不銹鋼攔污柵柵條斷裂失效的原因

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(1. 新冶高科技集團有限公司，北京 100081； 2. 鋼鐵研究總院 分析測試所，北京 100081)

奧氏體不銹鋼因其優(yōu)異的綜合性能如耐全面腐蝕性能、焊接性能等而被廣泛運用于各領域[1-2]。然而，奧氏體不銹鋼在使用過程中容易因處理工藝不當而發(fā)生敏化現(xiàn)象[3]；在某些服役環(huán)境中，點蝕和縫隙腐蝕會造成嚴重安全隱患[4-6]，特別是存在靜拉伸應力的條件下，鉻鎳奧氏體不銹鋼的應力腐蝕往往是導致事故的重要原因[7]。

1 來樣及檢測方法說明

為攔截水草、漂木等漂浮物，水電站進水口處主要使用不銹鋼攔污柵[8]，如圖1(a)所示。攔污柵主要由邊框、橫隔板和柵條組成，根據(jù)進水口處的水文情況，柵條以一定間距平行排列，并與橫隔板和邊框連接固定。某水電站進水口攔污柵使用6 a后，檢修發(fā)現(xiàn)有柵條發(fā)生斷裂。

圖1 攔污柵示意圖Fig. 1 Schematic diagram of trash rack

為分析柵條斷裂失效的原因，對失效柵條進行了宏觀檢查、化學成分分析和力學性能測試，此外通過掃描電子顯微鏡觀察了柵條的斷口，用能譜分析檢測了斷口表面的腐蝕產物，用金相顯微鏡分析了裂紋的剖面擴展形態(tài)和材料微觀組織。

2 理化檢驗與分析

2.1 宏觀檢查

柵條試樣的宏觀形貌如圖2所示。由圖2(a)可見：裂紋起始于邊緣，沿圖中箭頭向內擴展，在擴展交匯處形成臺階狀斷口，在整個擴展過程中沒有形成宏觀塑性變形，屬于脆性斷裂。由圖2(b)可見：柵條邊緣及附近表面存在許多橫向小裂紋，柵條表面同時存在抓斗形成的縱向損傷溝痕，這表明柵條在服役過程中受到了應力作用。

(a) 斷裂橫截面

(b) 柵條表面 圖2 斷裂柵條的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of fractured trash rack paling: (a) cross section; (b) surface

2.2 化學成分分析

從斷裂柵條上取樣進行化學成分分析并與GB/T 4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標準中1Cr18Ni9不銹鋼的化學成分進行對比，結果見表1。由表1可知，斷裂柵條中Cr、Ni含量偏低，Mn含量偏高，其化學成分不符合標準要求。增加1Cr18Ni9不銹鋼中Mn含量并不能顯著提高其耐蝕性，這主要是由于Mn元素在酸性環(huán)境中形成不溶化合物的能力有限[9]。而Cr元素是構成奧氏體不銹鋼表面鈍化膜的主要合金元素，Ni元素是穩(wěn)定鈍化膜的重要元素。當鋼中Cr和Ni含量偏低時，鈍化膜被破壞后不能及時修復，從而形成點蝕并成為裂紋萌生源[10-11]。

2.3 力學性能測試

從斷裂柵條上縱向截取φ5 mm的拉伸試棒和10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口沖擊試樣，分別進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗，結果見表2。并與GB/T 4237-2007標準中固溶處理狀態(tài)1Cr18Ni9不銹鋼的拉伸力學性能要求進行比較。由表2可見:試樣的拉伸力學性能均滿足標準要求，試樣的沖擊吸收功較高，材料韌性較好。

表1 斷裂攔污柵柵條的化學成分(質量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of fractured trash rack paling (mass) %

表2 斷裂攔污柵柵條的力學性能Tab. 2 Mechanical properties of fractured trash rack paling

2.4 微觀形貌觀察及能譜分析

從斷裂柵條的斷口(圖2中圓圈所示位置)和表面截取試樣，在掃描電鏡(SEM)下觀察斷口微觀形態(tài)，并采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對腐蝕產物進行成分分析，結果如圖3所示。由斷口的顯微形貌可見：裂紋起始區(qū)雖然有腐蝕產物覆蓋，但仍可觀察到較清晰的沿晶斷口和少量解理斷口形態(tài)；裂紋擴展區(qū)域為沿晶斷口和穿晶準解理斷口；柵條表面存在許多網(wǎng)狀沿晶裂紋以及腐蝕凹坑，且表面劃痕較深。能譜分析結果表明：裂紋起始區(qū)的腐蝕產物以鐵的氧化物為主，同時還存在S元素；柵條表面的腐蝕產物中含有O，S和Cl元素。由以上分析可見，含S2-,Cl-的腐蝕性介質作用是柵條發(fā)生腐蝕開裂的重要原因之一[12]。Cl-的尺寸極小，能夠穿透膜層，與鈍化膜下方的金屬基體發(fā)生反應，生成可溶性金屬氯化物，使金屬基體活化，進而大大加快了蝕坑的電化學反應速率和裂紋擴展速率，而S2-能夠促進腐蝕進程，對腐蝕失效行為起推動作用[13]。

2.5 剖面金相分析和硬度測試

在斷裂柵條上沿垂直于表面裂紋的剖面制取金相試樣，裂紋附近的金相組織形貌如圖4所示。由圖4可見：裂紋由外側起始，向內側彎曲擴展，擴展時產生細小分叉，如圖4(a)所示；表面存在較多的沿晶腐蝕微裂紋，如圖4(c)所示。這是由于腐蝕環(huán)境中存在的S2-和Cl-等腐蝕性離子破壞了鈍化膜，使蝕坑前端出現(xiàn)應力集中，導致材料發(fā)生應力腐蝕；另外，蝕坑內溶液呈酸性，為析氫反應提供了條件，氫會引起滑移線塞積并形成滑移臺階，促進局部塑性變形，當局部塑性變形發(fā)展到臨界狀態(tài)時，缺口前端就出現(xiàn)微裂紋，隨著微裂紋的擴展和貫穿，在材料表面產生沿晶裂紋[14-15]。基體材料為奧氏體晶粒組織，晶粒比較粗大，部分表面存在冷變形組織，如圖4(b)所示，參照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》，評定該材料的晶粒度級別為3.0級。

(a) 斷口裂紋起始區(qū)的SEM形貌，低倍 (b) 斷口裂紋起始區(qū)的SEM形貌，高倍 (c) 斷口裂紋起始區(qū)腐蝕產物的EDS譜

(d) 斷口裂紋擴展區(qū)的SEM形貌 (e) 表面的SEM形貌 (f) 表面腐蝕產物的EDS譜 圖3 斷裂柵條斷口和表面的SEM形貌及其腐蝕產物的EDS譜Fig. 3 SEM morphology of fracture and surface of fractured trash rack paling and EDS spectra of their corrosion products: (a,b) SEM morphology of crack source in fracture at low and high magnifications; (c) EDS spectrum of corrosion products on crack source in fracture; (d) SEM morphology of crack propagation in fracture; (e) SEM morphology of surface; (f) EDS spectrum of corrosion products on surface

(a) 縱向裂紋 (b) 基體 (c) 橫向裂紋 圖4 柵條斷裂表面金相檢測Fig. 4 Metallographic examination of fracture surface of trash rack paling: (a) longitudinal cracks; (b) substrate; (c) transverse cracks

在金相試樣的不同位置測試其顯微硬度，結果見表3。由表3可知：試樣的表層硬度高于基體的；基體的硬度平均值為259 HV0.2，超出GB/T 4237-2007標準中規(guī)定值(210 HV0.2)。這主要是由于塑性變形在奧氏體不銹鋼的加工成型過程中普遍存在，發(fā)生塑性變形后，材料的強度和硬度提高，塑性和韌性下降，對應力腐蝕性能也會產生顯著的影響[16]。

表3 顯微硬度測試結果Tab. 3 The test results of micro-hardness HV0.2

3 結論

(1) 斷裂柵條中Cr、Ni含量偏低，基體晶粒粗大以及表面沒有形成鈍化層，是材料耐蝕性降低的原因。

(2) 柵條在腐蝕性離子和應力的共同作用下發(fā)生應力腐蝕開裂。材料耐蝕性較低以及水中的S2-,Cl-等腐蝕性離子富集在材料表面，是導致柵條發(fā)生開裂的主要原因。

參考文獻：

[1] HONG I T,KOO C H. Antibacterial properties, corrosion resistance and mechanical properties of Cu-modified SUS 304 stainless steel[J]. Materials Science and Engineering:A,2005,393(1/2):213-222.

[2] 時軍波，陳立宗，丁寧，等. 熱交換器不銹鋼傳熱板片的腐蝕失效原因[J]. 腐蝕與防護,2016，37(1):71-75.

[3] 張根元，吳晴飛. 固溶處理溫度對304奧氏體不銹鋼敏化與晶間腐蝕的影響[J]. 腐蝕與防護,2012，33(8):695-698.

[4] GOPI D,MANIMOZHI S,GOVINDARAJU K M,et al. Surface and electrochemical characterization of pitting corrosion behaviour of 304 stainless steel in ground water media[J]. Journal of Applied Electrochemistry,2007,37(4):439-449.

[5] TSUTSUMI Y,NISHIKATA A,TSURU T. Pitting corrosion mechanism of type 304 stainless steel under a droplet of chloride solutions[J]. Corrosion Science,2007,49(3):1394-1407.

[6] 劉冬鵬，王亞飛，程光旭，等. 奧氏體不銹鋼縫隙腐蝕的數(shù)值模擬研究[J]. 腐蝕與防護,2012(S2):72-76.

[7] GOMEZ-DURAN M,MACDONALD D D. Stress corrosion cracking of sensitized type 304 stainless steel in thiosulphate solution. II. dynamics of fracture[J]. Corrosion Science,2006,48(7):1608-1622.

[8] 趙木森. 葛洲壩水電廠水工鋼結構防腐蝕[J]. 中國三峽建設,2002(6):25-27.

[9] PARDO A,MERINO M C,COY A E,et al. Effect of Mo and Mn additions on the corrosion behaviour of AISI 304 and 316 stainless steels in H2SO4[J]. Corrosion Science,2008,50(3):780-794.

[10] 趙江濤，任常飛，張柳麗，等. 元素Cr、Ni對不銹鋼耐蝕性能影響[J]. 現(xiàn)代機械,2013(5):88-91.

[11] 董允，姜曉霞，林曉娉. 鉻、鉬對不銹鋼腐蝕與腐蝕磨損性能的影響[J]. 機械工程材料,1997,21(6):29-31.

[12] 姜濤，于洋，楊勝，等. 從失效案例探討不銹鋼的應力腐蝕問題[J]. 腐蝕與防護,2011，32(4):297-300.

[13] 胡偉葉，周明. 腐蝕介質下1Cr18Ni9Ti薄壁波紋管失效模式分析[J]. 金屬熱處理,2011，36(S1):224-228.

[14] 李會錄,余竹煥,強軍鋒,等. 高強鋼WOL試樣應力腐蝕開裂的金相跟蹤觀察[J]. 腐蝕與防護,2008,29(10):587-588.

[15] 張吉,馬鋼. 淺談奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂[J]. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新,2013,26(3):69-71.

[16] 盧沛. 塑性變形對304不銹鋼應力腐蝕性能影響的試驗研究[D]. 杭州:浙江工業(yè)大學,2013.