00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼焊接接頭應力腐蝕特性

劉建華 王 兵 李松梅 于 美

(北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京100191)

不銹鋼因其高強度、高彈性模量在飛機上廣泛使用[1].在不銹鋼中，奧氏體不銹鋼是應用最廣泛的一種.它大約含18%Cr和8%Ni，使得奧氏體不銹鋼能形成致密的鈍化膜以抵抗惡劣的腐蝕環境[2].00Cr18Ni10N不銹鋼是一種新型超低碳高強度奧氏體不銹鋼，由于其良好的耐蝕性和力學性能而被廣泛應用于航空航天領域.不銹鋼構件使用接觸腐蝕介質常引起多種形式的腐蝕破壞.在不銹鋼的濕態腐蝕中，應力腐蝕斷裂已成為最突出的破壞形式，占不銹鋼濕態腐蝕破壞的40% ～60%[3].

很多學者深入研究了應力腐蝕開裂機制，應力腐蝕開裂機制包括陽極溶解(AD)和氫致開裂(HIC)，不同的環境條件導致不同的應力腐蝕開裂機制[4－10].在實際應用中結構件大多是焊接結構件，焊接是現代制造業中最為重要的材料成形和加工技術之一，它的應用領域遍及石油化工、航空航天、建筑工程、微電子等幾乎所有的工程制造領域[11－12].國內外對不銹鋼焊接接頭應力腐蝕的研究已很多.已有的研究在接頭區域的劃分上比較粗糙而且主要是針對304和316型系列的鉻鎳奧氏體不銹鋼[3，13－16].國內很少對奧氏體不銹鋼及其焊接接頭應力腐蝕開裂(SCC，Stress Corrosion Cracking)行為進行定量研究，只是對材料的SCC行為進行了一些定性分析.

氬弧焊作為較早獲得應用的機械化焊接方法，是應用最廣泛的焊接工藝方法之一[17].本文旨在對經氬弧焊接的00Cr18Ni10N不銹鋼的焊接接頭與母材進行恒載荷拉伸應力腐蝕實驗，研究其焊接接頭的應力腐蝕行為、并與母材進行了比較.

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗采用00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼，實驗材料的化學成分如表1所示.焊接工藝為TIG氬弧焊，電極材料采用直徑1.5～3.2mm鈰鎢絲，以氬氣作保護氣體，Y型坡口形式2.5 mm厚板材開70°V形缺口，鈍邊0.5 mm，不留間隙，接頭形式示意圖如圖1所示.

表1 00Cr18Ni10N不銹鋼化學成分

圖1 接頭形式示意圖

1.2 恒載荷拉伸應力腐蝕實驗

恒載荷拉伸應力腐蝕實驗的腐蝕介質為3.5%中性NaCl溶液，恒溫35(±1)℃.試樣的截取位置及拉伸試樣尺寸如圖2和圖3所示，中間位置為焊縫區.恒載荷拉伸應力腐蝕實驗選取90%σ0.2，85%σ0.2，80%σ0.2，75%σ0.2這 4 個應力水平，每個應力水平采用3個平行試樣.試樣斷裂后記錄斷裂時間，若實驗進行120 h后試樣未斷裂，則取下試樣在拉伸實驗機上進行剩余強度測試.

圖2 恒載荷拉伸應力腐蝕試樣的截取示意圖

圖3 恒載荷拉伸應力腐蝕試樣尺寸(單位:mm)

1.3 金相及斷口形貌分析

取00Cr18Ni10N不銹鋼實驗材料的焊縫區、熱影響區和母材試樣，采用 500#，800#，1000#，1200#，1500#金相砂紙逐級打磨并拋光后，用丙酮溶液超聲波振蕩清洗除油，隨后用去離子水清洗并用酒精擦拭試樣表面，吹干.用20mL HCl+10mL HNO3+70mL H2O溶液作為侵蝕劑顯晶，在OLYMPUS(BX51M型)金相顯微鏡上進行金相組織觀察.對恒載荷拉伸應力腐蝕實驗試樣斷裂后去除腐蝕產物，采用JSM 5800掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌.

2 結果與討論

2.1 金相組織分析

00Cr18Ni10N奧氏體不銹鋼母材金相組織照片如圖4所示，可以看出母材顯微組織主要為典型的奧氏體不銹鋼微觀組織，由等軸奧氏體晶粒組成，并且存在一定的孿晶結構.00Cr18Ni10N焊接接頭熱影響區很窄，且熱影響區的晶粒與母材相比幾乎沒有變化.00Cr18Ni10N焊縫區由發達的柱狀晶組成，并且晶粒尺寸較小，一次枝晶方向性很明顯，在部分柱狀晶上可以看到清晰的二次枝晶.

圖4 00Cr18Ni10N鋼不同區域的金相組織照片

2.2 恒載荷拉伸應力腐蝕

將兩種拉伸應力腐蝕試樣打磨后在力學實驗機上測量其力學性能，結果如表2所示.

表2 00Cr18Ni10N不銹鋼力學性能

由表2可以看出，焊接后00Cr18Ni10N強度σ0.2和σb、延伸率 δ5和斷面收縮率 ψ 都下降，焊接降低了00Cr18Ni10N的力學性能.

在中性3.5%NaCl水溶液中進行4種應力水平的恒載荷拉伸應力腐蝕實驗，試樣斷裂后記錄斷裂時間，若實驗進行120 h后試樣未斷裂，則取下試樣在拉伸實驗機上進行剩余強度測試.通過拉伸應力腐蝕前后試樣的強度的損失量Δσb分析來評價材料的抗應力腐蝕性能，每個應力水平采取3個平行試樣，記錄拉伸試樣在不同應力水平下的剩余強度σb及斷后試樣延伸率δ5，結果如表3所示.

表3 恒載荷應力腐蝕實驗結果

由表3可以看出:隨著應力水平的降低，剩余強度逐漸增大，強度損失百分比逐漸降低，這主要是由于在腐蝕介質中應力減小使得裂紋萌生的時間延長，在隨后的拉伸實驗中測量其剩余強度時，導致剩余強度增大，但都低于其原始抗拉強度.在相同的應力水平下，00Cr18Ni10N鋼強度損失較其焊接接頭大，表明00Cr18Ni10N鋼焊接接頭的抗應力腐蝕性能優于母材.

當應力水平為 90%σ0.2時，00Cr18Ni10N 鋼母材的剩余強度為 596.81 MPa，強度降低了5.74%;應力水平為 85%σ0.2時，00Cr18Ni10N 鋼的剩余強度為610.48 MPa，強度降低了3.58%;應力水平為 80%σ0.2時，00Cr18Ni10N 鋼的剩余強度為624.79 MPa，強度降低了 1.32%;應力水平為 75%σ0.2時，00Cr18Ni10N 鋼的剩余強度為629.35 MPa，強度降低了 0.60%.可以看出00Cr18Ni10N鋼剩余強度降低并不是隨著應力水平的變化線性變化.同樣00Cr18Ni10N焊接接頭的剩余強度也有類似的過程，以兩種試樣的強度降低百分比對應力水平作圖，得到不同應力水平下的強度損失變化曲線，如圖5所示.

圖5 00Cr18Ni10N鋼母材及焊接接頭強度降低百分比隨應力水平的變化曲線

由圖5可以看出，當應力水平下降到75%σ0.2時，兩種試樣的強度損失都已經很小.說明隨著應力水平的降低，應力和腐蝕介質協同作用對00Cr18Ni10N母材和焊接接頭試樣的影響減小，應力水平再降低材料將不發生應力腐蝕.

由表2可知，00Cr18Ni10N鋼母材的延伸率為78.90%，焊接接頭的延伸率為25.63%，焊接后00Cr18Ni10N鋼塑性降低.對比表3中不同應力水平下兩種試樣的延伸率可以看出，進行恒載荷拉伸應力腐蝕后，試樣的延伸率都有不同程度的下降，表明兩種試樣都受到應力和腐蝕介質的影響，塑性降低.將表3中的延伸率與應力水平作圖，得到的曲線如圖6所示，可以看出兩種試樣的延伸率隨著應力水平的降低逐漸減小.在相同的應力水平下，00Cr18Ni10N鋼母材的延伸率大于00Cr18Ni10N焊接接頭的延伸率，這也說明了00Cr18Ni10N母材的塑性較好.

圖6 00Cr18Ni10N鋼母材及焊接接頭延伸率隨應力水平變化曲線

2.3 斷口形貌分析

00Cr18Ni10N鋼母材及其焊接接頭的未腐蝕原始試樣打磨后在拉伸實驗機上直接拉斷后的斷裂形貌如圖7所示.從宏觀圖像上看兩種試樣原始試樣為韌性斷裂，均發生了明顯的宏觀塑性變形，從掃描電鏡圖上可以看到兩者均存在大量明顯的韌窩，表明兩種試樣的斷裂方式為典型的韌窩斷裂.由斷裂力學可知，韌窩的深淺能夠反映材料塑性的好壞，對比圖6可以看出00Cr18Ni10N鋼母材韌窩較深，這也說明了00Cr18Ni10N鋼母材較其焊接后韌性更好，焊接降低了00Cr18Ni10N的塑性.從焊接接頭的斷口形貌中可以看到存在微孔缺陷，這是由于00Cr18Ni10N屬于中合金結構鋼，合金元素含量較大，這些元素在高溫時與空氣中的氧發生反應生成的反應物流動性較差，影響了焊縫金屬的成形，導致產生了未熔合等缺陷.由于產生了缺陷，因此焊接后00Cr18Ni10N的強度降低.

圖7 00Cr18Ni10N鋼未腐蝕原始試樣的斷口形貌

將拉伸應力腐蝕后進行純力學拉斷的母材試樣去除腐蝕產物并清洗斷口，采用JSM 5800掃描電鏡觀察斷口形貌.00Cr18Ni10N鋼母材在不同應力水平下的斷口形貌特征相似，00Cr18Ni10N鋼母材試樣在85%σ0.2應力水平下的斷口形貌照片如圖8所示.斷口邊緣的斷裂方式為沿晶斷裂，可以觀察到沿晶二次裂紋，斷口中心部分是典型的韌窩形貌，其間存在微孔，為塑性斷裂.對比腐蝕前后斷口形貌可知，試樣斷口較為平整，韌窩數量較多，而腐蝕后拉斷試樣呈現拉長韌窩形貌，由此可見，00Cr18Ni10N鋼母材在中性3.5%NaCl溶液中恒載荷拉伸斷裂后，斷裂方式表現為韌窩斷裂和沿晶脆性斷裂.

將拉伸應力腐蝕后進行純力學拉斷的00Cr18Ni10N鋼焊接接頭試樣去除腐蝕產物并清洗斷口，采用JSM 5800掃描電鏡觀察斷口的形貌.00Cr18Ni10N鋼焊接接頭試樣在不同應力水平下的斷口形貌特征相似，00Cr18Ni10N鋼焊接材料試樣在85%σ0.2應力水平下的斷口形貌如圖9所示.斷口中心部分是典型的韌窩形貌，其間存在一定數量的微孔，為韌窩-聚孔聚集型斷裂，是典型的塑性斷裂，斷口的邊緣區域存在少量的穿晶裂紋，斷裂方式為沿晶脆性斷裂.而隨著應力水平的降低，應力和腐蝕介質對材料的影響減小，應力腐蝕減弱，當應力水平低到某一臨界值時，將不發生應力腐蝕.00Cr18Ni10N鋼焊接接頭在中性3.5%NaCl溶液中恒載荷拉伸斷裂后，表現出了應力腐蝕斷裂特征.

圖8 00Cr18Ni10N鋼母材試樣在85%σ0.2應力水平下的斷口形貌

00Cr18Ni10N鋼因含有較高的Cr，可形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蝕性.00Cr18Ni10N基本上為單一的奧氏體組織，故耐蝕性和焊接性能均較好.由兩種試樣的斷口照片可以看出，兩種試樣在不加腐蝕介質條件下的斷口形貌均表現為韌窩斷裂形貌，在應力和腐蝕介質的協同作用下，都有發生應力腐蝕開裂的傾向，00Cr18Ni10N母材及焊接接頭在應力和腐蝕介質的作用下，韌性降低，脆性增加.

3 結論

圖9 00Cr18Ni10N鋼焊接接頭試樣在85%σ0.2應力水平下的斷口形貌

1)00Cr18Ni10N不銹鋼母材顯微組織主要為等軸奧氏體晶粒并且存在一定的孿晶結構.熱影響區很窄，熱影響區的晶粒與母材相比幾乎沒有變化.焊縫區由發達的柱狀晶組成，并且晶粒尺寸較小，一次枝晶方向性很明顯，在部分柱狀晶上可以看到清晰的二次枝晶.

2)相同應力水平下，00Cr18Ni10N鋼母材的延伸率大于焊接接頭，表明00Cr18Ni10N鋼母材的塑性更好，焊接降低了00Cr18Ni10N的塑性.

3)在各應力水平下，00Cr18Ni10N鋼母材試樣和焊接接頭試樣經恒載荷應力拉伸腐蝕后剩余強度減小，并且在相同應力水平下，焊接接頭試樣的強度損失較母材更大，焊接降低了00Cr18Ni10N鋼的抗應力腐蝕性能，焊縫區是應力腐蝕開裂的敏感區域.

4)兩種試樣的斷口中心部分是典型的韌窩形貌，其間存在許多微孔，為塑性斷裂;斷口的邊緣部分，則出現了穿晶斷裂特征，00Cr18Ni10N在所實驗的環境中韌性降低脆性增加，顯示出了應力腐蝕斷裂特征.

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