奧氏體不銹鋼的應力腐蝕斷裂研究

張　霞　李　燕

（青島理工大學琴島學院，青島 266106）

奧氏體不銹鋼的應力腐蝕斷裂研究

張霞李燕

（青島理工大學琴島學院，青島 266106）

材質為SUS301鋼的離心機轉鼓筒身發生碎裂，通過現場觀察、材質分析、金相檢驗等檢測方法對筒體碎片的宏觀形貌、顯微組織進行分析。結果表明，筒體在富含氯離子的環境中，在氯離子和拉應力的共同作用下發生應力腐蝕開裂。

SUS301不銹鋼 應力腐蝕 斷裂

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性，是不銹鋼類中鋼種最多、使用量最大的一種（約占整個不銹鋼產量的65%～70%），在化工、醫藥、食品等行業中應用廣泛。但不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對性的，如它在空氣、水、中性溶液和各種氧化性介質中是穩定的，而在其他的一些介質條件下可能發生腐蝕破壞。不銹鋼發生的腐蝕破壞多是局部腐蝕破壞，最常見的有晶間腐蝕、孔蝕和應力腐蝕[1-2]。應力腐蝕裂紋一般都很細小，而且多出現在容器或管道內表面，不易發現。應力腐蝕裂紋常導致不銹鋼構件在低于設計應力、無明顯宏觀變形和不出現任何征兆的情況下突然迅速破裂，危害性極大[3]。

1　設備情況

圖1　離心機轉鼓筒身碎裂

國內某淀粉廠有4臺同型號用于加工淀粉的設備，離心機轉筒材質為SUS301，常溫下工作，工作介質為淀粉。在使用3年后，其中一臺出現轉鼓筒身碎裂問題，見圖1。為確定故障的發生原因，對內筒進行材質分析，并對碎片進行宏觀和微觀等檢測分析，以便采取相應預防措施杜絕事故發生。

2　實驗情況

2.1工作介質檢測

對離心機加工的淀粉物料取樣，標本為固體和液體兩種，經過檢驗得表1。

表1　工作介質檢測

以上結果與國家標準《生活飲用水衛生標準》GB5749-2006對照，在國標中第三項感官性狀和一般化學指標規定氯化物的限值為250mg/L。物料中的氯含量（折合氯化物含量）則遠遠大于上面的數值。所以，可以看出，該公司在物料生產過程中添加了氯化物。液體物料中含有氧離子和硫酸根離子，并呈弱酸性（pH值小于7）。根據文獻報道[4-5]，奧氏體不銹鋼在氯元素環境下受到拉應力作用極易發生應力腐蝕。可見，此物料是引起設備應力腐蝕的介質。

2.2性能分析

圖2 碎片斷口

圖2為碎片斷口圖。經過觀察，碎片沒有發現明顯的均勻腐蝕現象。而碎片斷口呈典型解理性斷口，放射性紋理明顯，基本沒有側向變形。用錘擊碎片明顯分辨出金屬撞擊聲消失，韌性大大降低，脆性增加。靠近磁鐵有明顯的磁性。經實驗測試，碎片材料的機械性能見表2。

表2　碎片機械性能

對碎片進行機械性能測試，在對碎片進行切取拉伸試樣時，已沒有明顯的屈服現象，延伸率極低，材料性能明顯脆化。

2.3材質分析

對制造轉鼓筒體的原材料板材、轉鼓筒體碎片表面（內壁一側）和碎片心部（進行銑削加工去除6mm）進行成份分析，如表3所示。

從表3中可以看出，制造轉鼓筒體的原材料和轉鼓筒體碎片心部的主要成份Cr、Ni的含量都達到標準，符合SUS301標準，屬于奧氏體不銹鋼。但是，對比碎片心部和表面的化學成分，Ni的含量明顯降低，這也在一定程度上削弱了材料的耐蝕性。

表3　碎片成分

2.4金相分析

對轉鼓筒身碎片取樣進行金相分析，如圖3所示，均發現存在明顯的顯微裂紋，具有明顯的穿晶現象和局部點蝕坑。裂紋從點蝕開始，并逐漸從表面向內部擴展，一般表現為穿晶擴展，裂紋尖端常常出現分枝，整體呈現樹枝狀，具有準解理、扇形并伴有泥狀龜裂特征，局部還存在二次裂紋和表面點蝕坑。

圖3　碎片金相圖片

3　事故原因分析

應力腐蝕破壞是在特定的腐蝕介質和拉應力作用下出現的低于強度極限的脆性開裂現象，屬于低應力破壞。按照腐蝕介質分類，應力腐蝕可分為氯脆、堿脆、氨脆和硝脆等。氯脆則是在濃的Cl-介質中引起脆斷的簡稱。當pH為6～7時，奧氏體不銹鋼對應力腐蝕最為敏感[6-7]。從轉鼓筒體碎裂的特征來看，符合應力腐蝕的特點。

3.1存在應力場

轉鼓筒體所受應力主要是筒體制造過程中產生的殘余應力和離心機工作過程產生的工作應力。SUS301雖然是奧氏體不銹鋼的一種，但是該鋼種Cr、Ni含量在奧氏體不銹鋼中是最低的，奧氏體也最不穩定。經冷作加工后，奧氏體轉化為馬氏體，相變的發生會產生殘余應力。筒體在焊接過程中，由于焊接熱循環的作用，將產生熱應力。離心機在工作時，轉鼓筒體自轉與對物料的加工都會產生拉應力。以上應力是產生應力裂紋的主要原因。拉應力越大，斷裂的時間越短。而在給定的介質條件下，小于某一應力值時就不會產生開裂，此應力值稱為應力腐蝕的門檻值[8-9]。產生應力腐蝕的臨界應力與材料在工作狀態的屈服強度有密切關系，對奧氏體鋼一般在的范圍就可以造成裂紋，從啟裂點開始沿橫向擴展呈樹根狀密集分枝，穿晶開裂。

轉鼓筒身工作時的環向應力σφ=(σφ)1+(σφ)2，(σφ)1為轉鼓筒體自轉產生的拉應力，(σφ)2為加工物料產生的拉應力。

根據達朗貝爾原理計算轉鼓筒身自轉時的環向應力(σφ)1：

式中，ρ0為密度，μ為泊松比，E為材料的彈性模量，r為徑向位移，u為周向位移，w為角速度。求解以上微分方程，得到周向應力在Ra處為極大值，其中內徑mm，壁厚mm，桶身高度h=1060mm，轉速nmax=960rad/ min，密度ρ=7.9g/mm3，裝料限量kg，得：

所以，可以認為在此種條件下工作，可以產生應力腐蝕裂紋。

3.2腐蝕環境

通過檢測物料發現，其中氯元素含量超標，并且為弱酸性，奧氏體不銹鋼對氯離子很敏感。氯離子的活化作用使不銹鋼合金的鈍化膜破壞，造成裸露出的金屬與周圍的連續鈍化膜形成微電池。金屬作為陽極被溶解形成微裂紋，裂紋在腐蝕和應力共同作用下擴展，導致斷裂。

4　結論

根據以上分析，主要從兩個方面進行改進。

（1）避免或盡量減少淀粉生產過程中加入氯化物作添加劑。（2）在工作介質無法改變的情況下，建議采用抗應力腐蝕（含氯離子介質）性能更好的鋼種，

如含鉬奧氏體鋼（如0Cr18Ni12Mo2），或更加優良的雙相不銹鋼（如00Cr22Ni5Mo3N）。（3）通過合理的熱處理和結構設計，降低零件制造過程中產生的殘余應力。

[1]杜存臣.奧氏體不銹鋼在工業中的應用[J].化工設備與管道，2003，（2）：54-57.

[2]胡方.化工設備中奧氏體不銹鋼的應力腐蝕和防護[J].化工設備與管道，2002，（3）：51-54.

[3]曹福想，張啟禮.奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋失效分析及對策[J].南方金屬，2008，(3)：9-11.

[4]張明樂.TP321H不銹鋼氯離子應力腐蝕開裂分析[J].石油化工設備，2010，（4）：100.

[5]沈保羅，李旭初.奧氏體不銹鋼產生氯脆的影響因素及對策[J].化工腐蝕與防護，1996，（2）：17-22.

[6]張振杰.奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂探討[J].石油化工腐蝕與防護，2005，（2）：48-51.

[7]董超芳，關矞心，程學群.PH值對高溫高壓水中304L不銹鋼應力腐蝕開裂的影響[J].北京科技大學學報，2010，（12）：1569-1573.

[8]張國華，李敬高.奧氏體不銹鋼應力腐蝕分析研究[J].焊接技術，2002，（6）：53-54.

[9]肖紀美.不銹鋼的金屬學問題[M].北京：冶金工業出版社，2006.

Research of Stress-corrosion Cracks of Austenitic Stainless Steel Components

ZHANG Xia,LI Yan
(Qindao College, Qingdao Technological University, Qingdao 266106)

Centrifuge drum body made of SUS301 steel occurred fracture. Through the field observation, material analysis, metallographic examination, macro-morphology and microstructure of broken pieces, were analyzed. It was found that the inner wall was stress-corroded and fra ctured due to the combined effects of Cl-ions and tensile stresses in a Cl-containing surrounding.

SUS301 stainless steel, stress corrosion, fracture