0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕研究

唐峰等

【摘 要】不銹鋼構(gòu)建是由制備具有抗腐蝕性質(zhì)的設(shè)備、機(jī)件而發(fā)展、成熟形成的金屬材料，在工農(nóng)行業(yè)得到了普及應(yīng)用。由于不銹鋼構(gòu)件在使用過程中時(shí)常接觸到腐蝕介質(zhì)，進(jìn)而出現(xiàn)多種形式的腐蝕問題。據(jù)工業(yè)實(shí)例統(tǒng)計(jì)表明，應(yīng)力腐蝕破壞在所有不銹鋼濕態(tài)腐蝕破壞事例中比例最高，達(dá)到50%左右。文章主要闡述使用恒載核應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的方式以及對(duì)表面進(jìn)行顯微研究的方式來(lái)研究了在3.5%的Nacl水溶液中，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼與焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂情況。

【關(guān)鍵詞】奧氏體不銹鋼 恒載荷應(yīng)力 斷裂形貌

奧氏體不銹鋼是一種在常溫環(huán)境下具有奧氏體組織的不銹鋼。在鋼材中包括Cr18%，Ni8-10%，C0.1%，形成了穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼不單單耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕，同時(shí)，如果該鋼材中含有Mo、Cu元素還能夠耐硫酸、醋酸、尿素等物質(zhì)的腐蝕。高硅的奧氏體不銹鋼能夠耐高濃度的硝酸。由于奧氏體不銹鋼具有高強(qiáng)度的耐酸性，綜合性能優(yōu)越，因此在各行各業(yè)中得到了廣泛的普及應(yīng)用。

1 不銹鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕概述

由于不銹鋼的強(qiáng)度與彈性性質(zhì)導(dǎo)致其在飛機(jī)制造行業(yè)內(nèi)得到廣泛使用。在眾多種類的不銹鋼中奧氏體不銹鋼是其中應(yīng)用范圍最廣的類別[1]。奧氏體不銹鋼大約含有Cr18%，Ni8-10%，C0.1%，因此其嚴(yán)密的鈍化膜足以抵抗強(qiáng)烈的腐蝕。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼是一種新型的超低碳高強(qiáng)度的奧氏體不銹鋼。其耐腐蝕性與優(yōu)越的力學(xué)性能十分適合運(yùn)用在航天行業(yè)中。不銹鋼構(gòu)件使用接觸腐蝕介質(zhì)常常會(huì)導(dǎo)致多種形式的腐蝕破壞。在不銹鋼的濕態(tài)腐蝕中，最為常見的破壞形式為應(yīng)力腐蝕斷裂。這種類型斷裂破壞在不銹鋼濕態(tài)腐蝕破壞中占據(jù)了50%以上的比例。應(yīng)力腐蝕破裂往往會(huì)導(dǎo)致不銹鋼構(gòu)件與設(shè)計(jì)應(yīng)力相比耕地，在沒有任何明顯宏觀變形的情況下無(wú)預(yù)兆的迅速破裂，安全危害十分嚴(yán)重。

2 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，焊接工藝為TIG氬弧焊。使用的電極材料是1.5mm-3.2mm的鈰鎢絲。保護(hù)氣體為氬氣。Y型坡口形式為2.5mm的厚板材，V形缺口為70度。鈍邊厚度為0.5mm，無(wú)間隙。

2.2 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)的腐蝕簡(jiǎn)直為中性NaCl溶液，溶液比例為3.5%，溫度為35℃。試驗(yàn)對(duì)象的截取位置與式樣，中間為焊縫區(qū)。恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)主要分為四個(gè)等級(jí)的應(yīng)力水平，分別為90%σ0.2，85%σ0.2，80%σ0.2，75%σ0.2。四種等級(jí)的應(yīng)力水平均使用三個(gè)平行式樣，試樣斷裂后將斷裂的時(shí)間記錄下來(lái)。如果持續(xù)實(shí)驗(yàn)了120號(hào)、仍然未出現(xiàn)斷裂，則將試樣放在拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行剩余強(qiáng)度測(cè)試[2]。

2.3 金相及斷口形貌分析

選擇0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)與母材進(jìn)行試樣。分別選擇使用500#、800#、1000#、1200#、1500#金相砂紙打磨后進(jìn)行拋光處理。并且使用丙酮溶液超聲波震蕩來(lái)講表面油漬清除干凈[3]。隨后使用去離子水與酒精將試樣表面清理干凈后吹干。使用侵蝕劑顯晶在金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。使用JSM5800掃描電鏡對(duì)試樣斷裂后去除腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察 ，觀察其端口部分的形貌[4]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 金相組織分析

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材顯微組織主要為奧氏體不銹鋼圍觀組織。其由等軸奧氏體晶粒組成，同時(shí)具有一定的孿晶結(jié)構(gòu)。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱影響區(qū)域較小，并且該區(qū)域的晶粒與母材相對(duì)比來(lái)說變化不夠明顯。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區(qū)主要是由柱狀晶體構(gòu)成，晶粒體積較小。一次枝晶方向明顯，部分柱狀晶上可見二次枝晶[5]。

3.2 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕

在經(jīng)過焊接后的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼氣強(qiáng)度、延伸率與斷面收縮率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此可以看出焊接使得0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能降低。在實(shí)驗(yàn)中，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼在3.5%的NaCl溶液中開展四個(gè)等級(jí)的應(yīng)力水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果接觸，伴隨著應(yīng)力水平下降，剩余強(qiáng)度不斷增加，強(qiáng)度所損失的比例也不斷減少。造成這種現(xiàn)象的主要原因就是腐蝕介質(zhì)中應(yīng)力減少使得裂紋產(chǎn)生的時(shí)間延后。在后期進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)中對(duì)其剩余強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，則會(huì)導(dǎo)致剩余強(qiáng)度上升，但仍低于原始強(qiáng)度。在同等的應(yīng)力水平拉伸下，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼強(qiáng)度損失相對(duì)于焊接接頭更大，這說明0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能與母材相對(duì)比更加優(yōu)越。

3.3 斷口形貌分析

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材與焊接接頭的沒有腐蝕的原始試樣打磨后在放置于拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉斷，兩種試樣原始試樣均為韌性斷裂。掃描電鏡中看出兩者為韌窩斷裂，韌窩的深淺與材料塑性有著直接的聯(lián)系。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的韌窩更深，其母材與焊接后相比韌性更佳。

4 討論

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區(qū)主要是由柱狀晶體構(gòu)成，晶粒體積較小。一次枝晶方向明顯，部分柱狀晶上可見二次枝晶。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能與母材相對(duì)比更加優(yōu)越。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的韌窩更深，其母材與焊接后相比韌性更佳。

參考文獻(xiàn)：

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