Een onderzoeksteam van de Arizona State University heeft nieuwe inzichten vrijgegeven over intergranular stress-corrosion cracking (SCC), een omgevingsoorzaak van voortijdig falen in geconstrueerde constructies, inclusief bruggen, vliegtuigen en kerncentrales.

Het onderzoek, Ontkoppeling van de rol van spanning en corrosie bij het interkristallijne kraken van edele legeringen, vandaag uitgebracht in Natuurmaterialen , gaat in op de veronderstelling dat intergranulaire SCC het resultaat is van de gelijktijdige aanwezigheid van trekspanning en corrosie, en toont aan dat de rollen van spanning en corrosie kunnen worden ontkoppeld, of zelfstandig kan handelen.

"De bevinding is het hoogtepunt van ongeveer 30 jaar werk aan dit soort spanningscorrosieprobleem, " zei hoofdonderzoeker Karl Sieradzki, een professor in materiaalkunde en techniek aan de ASU. "We hebben nu inzicht in hoe nieuwe legeringen kunnen worden ontworpen om deze vorm van door spanningscorrosie veroorzaakt falen te voorkomen."

Wanneer metalen worden blootgesteld aan water dat zouten bevat, de sterkte van het metaal kan ernstig worden aangetast en tot onverwacht falen leiden. Een voorbeeld van een SCC-storing is de Kinder Morgan-benzinepijpleiding uit 2003 in Tucson, AZ.

Het conventionele paradigma voor het begrijpen van SCC-condities is de gelijktijdige aanwezigheid van een voldoende niveau van trekspanning, een corrosieve omgeving en een gevoelig materiaal.

Het onderzoek daagt dit standpunt uit en illustreert dat de gelijktijdige aanwezigheid van stress en een corrosieve omgeving geen vereiste is voor SCC, en dat het kan optreden als de corrosie eerst optreedt en het materiaal vervolgens wordt blootgesteld aan spanning.

Naast Sieradzki, de auteurs van het papier zijn onder meer Nilesh Badwe, Xiying Chen, Erin Karasz, en Ariana Tse van ASU en Daniel Schreiber, Matthew Olszta, Nicole Overman en Stephen Bruemmer van het Pacific Northwest National Laboratory. Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie.

Het team onderzocht het gedrag van een laboratoriummodel zilver-goudlegering, die het corrosiegedrag van belangrijke technische legeringen nabootst, zoals roestvrij staal en legeringen op nikkelbasis die in kerncentrales worden gebruikt.

Corrosie in deze technische legeringen, zoals in het model zilver-goudlegering, resulteert in de vorming van gaten ter grootte van nanometers in de gecorrodeerde laag. Volgens Sieradzki, de belangrijkste parameter die het optreden van snelle SCC bepaalt, is de hechting tussen de gecorrodeerde laag en de niet-gecorrodeerde legering. Met behulp van de technieken op atomaire schaal van hoge resolutie elektronenmicroscopie en atoomprobe tomografie, samen met statistische karakteriseringen, het team stelde vast dat de schijnbare vereiste voor de gelijktijdige aanwezigheid van spanning en corrosie bestaat vanwege tijdsafhankelijke morfologische veranderingen die de hechting beïnvloeden.

Zolang er voldoende hechting tussen de lagen wordt gehandhaafd, een scheur die begint met de gecorrodeerde laag kan doordringen in de niet-gecorrodeerde legering. Dit betekent dat er een significant mechanisch onderdeel kan zijn om corrosiescheuren te belasten die niet kunnen worden geïdentificeerd door enige meting van corrosie. Het resultaat is dat een corrosiemeting de snelheid van SCC kan onderschatten met vermenigvuldigingsfactoren van 10 of meer.

"In kerncentrales SCC-onderhoud en sluitingen van fabrieken zijn gebaseerd op eerdere ervaringen met reactoren met vergelijkbare ontwerpen, Sieradzki legde uit. "Hoewel we geen nieuwe kerncentrales bouwen in de VS, deze bevindingen zouden de zoektocht naar nieuwe, corrosiebestendige legeringen die kunnen worden gebruikt voor vervangingsonderdelen in bestaande fabrieken en in andere belangrijke structurele toepassingen."