316L焊縫與304母材C型環試樣應力腐蝕敏感性研究

盧志明，何凱倫，霍培棟，王 康，金皋峰

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

316L焊縫與304母材C型環試樣應力腐蝕敏感性研究

盧志明，何凱倫，霍培棟，王 康，金皋峰

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

采用數值模擬方法對C型環試樣進行了應力分析計算，得到了C型環試樣沿環向和厚度方向的詳細應力分布.通過316L焊縫和304母材在沸騰氯化鎂溶液中的應力腐蝕試驗，分析了合金元素和應力分布對應力腐蝕性能的影響.結果表明：316L焊縫的抗應力腐蝕性能比304母材好，主要原因是316L不銹鋼的含碳量較304低，并且合金元素鎳和鉬的質量分數較高；通過C型環試樣應力腐蝕裂紋的位置和應力分布結果的分析，可以初步確定材料應力腐蝕開裂的臨界應力值.

應力腐蝕；沸騰氯化鎂；C型環；應力分析；臨界應力

不銹鋼由于具有高強度、耐腐蝕、良好的韌性和加工性能，被廣泛應用于化工、石油、航空、能源、紡織和輕工等各個行業.雖然不銹鋼在一般介質中具有優良的耐腐蝕性能，但采用不銹鋼制成的設備往往會受到應力腐蝕而導致破壞，它是各種腐蝕行為中破壞性最大的一種，常常在沒有任何預兆的情況下突然發生，造成災難性的事故[1-4].304和316L是較為常用的奧氏體不銹鋼，研究表明：奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的溶液中發生應力腐蝕破裂，特別是在較高應力水平下，應力腐蝕破裂現象尤其嚴重[5-8].目前，應力腐蝕試驗方法有很多種，其中C型環試樣應力腐蝕試驗方法是一種較為常用的方法[9-10].通過加載螺栓，可以對C型環試樣的應力水平進行精確的控制.一般采用經驗公式計算C型環在期望應力下的直徑變化量，再對C型環加載，使其直徑產生所需的變形.通過這種經驗公式計算的C型環應力是一個近似值，而且只能得到最大應力數值，不能確定其應力分布.采用數值模擬方法，對C型環進行了詳細的應力分析，得到沿試樣環向和厚度方向的應力分布.分別加工304母材和316L焊縫的C型環試樣，在沸騰氯化鎂溶液中進行應力腐蝕試驗，分析比較兩種試樣的化學成分和和應力分布對應力腐蝕性能的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 試樣制備

試驗材料為304和316L奧氏體不銹鋼，其中316L奧氏體不銹鋼為焊縫試樣.304和316L不銹鋼的化學成分如表1所示.

表1 304和316L不銹鋼化學成分

304母材試樣直接從無縫鋼管中截取，制取316L焊縫試樣時先將管材沿縱向割開，然后采用氬弧焊將其焊接在一起.采用線切割方法將管材切割60度缺口，根據試樣寬度截取C型環試樣，其尺寸如表2和圖1所示.

表2 C型環尺寸

圖1 C型環示意圖Fig.1 Schematic presentation of C-ring

316L試樣的焊接采用鎢極惰性氣體保護焊，保護氣體為Ar氣，焊接電流為110～130 A，電弧電壓為10～11 V，焊接速度為13～18 cm/min，線能量為3.7～6.6 kJ/cm.

1.2 C型環應力分析

螺栓加載后C型環主要產生彎曲應力，因在缺口對應的圓環中心彎矩最大，所以該處的應力達到最大值.據文獻報道，C型環的應力和直徑變形量之間存在關系[11]，即

Df=D±ΔD

通過上述經驗公式，可以計算將C型環加載到一定應力所需的直徑變形量.筆者參考有關研究結果，選取C型環中應力水平為80%Rel.加載后的C型環如圖2所示.

圖2 加載后的C型環Fig.2 Loaded C-ring specimen

采用ANSYS軟件對304和316L不銹鋼試樣的應力進行了模擬計算，建立C型環實體模型，如圖3所示.通過有限元求解，得到應力分布云圖，如圖4(a，b)所示.

圖3 C型環網格Fig.3 Elements of C-ring

圖4 C型環應力分布Fig.4 Stress distribution of C-ring

由圖4(a，b)可見：304母材和316L焊縫的最大環向應力均為180MPa左右，位于圓環中心的外表面，應力分布關于Y—Z平面對稱.在圓環中心區域，環向應力較大，隨著離中心距離增加，應力逐漸減小，在加載螺栓與缺口之間的應力水平則比較低.

1.3 應力腐蝕試驗

C型環的應力腐蝕試驗在42%沸騰氯化鎂溶液中進行，將MgCl2·6H2O和適量水配成42%氯化鎂溶液，放入溫控試驗容器中加熱直至沸騰.試驗前C型環試樣外表面分別采用粒度為300～2 000#砂紙打磨，經丙酮除油，乙醇清洗后用吹風機吹干，然后根據經驗公式計算的直徑變形量對C型環加載.實驗過程中每2 h將試樣取出，采用放大鏡觀察試樣表面的裂紋情況，觀察記錄完成后立即放入溶液中繼續進行腐蝕試驗.304母材和316L焊縫試樣分別經過8 h和168 h的試驗，試樣照片如圖5(a,b)所示.

圖5 C型環應力腐蝕試驗后照片Fig.5 Photographs of C-ring after stress corrosion test

從試驗結束照片圖5可以看出，304母材試樣經過8 h試驗后出現了4條比較明顯裂紋a,b,c,d，裂紋從試樣邊緣啟裂，沿寬度方向擴展并出現分叉，呈現典型的應力腐蝕開裂特征，最大的裂紋長度約有9 mm，如圖6所示.316L焊縫試樣經過8 h試驗后試樣沒有開裂，繼續在溶液中進行腐蝕試驗到168 h始終沒有裂紋產生.

圖6 304母材C型環裂紋圖Fig.6 Cracks of 304 base metal C-ring

2 結果與分析

2.1 材料成分對應力腐蝕性能的影響

304和316L的化學成分明顯不同(表1)，316L不銹鋼的碳質量分數較304低，而316L的鎳和鉬合金元素質量分數明顯高于304.

材料的化學成分對不銹鋼的應力腐蝕性能有較大影響.在加熱過程中或由于熱處理工藝不當，奧氏體不銹鋼中碳和鉻會結合形成碳化鉻沿晶界析出，造成晶界附件的基體貧鉻，腐蝕沿著貧鉻區進行[12].當不銹鋼中的Cr質量分數一定時，含碳量越高，形成的碳化鉻也越多，使不銹鋼固溶體中的含鉻量減少，導致不銹鋼的耐腐蝕性能下降.316L屬于超低碳不銹鋼，其含碳量小于0.03%，而304不銹鋼的含碳量高于316L，因此耐腐蝕性能不及316L.Cr是促進鐵素體形成元素，可形成致密的氧化鉻保護膜，使不銹鋼具有良好的耐氧化及耐酸腐蝕能力，鋼中Cr質量分數增大到16%以上時，能改善鋼的耐應力腐蝕性能[13-14].304和316L的含鉻量均大于16%，而且兩種材料的含鉻量基本相同，所以鉻元素引起的兩種材料的應力腐蝕性能的差別不大.Ni是不銹鋼中擴大奧氏體相區、穩定奧氏體組織的重要元素[15].根據膜破裂理論，提高鎳元素質量分數可以提高抗應力腐蝕性能，鎳質量分數越高的合金在氯化物溶液中越不易破裂[16].316L的含鎳量要明顯高于304，因此有效提高了其抗應力腐蝕性能.鉬元素是形成鐵素體的元素，據文獻報道，在鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入2%～3%Mo能夠有效提高不銹鋼在氯化物溶液中的耐應力腐蝕性能[17].304中不含鉬元素，而316L含2%～3%Mo，因此導致304抗應力腐蝕性能要低于316L.

2.2 C型環應力分布對應力腐蝕性能的影響

螺栓加載后C型環試樣主要產生彎曲應力，此應力沿厚度方向線性分布，即從外表面上的最大拉應力變化到內表面上的最大壓應力，見圖7.

圖7 C型環應力沿厚度方向的分布Fig.7 Stress distribution along thick direction of C-ring

在圓環中心應力達到最大值，隨著沿C型環圓周方向距離增大，應力逐漸減小，見圖8.

由圖4(a，b)應力云圖可以看出：在鄰近圓環中心區域，C型環應力較大，因此容易產生應力腐蝕開裂.304母材應力腐蝕試驗結果圖5(a)顯示裂紋均出現在鄰近圓環中心區域，對應圖8中a，b，c，d位置的裂紋.因此數值模擬的應力分布結果和應力腐蝕試驗中裂紋出現的位置兩者相互對應.

圖8 C型環應力沿環向的分布Fig.8 Stress distribution along circumferential directions of C-ring

由圖5(a)可見：裂紋d離開圓環中心距離最大，沿圓周弧長約11.2 mm，而在該距離以外應力逐漸減小，沒有產生應力腐蝕開裂.根據304母材C型環應力分布，裂紋d處的最大環向應力為147 MPa，見表3.根據上述分析，我們可以初步確定304母材的應力腐蝕開裂的臨界應力值為147 MPa.

表3 應力腐蝕裂紋位置和應力數值

C型環外表面最大應力沿寬度方向分布如圖9所示，應力呈現兩邊高中間底的分布特性，因此應力腐蝕裂紋從C型環的邊緣啟裂，然后沿著寬度向中間擴展.

圖9 C型環應力在寬度方向的分布Fig.9 Stress distribution along width direction of C-ring

2.3 焊接殘余應力對應力腐蝕性能的影響

焊接殘余應力是由焊接過程中產生的，會對構件的應力腐蝕性能和疲勞壽命產生一定影響[18-19].在制取316L焊縫試樣時先將管材沿縱向割開，然后采用氬弧焊將其焊接在一起.再沿縱向在焊縫對稱位置采用線切割方法將焊接管材切割60度缺口，因此焊縫部位的約束得到了一定程度緩解，焊接殘余應力有所降低.另外，C型環試樣加載到80%Rel，焊縫部位產生了一定變形，也使焊接殘余應力得到一定程度釋放[20].因此盡管316L采用焊縫C型環試樣，其焊接殘余應力對應力腐蝕的影響不及化學成分的影響大，導致316L焊縫的抗應力腐蝕性能比304母材好.

3 結 論

對316L焊縫和304母材試樣在沸騰氯化鎂溶液中進行了應力腐蝕試驗，304母材經過8 h腐蝕試驗后出現明顯得應力腐蝕開裂，而316L焊縫經過168 h腐蝕試驗沒有出現應力腐蝕開裂，因此在沸騰氯化鎂溶液中316L焊縫的抗應力腐蝕性能比304母材好.結合C型環試樣的應力數值模擬分析和應力腐蝕試驗，提出了一種確定材料應力腐蝕臨界應力值的方法，即首先對C型環試樣進行應力數值模擬得到應力分布，然后通過應力腐蝕試驗確定離圓環中心距離最大的裂紋位置，該位置對應的最大應力即為材料的應力腐蝕臨界應力.奧氏體不銹鋼化學成分對抗應力腐蝕性能影響較大.與304相比，316L含碳量低、合金元素鎳和鉬質量分數較高，所以其抗應力腐蝕性能較好.

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(責任編輯：劉 巖)

Research on stress corrosion sensitivity of 316L weld joint and 304 base metal C-ring specimen

LU Zhiming, HE Kailun, HUO Peidong, WANG Kang, JIN Gaofeng

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang Univerdity of Technology, Hangzhou 310014, China)

The detailed stress distribution along circumferential and thick direction of C-ring specimen was obtained by numerical simulation method. Through stress corrosion tests of 316L weld and 304 base metal in the boiling magnesium chloride solution, the effects of alloying elements and stress distribution were analyzed. Results show that the stress corrosion resistance of 316L weld joint is superior to 304 base metal, it’s mainly because that the carbon content of 316L is lower than that of 304, and the Nickel and Molybdenum content of 316L are higher than that of 304; The critical stress value of stress corrosion can be primary determined after a particular analysis about the location of stress corrosion cracks and stress distribution of C-ring specimen.

stress corrosion; boiling magnesium chloride; C-ring specimen; stress analysis; critical stress

2016-11-14

浙江省自然科學基金資助項目(LY16E050012)

盧志明(1966—)，男，浙江東陽人，教授，博士生導師，主要從事應力腐蝕試驗和機理研究，E-mail: lzm@zjut.edu.cn.

TG178

A

1006-4303(2017)03-0270-04