تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد

يُعرف تشقق التآكل الإجهادي ( SCC ) بأنه نمو الشقوق في بيئة أكالة . وقد يؤدي إلى فشل مفاجئ وغير متوقع لسبائك المعادن المطيلية عادةً عند تعرضها لإجهاد شد ، خاصةً عند درجات حرارة مرتفعة. يتميز تشقق التآكل الإجهادي بتخصصه الكيميائي العالي، حيث أن بعض السبائك لا تتعرض له إلا عند تعرضها لعدد محدود من البيئات الكيميائية. غالبًا ما تكون البيئة الكيميائية المسببة لتشقق التآكل الإجهادي في سبيكة معينة بيئة ذات تأثير أكال طفيف على المعدن. ولذلك، قد تبدو الأجزاء المعدنية المصابة بتشقق إجهادي شديد لامعة وبراقة، بينما تكون مليئة بشقوق مجهرية. هذا العامل يجعل من الشائع عدم اكتشاف تشقق التآكل الإجهادي قبل حدوث الفشل. غالبًا ما يتطور تشقق التآكل الإجهادي بسرعة، وهو أكثر شيوعًا في السبائك منه في المعادن النقية. تُعد البيئة المحددة ذات أهمية بالغة، ولا يلزم سوى تركيزات ضئيلة جدًا من بعض المواد الكيميائية النشطة للغاية لإحداث تشقق كارثي، مما يؤدي غالبًا إلى فشل مدمر وغير متوقع. ^{[ 1 ]}

قد تنجم الإجهادات عن أحمال الشقوق الناتجة عن تركيز الإجهاد ، أو عن نوع التجميع أو الإجهادات المتبقية من التصنيع (مثل التشكيل على البارد)؛ ويمكن تخفيف هذه الإجهادات المتبقية عن طريق التلدين أو معالجات سطحية أخرى. ويُشكل الفشل المفاجئ والمبكر لمعدات العمليات الكيميائية، على سبيل المثال، بسبب تشقق التآكل الإجهادي، خطرًا جسيمًا على سلامة الأفراد ومرافق التشغيل والبيئة. كما أن هذه الأعطال، من خلال إضعاف موثوقية هذه المعدات، تؤثر سلبًا على الإنتاجية والربحية.

يؤثر التآكل الناتج عن الإجهاد بشكل رئيسي على المعادن والسبائك المعدنية . كما يؤثر تأثير مماثل يُعرف باسم التآكل الناتج عن الإجهاد البيئي على مواد أخرى مثل البوليمرات والسيراميك والزجاج .

البوليمرات

تحدث عملية مشابهة ( التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي ) في البوليمرات عند تعرض المنتجات لمذيبات معينة أو مواد كيميائية قوية كالأحماض والقلويات . وكما هو الحال مع المعادن، يقتصر التأثير على بوليمرات محددة ومواد كيميائية معينة. لذا، فإن البولي كربونات حساس للتأثير القلوي، ولكنه ليس حساسًا للتأثير الحمضي. من ناحية أخرى، تتحلل البوليسترات بسهولة بفعل الأحماض، ويُعد التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي آلية فشل محتملة . تكون البوليمرات عرضة للتشقق الناتج عن الإجهاد البيئي حتى في الحالات التي لا تؤدي فيها العوامل المؤثرة بالضرورة إلى تحلل المواد كيميائيًا. يُعد النايلون حساسًا للتحلل بفعل الأحماض، وهي عملية تُعرف بالتحلل المائي ، وستتشقق قوالب النايلون عند تعرضها لأحماض قوية.

على سبيل المثال، أظهر سطح كسر موصل الوقود نموًا تدريجيًا للشق بدءًا من تأثير الحمض (Ch) وصولًا إلى الطرف النهائي (C) للبوليمر. في هذه الحالة، كان سبب العطل هو تحلل البوليمر مائيًا نتيجة ملامسته لحمض الكبريتيك المتسرب من بطارية سيارة . ويُعد تفاعل التحلل عكس تفاعل تكوين البوليمر.

يمكن أن تتشكل الشقوق في العديد من أنواع المطاط الصناعي بفعل الأوزون ، وهو شكل آخر من أشكال التآكل الإجهادي في البوليمرات. تهاجم آثار ضئيلة من هذا الغاز في الهواء الروابط المزدوجة في سلاسل المطاط، ويُعدّ المطاط الطبيعي ، ومطاط الستايرين-بوتادين ، ومطاط النتريل-بوتادين الأكثر حساسية للتلف. تتشكل شقوق الأوزون في المنتجات المعرضة للشد، ولكن الإجهاد الحرج يكون ضئيلاً للغاية. تتجه الشقوق دائمًا بزاوية قائمة على محور الإجهاد، لذا تتشكل حول محيط أنبوب مطاطي مثني. تُشكل هذه الشقوق خطرًا عند حدوثها في أنابيب الوقود، لأنها تتوسع من الأسطح الخارجية المكشوفة إلى داخل الأنبوب، مما قد يؤدي إلى تسرب الوقود ونشوب حريق. يمكن منع تشقق الأوزون بإضافة مواد مضادة للأوزون إلى المطاط قبل عملية الفلكنة . كانت شقوق الأوزون شائعة في الجدران الجانبية لإطارات السيارات ، ولكنها نادرة الآن بفضل استخدام هذه الإضافات. من ناحية أخرى، تتكرر المشكلة في المنتجات غير المحمية مثل الأنابيب المطاطية والأختام.

زجاج

ينقسم انتشار الشقوق دون الحرجة في الزجاج إلى ثلاث مناطق. في المنطقة الأولى، تزداد سرعة انتشار الشقوق مع زيادة الرطوبة المحيطة نتيجةً لتفاعل كيميائي مُعزز بالإجهاد بين الزجاج والماء. في المنطقة الثانية، تخضع سرعة انتشار الشقوق لسيطرة الانتشار وتعتمد على معدل انتقال المواد الكيميائية المتفاعلة إلى طرف الشق. في المنطقة الثالثة، يصبح انتشار الشقوق مستقلاً عن بيئته، بعد أن يصل إلى شدة إجهاد حرجة. يمكن لمواد كيميائية أخرى غير الماء، مثل الأمونيا، أن تُحفز انتشار الشقوق دون الحرجة في زجاج السيليكا، ولكن يجب أن تحتوي على موقع مانح للإلكترونات وموقع مانح للبروتونات . ^{[ 4 ]}

• تُضبط إجهادات الضغط المتبقية الناتجة عن التشكيل بالليزر بدقة متناهية من حيث الموقع والشدة، ويمكن استخدامها لتخفيف حدة الانتقالات الحادة إلى مناطق الشد. يُحدث التشكيل بالليزر إجهادات ضغط متبقية عميقة، تصل إلى 10 إلى 20 ضعف عمق إجهادات التشكيل بالخردق التقليدية، مما يجعله أكثر فائدة بشكل ملحوظ في منع تآكل الإجهاد. ^{[ 5 ]} يُستخدم التشكيل بالليزر على نطاق واسع في صناعات الطيران والفضاء وتوليد الطاقة، وتحديدًا في محركات التوربينات الغازية. ^{[ 6 ]}
• اختيار المواد: يُساعد اختيار المادة المناسبة لبيئة معينة على منع تشقق التآكل الإجهادي. ينبغي استخدام مواد ذات مقاومة عالية للتآكل وتشقق التآكل الإجهادي في البيئات المسببة للتآكل. على سبيل المثال، يُمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ بدلاً من الفولاذ الكربوني في البيئة البحرية لتقليل احتمالية حدوث تشقق التآكل الإجهادي. ^{[ 7 ]}
• الطلاءات الواقية: يمكن أن يساعد تطبيق طلاء أو حاجز واقٍ في منع المواد المسببة للتآكل من ملامسة سطح المعدن، مما يقلل من احتمالية حدوث التآكل الإجهادي. على سبيل المثال، يمكن أن يقلل استخدام طلاء الإيبوكسي على السطح الداخلي لخط الأنابيب من احتمالية حدوث التآكل الإجهادي. ^{[ 7 ]}
• الحماية الكاثودية: الحماية الكاثودية هي تقنية تُستخدم لحماية المعادن من التآكل عن طريق تطبيق تيار كهربائي صغير على سطح المعدن. كما تُساعد هذه التقنية في منع التآكل الإجهادي الناتج عن الإجهاد عن طريق تقليل جهد التآكل للمعدن. ^{[ 7 ]}
• الضوابط البيئية: يمكن أن يساعد التحكم في البيئة المحيطة بالمعدن في منع التآكل الإجهادي. على سبيل المثال، يمكن أن يساعد خفض درجة الحرارة أو حموضة البيئة في منع التآكل الإجهادي. ^{[ 7 ]}
• الفحص والصيانة: يمكن أن تساعد عمليات الفحص والصيانة الدورية في الكشف عن التآكل الإجهادي قبل أن يتسبب في حدوث عطل. ويشمل ذلك عمليات الفحص البصري، والاختبارات غير المتلفة، ومراقبة العوامل البيئية. ^{[ 7 ]}

• انفجر خط أنابيب لنقل الغاز، قطره 32 بوصة، شمال ناتشيتوش بولاية لويزيانا ، تابع لشركة تينيسي للغاز، واشتعلت فيه النيران من شركة SCC في 4 مارس 1965، مما أسفر عن مقتل 17 شخصًا. وأصيب 9 آخرون على الأقل، ودُمرت 7 منازل على بُعد 450 قدمًا من موقع الانفجار. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• تسبب التآكل الإجهادي في انهيار جسر سيلفر بشكل كارثي في ​​ديسمبر 1967، عندما انهار فجأة جسر معلق ذو عارضة حلقية فوق نهر أوهايو في بوينت بليزانت ، بولاية فرجينيا الغربية . انهار المفصل الرئيسي للسلسلة وسقط الجسر بأكمله في النهر، مما أسفر عن مقتل 46 شخصًا كانوا يعبرون الجسر بسياراتهم. تسبب الصدأ في مفصل العارضة الحلقية في حدوث تشقق ناتج عن التآكل الإجهادي، والذي تفاقم بسبب الأحمال العالية على الجسر وانخفاض درجة الحرارة. وقد زاد من حدة الانهيار ارتفاع مستوى الإجهاد المتبقي في العارضة الحلقية. أدت هذه الكارثة إلى إعادة تقييم شاملة للجسور على مستوى البلاد. ^{[ 10 ]}
• رحلة ألوها الجوية رقم ٢٤٣ : في عام ١٩٨٨، تعرضت رحلة ألوها الجوية رقم ٢٤٣ لعطل جزئي في جسم الطائرة نتيجةً لتآكل الإجهاد. كانت طائرة بوينغ ٧٣٧-٢٠٠ في رحلة من هيلو إلى هونولولو، هاواي، عندما انفجر جزء من جسم الطائرة، مما تسبب في انخفاض مفاجئ في الضغط. كشف التحقيق في العطل أن تآكل الإجهاد قد حدث في الغلاف الخارجي المصنوع من الألومنيوم لجسم الطائرة نتيجةً لدورات الضغط والتفريغ المتكررة للطائرة. أدى هذا الحادث إلى تغييرات في إجراءات الصيانة والتفتيش للطائرات لمنع حدوث أعطال مماثلة في المستقبل. ^{[ ١١ ]}
• خط أنابيب ألاسكا العابر : في عام 2001، تعطل جزء من خط أنابيب ألاسكا العابر نتيجةً لتآكل الإجهاد. يُستخدم هذا الخط لنقل النفط الخام من المنحدر الشمالي لألاسكا إلى محطة فالديز البحرية. وقع العطل عندما انكسر جزء من الخط بطول 34 قدمًا، مما أدى إلى تسرب أكثر من 285,000 جالون من النفط الخام. وكشف التحقيق في العطل أن تآكل الإجهاد قد حدث في الخط نتيجةً لوجود الماء والبكتيريا، مما خلق بيئةً مُسببةً للتآكل. ^{[ 12 ]}
• منظار الغواصة يو إس إس هارتفورد : في عام ٢٠٠٩، تعطل منظار الغواصة يو إس إس هارتفورد نتيجةً لتآكل الطوربيدات. يُستخدم المنظار لتوفير رؤية لسطح الماء أثناء غمر الغواصة. حدث العطل عندما امتد المنظار عبر هيكل الغواصة، مما أدى إلى دخول مياه البحر إلى مانع التسرب الخاص به. تسببت مياه البحر في حدوث تآكل الطوربيدات في الهيكل الفولاذي الداعم للمنظار، مما أدى إلى سقوطه داخل الغواصة. لحسن الحظ، لم تقع إصابات، ولكن كان لا بد من إخراج الغواصة من الخدمة لإجراء الإصلاحات. ^{[ ١٣ ] [ ١٤ ]}
• شركة إن دي كي كريستال : في عام ٢٠٠٩، انفجر جهاز تعقيم بالبخار (أوتوكلاف) لنمو الكوارتز، يبلغ ارتفاعه ٥٠ قدمًا، في مصنع بمدينة بيلفيدير بولاية إلينوي، نتيجةً لتآكل الإجهاد، مما أسفر عن وفاة شخص وإصابة آخر في الشركات المجاورة. كان جهاز التعقيم مملوءًا بمحلول هيدروكسيد الصوديوم الساخن عالي الضغط ، ولم يكن وعاء الضغط الفولاذي السميك مصممًا لتحمل البيئات المسببة للتآكل. ومع ذلك، اعتقد مشغلو المصنع خطأً أن جدران الوعاء ستكون محمية من التآكل بتكوين طبقة ذاتية التخميل من سيليكات الحديد والصوديوم . على الرغم من حادثة تآكل الإجهاد السابقة في عام ٢٠٠٧ والتحذيرات المحددة من شركة التأمين التابعة لشركة إن دي كي كريستال، لم يخضع أي من أجهزة التعقيم الثمانية في المصنع لفحوصات السلامة. ^{[ ١٥ ]}

• الكيمياء الجنائية – التطبيق الجنائي لدراسة الكيمياء 
• الهندسة الجنائية – التحقيق في حالات الفشل المرتبطة بالتدخل القانوني 
• هندسة المواد الجنائية – فرع من فروع الهندسة الجنائية 
• هندسة البوليمرات الجنائية – دراسة أسباب فشل المنتجات البوليمرية 
• ميكانيكا الكسر – دراسة انتشار الشقوق في المواد 
• التصدع الناتج عن الإجهاد البيئي – الفشل الهش للبوليمرات الحرارية 
• كسر الإجهاد البيئي – فشل المواد 
• التقصف الهيدروجيني – انخفاض في ليونة المعدن عند تعرضه للهيدروجين 
• التصدع الناتج عن الأوزون – تشققات في العديد من أنواع المطاط الصناعي المختلفة نتيجة لتأثير الأوزون 
• تحلل البوليمر – تغير في خصائص البوليمر تحت تأثير العوامل البيئية 
• التشقق الموسمي – شكل من أشكال تشقق تآكل الإجهاد في أغلفة الخراطيش النحاسية 
• التصدع الناتج عن إجهاد الكبريتيد – شكل من أشكال التقصف الهيدروجيني بسبب كبريتيد الهيدروجين 

• وسائط متعلقة بتشقق التآكل الإجهادي على ويكيميديا ​​كومنز