Jännityskorroosio

Jännityskorroosio (engl. stress corrosion cracking, SCC) aiheuttaa kappaleen murtumisen jännityksen ja korroosion yhteisvaikutuksesta. Pelkkä jännitys tai korroosio ei yksinään aiheuta särön syntymistä ja kasvamista materiaaliin. Ilmiötä voi olla vaikea havaita, koska särön kasvaminen ei tyypillisesti aiheuta ulkoisia muutoksia kappaleeseen ennen kuin lopullisen vaurioitumisen yhteydessä. Monet muutoin hyvin korroosiota kestävät materiaalit ovat herkkiä jännityskorroosiolle. Esimerkiksi austeniittinen ruostumaton teräs (AISI 304, EN 1.4301) ja luja alumiiniseos (AA 7075) kärsivät jännityskorroosiosta kloridipitoisessa ympäristössä.

Jännityskorroosio

Jännityskorroosiomurtuminen ( stress corrosion cracking, SCC ) on staattisen jännityksen ja korroosion aiheuttama vaurio metalliin tai keraamimateriaaliin. Keraameilla jännityskorroosiota havaitaan alikriittisen murtuman kasvun ( slow crack growth, SCG) seurauksena vakiokuormituksella. Termoplastisilla muoveilla jännityssäröilyä esiintyy jännityksen ja kemiallisen rasituksen yhteisvaikutuksesta. Jännityskorroosio ilmenee metallin haurastumisena tai murtumisena ilman havaittavia ulkoisia muutoksia materiaalin pinnalla. Jännityskorroosion aiheuttama haurastuminen voi johtaa metallin äkilliseen ja ennakoimattomaan murtumiseen. Repeämä etenee nopeasti jännityskorroosion haurastuttamassa metallissa.

Jännityskorroosion taustalla ovat metallin sisäiset ja ulkoiset jännitykset yhdistettynä korroosiota aiheuttaviin ympäristötekijöihin. Korroosioympäristö on materiaalikohtainen. Metalliseokset (hiiliteräkset, austeniittiset ruostumattomat teräkset, kuparisinkkiseokset, magnesiumseokset ja lyijyseokset) herkistyvät jännityskorroosiolle. Tietyt olosuhteet aiheuttavat jännityskorroosiovaurioita myös yleisesti korroosiota kestäviin metalleihin, esimerkiksi austeniittinen ruostumaton teräs (AISI 304, EN 1.4301) ja luja alumiiniseos (AA 7075) kärsivät jännityskorroosiosta kloridipitoisessa ympäristössä.

Erilaisia jännityskorroosion muotoja ovat esimerkiksi messingin varastorepeäminen ( season cracking), niukkahiilisten terästen lipeähauraus ( embrittlement) ja vetyhaurastuminen ( hydrogen embrittlement).

Esiintymisolosuhteet

Jännityskorroosion ilmenemiseen vaadittavat olosuhteet ovat hyvin materiaalikohtaisia. Yleisesti jännityskorroosion aiheutumiseen tarvitaan materiaalille spesifit olosuhteet ja materiaalin pintaan vaikuttava vetojännitys. Vetojännitys voi aiheutua materiaalin pintaan ulkoisesta voimasta tai sisäisistä jännityksistä. Vaadittavan vetojännityksen suuruus voi olla merkittävästi materiaalin myötölujuutta alhaisempi. Sisäisiä jännityksiä materiaaliin saattavat aiheuttaa materiaalin työstäminen tai sen lämpökäsittely. Puhtaat metallit ovat yleensä vähemmän alttiita jännityskorroosiolle kuin seostetut metallit. Ilmiöön tarvittavat ainepitoisuudet ovat hyvin pieniä, joten ne voivat konsentroitua materiaalin pinnalle normaalin ilmakehän olosuhteissa. Materiaalin pinnalla oleviin halkeamiin saattaa kehittyä muuta ympäristöä voimakkaammat olosuhteet. Jännityskorroosiota voi tapahtua huoneenlämpötilassa tietyillä materiaaleilla, mutta yleensä tarvittava lämpötila on tätä korkeampi.

Materiaalin alttius jännityskorroosiolle on riippuvainen mikrorakenteesta, dislokaatiorakenteesta ja faasien termodynaamisesta stabiilisuudesta. Murtumien ilmenemiseen kuluva aika vaihtelee voimakkaasti materiaalista ja olosuhteista riippuen. Lämpötilan nousu ja aine konsentraatioiden väkevöityminen nopeuttavat yleensä jännityskorroosio murtumien syntymistä ja etenemistä materiaalissa. Jännityskorroosio voi edetä materiaalissa pääsääntöisesti kolmella eri mekanismilla. Raerajoilla etenevässä galvaanisessa jännityskorroosiossa korroosiolla on jännitystä suurempi vaikutus. Jännityskorroosio voi edetä myös aktiivisen liukutason läheisyydessä, jolloin jännityskorroosio heikentää kohtaa kunnes siinä tapahtuu muodonmuutos. Muodonmuutoksen jälkeen syvemmällä oleva materiaali altistuu jännityskorroosiolle, ja sama mekanismi toistuu. Suojaavan oksidikalvon omaavissa materiaaleissa jännityskorroosion eteneminen voi aiheutua siitä että jännitys rikkoo suojakalvon ja sitten alla oleva materiaali altistuu korroosiolle.

Osa niukkahiilisistä teräksistä on altis jännityskorroosiolle kun se altistetaan ympäristölle jossa on nitraatteja, amiineja, vedetöntä ammoniakkia tai vesiliuoksille joissa on natriumhydroksidia tai kaliumhydroksidia. Puhekielessä saatetaan puhua teräksen "lipeähauraudesta". Hiiliteräkset voivat olla alttiita ilmiölle vähähappisissa ympäristöissä joissa on rikkivetyä. Osa ruostumattomista teräksistä ovat alttiita jännityskorroosiolle happamissa kloridiliuoksissa, esimerkiksi AISI 304, 304-L, 305, 309, 316, 347, 347-L, 310 ja 314. Jotkut alumiiniseokset ovat alttiita jännityskorroosiolle NaCl-lioksissa, esimerkiksi 7049, 7050, 7500. Messingeillä esiintyy niin kutsuttua "varastorepeämää", kun ne altistuvat ammoniakille tai muille typpiyhdisteille. Osa titaanimetalleista ovat alttiita CH₄HCL seoksessa ja Fluori-ioneita sisältävissä liuoksissa. Osa Magnesiumseoksista ovat alttiita NaCl-K₂CrO_4^- liuoksissa.

Kuopiossa sijaitsevan kylpylän välikaton romahtaminen vuonna 2003 oli onnettomuustutkintalautakunnan raportin mukaan seurausta kiinnitin lankojen jännityskorroosiosta. Välikaton kiinnitin langat olivat AISI 304 austeniittista ruostumatonta terästä, jotka altistuivat kloridipitoiselle ilmalle. Vastaavanlaisia onnettomuuksia on tapahtunut myös Sveitsissä 1981 ja Alankomaissa 2001.

Korroosionesto

Jännityskorroosionestoon on eri menetelmiä riippuen metallityypistä ja ympäristön olosuhteista (katodinen suojaus, jännityksenpoistohehkutus, kuulapuhallus, rullaus, inhibiitit). Sähkökemiallisesta syöpymisestä johtuvaa jännityskorroosiota voidaan estää säätämällä metallin ja liuoksen välistä potentiaalia anodiseen tai katodiseen suuntaan. Korroosiota aiheuttavien kemikaalien vaikutusta ehkäistään ympäristöolosuhteiden avulla (pH-arvo, lämpötila ja kaasut). Oikeilla muokkaustyövaiheiden ja työstötyövaiheiden sekä rakenteeseen kohdistuvan kuormituksen suunnittelulla voidaan välttää metallikappaleiden sisäisiä jännityksiä. Valitsemalla käyttöympäristön olosuhteissa varmuudella toimiva materiaali pienennetään jännityskorroosiomurtuman riskiä.

Sinkki ja magnesium altistavat alumiiniseokset jännityskorroosiolle. Alumiiniseosten jännityskorroosiota voidaan ehkäistä suojaamalla korroosiolle altis metalli katodisesti sähköjännitteen avulla. Austeniittiset ruostumattomat teräkset voidaan suojata jännityskorroosiota vastaan sammuttamalla kappale vesiastiaan 1050˚C asteesta. Hapen poisto liuoksesta ehkäisee austeniittisen ruostumattoman teräksen korroosiota kloridipitoisissa olosuhteissa. Rasittavassa kloridiympäristössä ruostumattoman teräksen yli 42% nikkeliseokset ovat kestävä materiaali. Ferriittiset ruostumattomat teräkset tai ferriittis-austeniittiset teräkset eivät herkisty kloridien vaikutuksesta jännityskorroosiolle.

Niukkahiilinen teräs ja muut metalliseokset voidaan suojata jännityksenpoistohehkutuksen ja hitaan jäähdytyksen avulla. Hehkutuslämpötila muokkauksesta aiheutuneiden sisäisten jännitysten poistamiseksi on esimerkiksi alumiiniseoksille 230-260˚C, hiiliteräksille 500-600˚C ja ruostumattomalle teräkselle 730-870˚C.

Puristusjännityksen luominen kuulapuhalluksella tai rullauksen avulla metallikappaleen pinnalle estää jännityskorroosiota. Niukkahiilisten terästen lipeähaurautta voidaan ehkäistä inhibiittien, kuten natriumnitraatin avulla. Metallin jännityskorroosiota ehkäistään erilaisilla suojaavilla pintakäsittelyillä kuten messingin niklaaminen, alumiiniseosten pinnoitus puhtaalla alumiinilla tai magnesiumseosmetallien maalaaminen.

Testaaminen

Materiaalien alttiutta jännityskorroosiolle on perinteisesti tutkittu altistamalla koekappale aine suhteellisen vahvoille ainekohtaisille ominaisuuksille ja mittaamalla aika joka materiaalin murtumiseen kuluu. Tätä tietoa voidaan sitten käyttää hyväksi arvioidessa materiaalin vastustuskykyä jännityskorroosiolle alhaisemmissa pitoisuuksissa ja lievemmissä olosuhteissa. Ruostumattomille teräksille on olemassa ASTM G 36 standardin mukainen testi, jossa kappale altistetaan kiehuvalle noin 155˚C asteiselle magnesiumkloridiliuokselle. Materiaalia voidaan testata myös standardin ASTM G 30 mukaisella u-taivutus kokeella. Murtumien etenemisnopeuksien voidaan tarkkailla valmiiksi pieniä murtumia sisältävässä kappaleessa, joka altistetaan sopiville olosuhteille. Näin voidaan arvioida materiaalin vaurioitumisnopeutta eri murtumavaiheissa ja saadaan selville missä olosuhteissa murtumat jatkavat kasvuaan.

Lähteet

• Vol 1, ASM Handbook, ASM International, 1990, pp. 689–736

• Korroosiokäsikirja, Suomen korroosioyhdistyksen julkaisuja; n:o 6, Suomen korroosioyhdistys, 1988. ISBN: 951-99916-7-0.

• Onnettomuustutkinta, Kylpylän alakaton romahtaminen Kuopiossa 4.9.2003. http://www.onnettomuustutkinta.fi/uploads/7f0fojyk3qz3.pdf

• Uudistettu Miekk-ojan metallioppi, Otava, 1986. ISBN: 951-666-216-1.