش هایی مانند آزمون فراصوت (Ultrasonic Testing) استفاده می شود که می تواند ترک های داخلی و عمیق را شناسایی کند. همچنین، روش های رادیوگرافی (Radiography) می توانند تصاویری از ساختار داخلی قطعه ارائه دهند و وجود ترک های ریز را آشکار سازند. این روش ها بخشی از استراتژی های پایش وضعیت در صنایع حساس هستند تا از وقوع حوادث ناگهانی ناشی از ترک خوردگی تنشی جلوگیری شود.

علاوه بر روش های غیر مخرب، راه های تشخیص ترک خوردگی تنشی شامل بررسی های آزمایشگاهی و میکروسکوپی نیز می شود. پس از اینکه ترکی در یک قطعه شناسایی شد، نمونه ای از آن برای آنالیز میکروسکوپی الکترونی (SEM) به آزمایشگاه ارسال می شود. با این روش می توان مشخص کرد که ترک از نوع بین دانه ای است یا داخل دانه ای و این اطلاعات کلیدی برای تعیین علت اصلی خرابی است. همچنین، آنالیز شیمیایی رسوبات موجود در کف ترک می تواند محیط خورنده را شناسایی کند. روش های الکتروشیمیایی نیز برای ارزیابی حساسیت ماده به SCC در محیط های خاص استفاده می شوند. ترکیب این روش های تشخیصی به مهندسان کمک می کند تا قبل از اینکه خرابی به مرحله بحرانی برسد، اقدامات اصلاحی را اعمال کنند و طول عمر مفید تجهیزات را افزایش دهند.

روش های جلوگیری از ترک خوردگی تنشی

روش های جلوگیری از ترک خوردگی تنشی بر اساس حذف یکی از سه عامل اصلی وقوع آن (تنش، محیط خورنده یا ماده حساس) استوار است. یکی از مؤثرترین راه ها، کنترل تنش های پسماند در قطعات است. این کار می تواند از طریق عملیات حرارتی تنش زدایی (Stress Relieving) پس از جوشکاری یا شکل دهی انجام شود. با کاهش تنش های داخلی به زیر حد بحرانی، احتمال وقوع ترک خوردگی تنشی به شدت کاهش می یابد. همچنین، در طراحی سازه ها باید از تمرکز تنش جلوگیری کرد و از شعاع های منحنی مناسب در گوشه ها و اتصالات استفاده کرد تا تنش های موضعی کنترل شوند. طراحی صحیح یکی از اصول مهندسی برای مقابله با این پدیده است و نباید آن را نادیده گرفت.

راهکار دیگر، کنترل محیط خورنده است. این کار می تواند شامل تغییر pH محیط، کاهش دما، یا حذف یون های خورنده مانند کلریدها باشد. استفاده از بازدارنده های خوردگی (Inhibitors) نیز یکی از روش های جلوگیری از ترک خوردگی تنشی است که با تشکیل یک فیلم محافظ روی سطح فلز، تماس مستقیم فلز با محیط خورنده را محدود می کند. همچنین، پوشش دهی سطحی مانند گالوانیزه، رنگ های اپوکسی و پوشش های فلزی می تواند به عنوان یک سد فیزیکی عمل کند. در نهایت، انتخاب ماده مناسب جایگزین برای ماده حساس، آخرین راهکار است. اگر امکان تغییر محیط وجود نداشته باشد، مهندسان باید آلیاژی را انتخاب کنند که در آن محیط خاص دچار SCC نشود، حتی اگر هزینه آن بالاتر باشد. این انتخاب هوشمندانه در دراز مدت هزینه های تعمیرات و توقف ها را کاهش می دهد.

در این مقاله به بررسی جامع پدیده پیچیده و مخرب ترک خوردگی تنشی پرداختیم و دریافتیم که این پدیده نتیجه تعامل همزمان تنش کششی، محیط خورنده و ماده حساس است. ما انواع مختلف آن را شامل ترک های بین دانه ای و داخل دانه ای بررسی کردیم و مکانیزم های انحلال آندی و شکست هیدروژنی را به عنوان عوامل اصلی ایجاد این خرابی شناختیم. همچنین، اهمیت روش های تشخیص پیشرفته و غیر مخرب را در شناسایی زودهنگام ترک ها مورد تأکید قرار دادیم و راهکارهای عملی برای جلوگیری از آن، از جمله تنش زدایی، کنترل محیط و انتخاب مواد مناسب، را مرور کردیم. توجه به این نکات ضروری است تا ایمنی و پایداری سازه های صنعتی تضمین شود.

در نهایت، باید خاطرنشان کرد که ترک خوردگی تنشی فلزات تهدیدی جدی برای صنایع مختلف است که نمی توان با آن بی تفاوت بود. دانش فنی و تجربه عملی در کنار هم، ابزارهای اصلی برای مقابله با این چالش هستند. با رعایت اصول طراحی صحیح، انتخاب مواد هوشمندانه و انجام بازرسی های دوره ای، می توان خطرات ناشی از SCC را به حداقل رساند و طول عمر تجهیزات را به طور قابل توجهی افزایش داد. امید است که مطالب ارائه شده در این مقاله، دیدگاه های روشنی را برای مهندسان و دانشجویان فراهم کرده باشد تا بتوانند با آگاهی بیشتری در برابر این پدیده مقابله کنند.

سوالات متداول