用小沖桿試驗(yàn)法評估304L不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性

白 濤，關(guān)凱書，陳 鵬

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

0 引 言

小沖桿試驗(yàn)（SPT）是20世紀(jì)80年代提出和發(fā)展起來的一種既有“無損取樣”特點(diǎn)，又能準(zhǔn)確提供材料性能的新型試驗(yàn)方法［1－2］。起初該方法主要用于核反應(yīng)堆殼體材料經(jīng)中子長期輻射后的脆化評定，后來快速延伸到其它領(lǐng)域，并研發(fā)了相應(yīng)的微型試樣現(xiàn)場取樣機(jī)。目前，日本、韓國和歐盟在這一領(lǐng)域都進(jìn)行了大量探索并出臺了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。我國于20世紀(jì)90年代逐步開展這一研究，并開發(fā)了試驗(yàn)裝置，開展了小沖桿材料常規(guī)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［3］，進(jìn)而還開展了材料斷裂韌性［4－5］和高溫蠕變性能［6］的研究。但是國內(nèi)目前尚無將小沖桿試驗(yàn)方法應(yīng)用于應(yīng)力腐蝕敏感性評估的先例。

不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）是石油化工、核電、冶金和火電行業(yè)經(jīng)常碰到的問題，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)安全。恒應(yīng)變、恒載荷試驗(yàn)和KISCC測試是常用的應(yīng)力腐蝕敏感性評估方法，但存在費(fèi)時(shí)、重復(fù)性差和需要大量試樣等缺點(diǎn)。慢拉伸是一種快速評估應(yīng)力腐蝕敏感性的手段，但是所需拉伸試樣尺寸較大，且取樣時(shí)要對設(shè)備進(jìn)行破壞。因此如何在不破壞現(xiàn)役設(shè)備、又不影響正常生產(chǎn)的前提下對材料的應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行快速評估，是一個(gè)長久困擾業(yè)界的難題。而小沖桿試驗(yàn)兼具快速和無損取樣的特點(diǎn)，具有解決這一問題的潛力。為此，作者以304L不銹鋼對研究對象，嘗試用小沖桿試驗(yàn)法來評估其應(yīng)力腐蝕敏感性，并研究了加載速度和腐蝕介質(zhì)等試驗(yàn)參數(shù)對評估效果的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用14mm厚固溶處理狀態(tài)的304L不銹鋼板，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為 0.021C，18.04Cr，8.02Ni，0.345Si，1.64Mn，0.037P，0.001S，余Fe。圖1是試驗(yàn)用304L不銹鋼的顯微組織，奧氏體晶粒尺寸為50～200μm。試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度為605MPa，屈服強(qiáng)度為300MPa，伸長率為64.5%，硬度為167HB。

圖1 試驗(yàn)用304L不銹鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of tested SS304L

小沖桿試驗(yàn)在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其夾具由上下兩部分構(gòu)成（圖2），其中上夾具具有中心垂直通孔，用于放鋼珠和壓桿等施力構(gòu)件，下夾具開有橫通孔以便腐蝕介質(zhì)可以始終保持與試樣底面接觸。整套夾具固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)下架頭上的環(huán)境筒體里。試驗(yàn)機(jī)上夾頭夾持一個(gè)施力圓柱體向下運(yùn)動擠壓壓桿和鋼珠對試樣施加載荷，直至試樣破斷以獲得載荷－位移曲線。

圖2中的壓桿直徑d1為2.5mm，鋼珠半徑r為2.5mm，并且二者硬度值均大于55HRC。試樣為直徑10mm、厚度（0.5±0.01）mm的小圓片，上下表面用1200＃砂紙打磨并且相互平行。下夾具中d2為4mm并倒有0.5×45°的圓角，d3為10mm。

圖2 小沖桿應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of small punch test（SPT）for evaluating SCC susceptibility

空氣中進(jìn)行的小沖桿試驗(yàn)分別在0.0003，0.003，0.2，2mm·min－1加載速度下進(jìn)行；應(yīng)力腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行的小沖桿試驗(yàn)分別在0.001，0.003，0.03，0.2mm·min－1加載速度下進(jìn)行。應(yīng)力腐蝕介質(zhì)選用人造海水和NaCl、HCl的混合溶液。根據(jù) ASTM D1141－98（2003）標(biāo)準(zhǔn)配置人造海水，配好后用0.1mol·L－1NaOH 溶液將人造海水的pH調(diào)整至8.2，現(xiàn)配現(xiàn)用［7］。NaCl和HCl混合溶液配比如下：①0.62mol·L－1NaCl＋0.1mol·L－1HCl②0.8mol·L－1NaCl＋0.1mol·L－1HCl③0.9mol·L－1NaCl＋ 0.1mol· L－1HCl④1.0mol·L－1NaCl＋ 0.1mol· L－1HCl⑤1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl。①～④溶液pH為1，⑤溶液pH為0.3。試驗(yàn)過程中，如果試樣對應(yīng)力腐蝕不敏感，則試樣是韌性斷裂、載荷－位移曲線可以延伸較長；而應(yīng)力腐敏感性大的試樣則呈現(xiàn)為脆性開裂，試樣在較低的載荷和較小的位移下就會開裂。

采用XJL－03型光學(xué)顯微鏡和EVOMA15型掃描電子顯微鏡（SEM）對試驗(yàn)后小沖桿試樣的顯微組織和斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加載速度對空氣中試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖3 304L不銹鋼小沖桿試樣在室溫空氣中的載荷－位移曲線Fig.3 Load－displacement curves of SS304L small punch samples in ambient air

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，加載速度在3×10－3～2mm·min－1之間時(shí)，小沖桿試驗(yàn)測得的載荷－位移曲線基本一致，最大載荷和位移具有較好的重復(fù)性。當(dāng)加載速度進(jìn)一步降低為3×10－4mm·min－1后，載荷－位移曲線發(fā)生明顯改變，屈服強(qiáng)度略有升高，并且彈性段線性明顯，曲線屈服階段在其它曲線之上，最大載荷和位移量均大幅度降低。因?yàn)榇思虞d速度下材料在發(fā)生彈性變形的同時(shí)有足夠的時(shí)間進(jìn)行彈性恢復(fù)，所以在該速度下獲得的載荷－位移曲線彈性段線性相對明顯，同時(shí)導(dǎo)致了其屈服強(qiáng)度略有提高。同理，在該加載速度下進(jìn)行塑性變形時(shí)，試樣組織中的滑移、位錯(cuò)等缺陷也有足夠的時(shí)間遷移合并，與以其它加載速度達(dá)到相同位移的小沖桿試樣的組織相比，其內(nèi)部缺陷更多，更集中，因此需要更大的載荷來使試樣的塑性變形程度增大。相同位移時(shí)，3×10－4mm·min－1小沖桿試樣中缺陷的集中度比高加載速度下的小沖桿試樣中的高，所以當(dāng)在3×10－4mm·min－1下進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)時(shí)，試樣在較低的位移和載荷下就發(fā)生了最終破斷。

為了使采用小沖桿法評估的應(yīng)力腐蝕敏感性結(jié)果與空氣中的常規(guī)小沖桿試樣具有可比性，所以明確用于評估應(yīng)力腐蝕敏感性的小沖桿試驗(yàn)的加載速度應(yīng)處于10－3～2mm·min－1之間。具體加載速度有待進(jìn)一步試驗(yàn)確定，為了便于確定小沖桿試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)，暫取較低的加載速度3×10－3mm·min－1在不同腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)檩^低的加載速度下材料的應(yīng)力腐蝕敏感性較大。

2.2 腐蝕介質(zhì)對試驗(yàn)結(jié)果的影響

在3×10－3mm·min－1的加載速度下進(jìn)行小沖桿應(yīng)力腐蝕評估驗(yàn)，結(jié)果以人造海水為腐蝕介質(zhì)的試樣并未發(fā)生斷裂，這表明304L不銹鋼在人造海水中具有較低的應(yīng)力腐蝕敏感性，如圖4所示。同時(shí)從圖中還可以看出，以HCl和NaCl的混合溶液作為腐蝕介質(zhì)時(shí)，隨著NaCl含量的增加，曲線的最大載荷和位移略有下降，這表明試樣的應(yīng)力的腐蝕敏感性逐漸加強(qiáng)，但NaCl濃度增加到1.0mol·L－1時(shí)，SCC現(xiàn)象始終并不明顯；當(dāng) HCl的濃度為0.5mol·L－1，可以觀察到明顯的SCC現(xiàn)象，并且試驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)性，這表明304L不銹鋼在酸性較強(qiáng)、含Cl－的溶液中更容易發(fā)生SCC。可以推測，隨著HCl濃度的增加，最大載荷和位移還將降低，但是HCl濃度過高會造成化學(xué)試劑不必要的浪費(fèi)，并增加了試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，同時(shí)也會由于HCl含量的過多導(dǎo)致均勻腐蝕逐漸占主導(dǎo)地位，影響到試驗(yàn)結(jié)果。綜上所述，最為合適的腐蝕介質(zhì)應(yīng)為1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl的混合溶液。

圖4 304L不銹鋼小沖桿試樣在不同腐蝕介質(zhì)中的載荷－位移曲線Fig.4 Load－displacement curves of SS304Lsmall punch samples in different corrosion mediums

2.3 加載速度對試驗(yàn)結(jié)果的影響

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，0.2mm·min－1和3×10－2mm·min－1加載速度下，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液中獲得的載荷－位移曲線與空氣中0.2mm·min－1加載速度下獲得的曲線幾乎具有相同的最大載荷和位移，這說明試樣并未發(fā)生明顯的SCC。當(dāng)加載速度降低到3×10－3mm·min－1時(shí)，曲線的最大載荷和位移均大幅降低，說明試樣表現(xiàn)出了較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，發(fā)生了低應(yīng)力脆斷。當(dāng)加載速度進(jìn)一步降低為10－3mm·min－1時(shí)，同樣發(fā)生了顯著的SCC現(xiàn)象，但是其最大載荷和位移相對于3×10－3mm·min－1下的并未明顯降低，這說明10－3mm·min－1加載速度下進(jìn)行SCC并不比3×10－3mm·min－1下的更敏感。因此，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl腐蝕介質(zhì)中，較合適的小沖桿應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)加載速度為3×10－3mm·min－1。

圖5 304L不銹鋼小沖桿試樣在不同加載速度下的載荷－位移曲線Fig.5 Load－displacement curves of SS304Lsmall punch samples at different load rates

2.4 斷口形貌和顯微組織

綜上所述，可以確定小沖桿試驗(yàn)評估304L不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性的最佳試驗(yàn)條件是使用1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液（腐蝕介質(zhì)），加載速度為3×10－3mm·min－1；試驗(yàn)持續(xù)9～10h。

由圖6可知，試驗(yàn)后腐蝕介質(zhì)中的試樣中心圓帽凸起位移量較小，試樣四周有腐蝕現(xiàn)象，斷口長度相對較大，四周可以觀察到明顯的微小SCC裂紋；空氣中的試樣表面依舊保持光亮，斷口相對整齊。

由圖7可見，在空氣介質(zhì)中試樣的主斷口相對平整，并沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，可以觀察到大量尺寸為1～5μm的韌窩，顯示了良好的韌性；在腐蝕介質(zhì)中試樣的主斷口凹凸不平，可以觀察到較多的細(xì)小SCC裂紋，斷口具有混合特征，主要為典型的河流狀解離斷口，同時(shí)還可以觀察到部分準(zhǔn)解理斷口形貌。

圖6 304L不銹鋼小沖桿試樣在3×10－3 mm·min－1加載速度下和不同腐蝕介質(zhì)中試驗(yàn)后的宏觀形貌Fig.6 Macrograph of SS304Lsmall punch samples at load rate of 3×10－3 mm·min－1and in different corrosion mediums：（a）air and（b）mix solution of 1.0mol·L－1 NaCl and 0.5mol·L－1 HCl

由圖8可見，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行小沖桿試驗(yàn)后，試樣的顯微組織中發(fā)現(xiàn)了呈樹枝狀擴(kuò)展的SCC裂紋，并呈穿晶斷裂，四周晶粒的晶界由于試樣發(fā)生下壓位移變形而變得斷斷續(xù)續(xù)。

圖8 在1.0mol·L－1 NaCl＋0.5mol·L－1 HCl腐蝕介質(zhì)和3×0－3 mm·min－1加載速度下304L不銹鋼小沖桿試樣的顯微組織Fig.8 Microstructure of SS304Lsmall punch sample in mix solution of 1.0mol·L－1 NaCl and 0.5mol·L－1 HCl and at load rate of 3×10－3 mm·min－1

3 結(jié) 論

（1）小沖桿試驗(yàn)法是一種有效評估304L不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性的方法，具有試驗(yàn)周期短、試樣尺寸小（近乎無損取樣）、可針對不同的顯微組織進(jìn)行多微區(qū)檢測、可對單側(cè)面進(jìn)行試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

（2）室溫空氣下，常規(guī)小沖桿試驗(yàn)在加載速度在3×10－3～2mm·min－1之間的載荷－位移曲線基本一致，最大載荷和位移具有較好的重復(fù)性；速度降低為3×10－4mm·min－1后，曲線變化明顯，屈服強(qiáng)度略有升高，最大載荷和位移大幅降低。

（3）304L不銹鋼最合適的小沖桿應(yīng)力腐蝕敏感性評估試驗(yàn)條件是：腐蝕介質(zhì)為1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl的混合溶液，加載速度為3×10－3mm·min－1。

（4）加載速度為3×10－3mm·min－1時(shí)，室溫空氣下，304L不銹鋼的小沖桿試樣斷口呈韌窩狀，無細(xì)小裂紋產(chǎn)生；而在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液中，斷口以穿晶解理為主，還有部分準(zhǔn)解理形貌，可以發(fā)現(xiàn)呈樹枝狀擴(kuò)展的微裂紋。

［1］艾芒，楊鎮(zhèn)，王志文.小沖桿試驗(yàn)法的起源、發(fā)展和應(yīng)用［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2000，22（4）：279－282.

［2］劉玉.小沖桿試驗(yàn)技術(shù)在金屬材料性能評定中的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（4）：10－12.

［3］韓浩.小沖桿實(shí)驗(yàn)測定金屬材料常溫性能的研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2003.

［4］郭良輝.評價(jià)材料抗斷裂性能的小沖桿試驗(yàn)技術(shù)［D］.上海：華東理工大學(xué)，2004.

［5］關(guān)凱書，李璞，黃奕昶，等.小沖桿試驗(yàn)評價(jià)材料的斷裂韌度［J］.壓力容器，2007，24（12）：8－11.

［6］楊鎮(zhèn).小沖桿微試樣技術(shù)用于測定材料高溫蠕變性能的研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2001.

［7］YU H S，NA E G，CHUNG S H.Assessment of stress corrosion cracking susceptibility by a small punch test［J］.Fatigue Fract Eng Mater Struct，1999，22：889－896.