用小沖桿試驗法評估304L不銹鋼的應力腐蝕敏感性

白 濤，關凱書，陳 鵬

（華東理工大學機械與動力工程學院，承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237）

0 引 言

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

不銹鋼的應力腐蝕開裂（SCC）是石油化工、核電、冶金和火電行業經常碰到的問題，嚴重威脅著生產安全。恒應變、恒載荷試驗和KISCC測試是常用的應力腐蝕敏感性評估方法，但存在費時、重復性差和需要大量試樣等缺點。慢拉伸是一種快速評估應力腐蝕敏感性的手段，但是所需拉伸試樣尺寸較大，且取樣時要對設備進行破壞。因此如何在不破壞現役設備、又不影響正常生產的前提下對材料的應力腐蝕敏感性進行快速評估，是一個長久困擾業界的難題。而小沖桿試驗兼具快速和無損取樣的特點，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，嘗試用小沖桿試驗法來評估其應力腐蝕敏感性，并研究了加載速度和腐蝕介質等試驗參數對評估效果的影響。

1 試樣制備與試驗方法

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

圖1 試驗用304L不銹鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of tested SS304L

小沖桿試驗在萬能拉伸試驗機上進行，其夾具由上下兩部分構成（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件，下夾具開有橫通孔以便腐蝕介質可以始終保持與試樣底面接觸。整套夾具固定在拉伸試驗機下架頭上的環境筒體里。試驗機上夾頭夾持一個施力圓柱體向下運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 小沖桿應力腐蝕試驗裝置示意Fig.2 Schematic diagram of small punch test（SPT）for evaluating SCC susceptibility

空氣中進行的小沖桿試驗分別在0.0003，0.003，0.2，2mm·min－1加載速度下進行；應力腐蝕介質中進行的小沖桿試驗分別在0.001，0.003，0.03，0.2mm·min－1加載速度下進行。應力腐蝕介質選用人造海水和NaCl、HCl的混合溶液。根據 ASTM D1141－98（2003）標準配置人造海水，配好后用0.1mol·L－1NaOH 溶液將人造海水的pH調整至8.2，現配現用［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。試驗過程中，如果試樣對應力腐蝕不敏感，則試樣是韌性斷裂、載荷－位移曲線可以延伸較長；而應力腐敏感性大的試樣則呈現為脆性開裂，試樣在較低的載荷和較小的位移下就會開裂。

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

2 試驗結果與討論

2.1 加載速度對空氣中試驗結果的影響

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中可以發現，加載速度在3×10－3～2mm·min－1之間時，小沖桿試驗測得的載荷－位移曲線基本一致，最大載荷和位移具有較好的重復性。當加載速度進一步降低為3×10－4mm·min－1后，載荷－位移曲線發生明顯改變，屈服強度略有升高，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。因為此加載速度下材料在發生彈性變形的同時有足夠的時間進行彈性恢復，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，同時導致了其屈服強度略有提高。同理，在該加載速度下進行塑性變形時，試樣組織中的滑移、位錯等缺陷也有足夠的時間遷移合并，與以其它加載速度達到相同位移的小沖桿試樣的組織相比，其內部缺陷更多，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，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，所以當在3×10－4mm·min－1下進行小沖桿試驗時，試樣在較低的位移和載荷下就發生了最終破斷。

為了使采用小沖桿法評估的應力腐蝕敏感性結果與空氣中的常規小沖桿試樣具有可比性，所以明確用于評估應力腐蝕敏感性的小沖桿試驗的加載速度應處于10－3～2mm·min－1之間。具體加載速度有待進一步試驗確定，為了便于確定小沖桿試驗的腐蝕介質，暫取較低的加載速度3×10－3mm·min－1在不同腐蝕介質中進行試驗，因為較低的加載速度下材料的應力腐蝕敏感性較大。

2.2 腐蝕介質對試驗結果的影響

在3×10－3mm·min－1的加載速度下進行小沖桿應力腐蝕評估驗，結果以人造海水為腐蝕介質的試樣并未發生斷裂，這表明304L不銹鋼在人造海水中具有較低的應力腐蝕敏感性，如圖4所示。同時從圖中還可以看出，以HCl和NaCl的混合溶液作為腐蝕介質時，隨著NaCl含量的增加，曲線的最大載荷和位移略有下降，這表明試樣的應力的腐蝕敏感性逐漸加強，但NaCl濃度增加到1.0mol·L－1時，SCC現象始終并不明顯；當 HCl的濃度為0.5mol·L－1，可以觀察到明顯的SCC現象，并且試驗結果具有較好的重復性，這表明304L不銹鋼在酸性較強、含Cl－的溶液中更容易發生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試劑不必要的浪費，并增加了試驗的危險性，同時也會由于HCl含量的過多導致均勻腐蝕逐漸占主導地位，影響到試驗結果。綜上所述，最為合適的腐蝕介質應為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 加載速度對試驗結果的影響

從圖5中可以發現，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，這說明試樣并未發生明顯的SCC。當加載速度降低到3×10－3mm·min－1時，曲線的最大載荷和位移均大幅降低，說明試樣表現出了較高的應力腐蝕敏感性，發生了低應力脆斷。當加載速度進一步降低為10－3mm·min－1時，同樣發生了顯著的SCC現象，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腐蝕介質中，較合適的小沖桿應力腐蝕試驗加載速度為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評估304L不銹鋼應力腐蝕敏感性的最佳試驗條件是使用1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液（腐蝕介質），加載速度為3×10－3mm·min－1；試驗持續9～10h。

由圖6可知，試驗后腐蝕介質中的試樣中心圓帽凸起位移量較小，試樣四周有腐蝕現象，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，在空氣介質中試樣的主斷口相對平整，并沒有發現細小裂紋，可以觀察到大量尺寸為1～5μm的韌窩，顯示了良好的韌性；在腐蝕介質中試樣的主斷口凹凸不平，可以觀察到較多的細小SCC裂紋，斷口具有混合特征，主要為典型的河流狀解離斷口，同時還可以觀察到部分準解理斷口形貌。

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中試驗后的宏觀形貌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腐蝕介質中進行小沖桿試驗后，試樣的顯微組織中發現了呈樹枝狀擴展的SCC裂紋，并呈穿晶斷裂，四周晶粒的晶界由于試樣發生下壓位移變形而變得斷斷續續。

圖8 在1.0mol·L－1 NaCl＋0.5mol·L－1 HCl腐蝕介質和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 論

（1）小沖桿試驗法是一種有效評估304L不銹鋼應力腐蝕敏感性的方法，具有試驗周期短、試樣尺寸小（近乎無損取樣）、可針對不同的顯微組織進行多微區檢測、可對單側面進行試驗等優點。

（2）室溫空氣下，常規小沖桿試驗在加載速度在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性；速度降低為3×10－4mm·min－1后，曲線變化明顯，屈服強度略有升高，最大載荷和位移大幅降低。

（3）304L不銹鋼最合適的小沖桿應力腐蝕敏感性評估試驗條件是：腐蝕介質為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，室溫空氣下，304L不銹鋼的小沖桿試樣斷口呈韌窩狀，無細小裂紋產生；而在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液中，斷口以穿晶解理為主，還有部分準解理形貌，可以發現呈樹枝狀擴展的微裂紋。

［1］艾芒，楊鎮，王志文.小沖桿試驗法的起源、發展和應用［J］.機械強度，2000，22（4）：279－282.

［2］劉玉.小沖桿試驗技術在金屬材料性能評定中的應用［J］.機械研究與應用，2007，20（4）：10－12.

［3］韓浩.小沖桿實驗測定金屬材料常溫性能的研究［D］.上海：華東理工大學，2003.

［4］郭良輝.評價材料抗斷裂性能的小沖桿試驗技術［D］.上海：華東理工大學，2004.

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

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