應變強化對S31603不銹鋼母材與焊接接頭應力腐蝕敏感性的影響

2柴軍輝2周曉彤

(1. 寧波市勞動安全技術服務公司，寧波 315048； 2. 寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048)

應變強化技術是指金屬在常溫或者低溫下發生塑性變形后，隨著塑性變形量增加，其強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現象[1]。應變強化充分利用奧氏體不銹鋼的塑性變形，顯著提高其屈服強度，進而提高材料的許用應力，實現壓力容器輕型化的目標[2-3]。這種強化技術特別適合用于以薄膜應力為主、結構簡單的壓力容器。中、德、美、英、澳等國已成功地將應變強化技術用于低溫壓力容器的制造中[4]。國內外學者對經應變強化后材料的性能與抗應力腐蝕性能進行了較多的研究。彭德全等[5]研究了應變強化速率對304L焊接件應力腐蝕開裂行為的影響。陳勇等[6]研究了應變強化對S30408不銹鋼性能組織的影響，結果顯示經10%形變后S30408鋼的顯微組織為相間分布的α′馬氏體與γ奧氏體。杜東海等[7]采用恒應力強度因子的加載方法，研究了冷變形316L不銹鋼在高溫高壓水中的應力腐蝕行為，結果顯示溫度對裂紋擴展速率的影響是熱活化的過程，它通過改變應力腐蝕開裂子過程的進行速率來影響材料的裂紋擴展速率。應變強化會對材料的宏觀結構、微觀組織[8]、焊接殘余應力[9]等眾多方面造成影響，進而影響材料的抗應力腐蝕性能[10-11]。

本工作針對奧氏體不銹鋼應變強化工藝特點，采用室溫單軸拉伸對試樣進行應變強化，通過磁性馬氏體檢測、金相分析、硬度測試研究了應變強化對材料組織性能的影響，通過慢應變速率試驗研究了應變強化對材料應力腐蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗鋼為奧氏體不銹鋼S31603(以下稱S31603不銹鋼)，交貨狀態為固溶酸洗，采用ER316L焊條對S31603不銹鋼板進行焊接，焊接方法為手工電弧焊，焊接坡口為單“V”型坡口(采用機加工方法加工)，如圖1所示，焊后磨平焊縫。S31603不銹鋼與ER316L焊條的化學成分如表1所示。

圖1 焊接坡口型式 Fig. 1 Welding groove type

%

根據GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》，沿平行于母材軋制方向線切割制取S31603不銹鋼母材拉伸試樣。根據GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》與GB/T 15970.8-2005《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第8部分 焊接試樣的制備和應用》的要求沿垂直于焊縫方向制取S31603不銹鋼焊接接頭試樣，試樣正中間為焊縫，遠離焊縫處為母材。拉伸試樣的具體尺寸如圖2所示。

(a) 母材

(b) 焊接接頭圖2 S31603不銹鋼母材和焊接接頭拉伸試樣的尺寸Fig. 2 Dimension of tensile samples of S31603 stainless steel: (a) base metal; (b) welded joint

1.2 應變強化處理

采用室溫單軸拉伸試驗對S31603不銹鋼母材與焊接接頭進行應變強化。單軸拉伸試驗在Instron疲勞試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min，應變量分別為0、5%、10%、15%、20%、30%。拉伸過程中應變量的控制采用引伸計來實時測量。

1.3 性能測試

1.3.1 金相檢驗

參考GB/T 13298-2015《金相顯微組織檢驗方法》，采用電火花線切割方法從應變強化后試樣的中部取樣，取樣方向均為平行于軋制方向的縱截面。其中，焊接接頭金相試樣包含焊縫與熱影響區。依次采用400、600、800、1 000號金相砂紙打磨金相試樣，機械細拋光后將試樣放入10%(質量分數)草酸溶液中電解浸蝕60 s，浸蝕溶液溫度為20 ℃。然后，采用金相顯微鏡觀察各試樣的組織。

1.3.2 磁性檢測

依據GB/T 1954-2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》，用德國產MP30E-S型鐵素體檢測儀對應變強化后母材和焊接接頭進行磁性檢測。對于不同應變強化量下的母材試樣，在試樣原始標距內沿試樣長度方向平均取8點測試點；對于不同應變強化量下的焊接接頭試樣，研究對象為焊縫，共選取6測試點，每點間隔5 mm。

1.3.3 硬度測試

參考GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》和GB/T 27552-2011《金屬材料焊縫破壞性試驗 焊接接頭顯微硬度試驗》對應變強化后母材和焊接接頭進行硬度測試。試驗儀器為HMV-I7型維氏顯微硬度計，維氏顯微硬度試驗載荷為1.98 N，保載時間為30 s，試驗溫度為25 ℃，每一顯微區域測3個點。

1.3.4 應力腐蝕敏感性測試

通過在5%氯化鈉溶液中進行慢應變速率試驗(SSRT)，研究了在不同應變量下，S31603不銹鋼母材和焊接接頭應力腐蝕敏感性的變化規律。依照GB/T 15970.4-2000《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第4部分：單軸加載拉伸試樣的制備和應用》和GB/T 15970.8-2005，在拉伸試樣中部沿長度方向采用電火花切割加工SSRT試樣，每組平行試樣3根，取樣位置見圖3，試樣尺寸見圖4。

圖3 慢應變速率試樣取樣位置Fig. 3 The sampling position of slow strain rate testing sample

SSRT的拉伸速率為3.5×10-5mm/s，試驗溫度為室溫，腐蝕溶液為5%氯化鈉溶液，pH為6.8±0.4，由分析純氯化鈉與蒸餾水配制而成。拉伸斷裂后，采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察。

(a) 母材

(b) 焊接接頭圖4 慢應變速率母材和焊接接頭試樣的尺寸Fig. 4 Dimension of slow train rate test samples: (a) base metal; (b) welded joint

2 結果與討論

2.1 顯微組織

不同應變量下S31603不銹鋼母材的顯微組織見圖5。結果表明：未強化S31603不銹鋼母材的顯微組織是等軸的奧氏體晶粒，晶粒大小均勻，且有少量孿晶存在；隨著應變量的增加，顯微組織變化沿變形方向不明顯，但是孿晶的數量有明顯增加，奧氏體晶界內沒有明顯可見的形變馬氏體，僅在應變量為30%下，組織中出現了少量沿變形方向的形變馬氏體，這是由于S31603不銹鋼具有較高的層錯能與鎳當量，在常溫下，應變量增加對馬氏體相變影響較小。

(a) 0% (b) 5%(c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 30%圖5 不同應變量下S31603不銹鋼母材的顯微組織Fig. 5 Microstructure of base metal of S31603 stainless steel under different strain degrees

不同應變量下S31603不銹鋼焊接接頭的顯微組織見圖6。結果表明：S31603不銹鋼焊接接頭結晶模式是F-A(鐵素體-奧氏體結晶)[9]，焊縫處組織都為柱狀奧氏體和板條狀或蠕蟲狀δ鐵素體雙相組織；隨著應變量增加，焊縫處組織變化不明顯。熔合線附近的組織是等軸奧氏體，但是晶粒尺寸要比遠離熔合線的晶粒尺寸大得多，說明在整個焊接過程中，δ鐵素體的擴散融合作用較弱，對晶粒長大的阻礙作用很小，所以熔合線附近的母材晶粒明顯長大，形成了顯著的熱影響區，且隨著應變量增加，組織變化不明顯，都為粗大的奧氏體晶粒，熱影響區的晶粒尺寸達到200～300 μm，母材部分的晶粒尺寸一般為100 μm左右。

(a) 0% (b) 5% (c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 30%圖6 不同應變量下S31603不銹鋼焊接接頭的顯微組織Fig. 6 Microstructure of welded joint of S31603 stainless steel under different strain degrees

2.2 磁性

圖7為應變量對S31603不銹鋼母材、焊接接頭中磁性相含量的影響。對于母材來說，磁性相為形變馬氏體，對于焊接接頭來說，磁性相為δ鐵素體。結果表明：S31603不銹鋼母材在室溫應變強化過程中產生了極少量的馬氏體相轉變，隨著應變量增加，形變馬氏體含量僅有微小的增加，即使達到最大應變量30%，其體積分數也僅為0.68%，這與S31603不銹鋼層錯能及鎳當量有密切關系[12]。

圖7 應變量對S31603不銹鋼母材、焊接接頭中磁性相含量的影響Fig. 7 Effect of strain degree on magnetic phase content in base metal and welded joint of S31603 stainless steel

層錯能的計算公式為

γ=-53+6.2wNi+0.7wCr+3.2wMn+9.3wMo

(1)

式中：γ為室溫奧氏體不銹鋼層錯能，mJ/m2；wNi，wCr，wMn，wMo分別為Ni，Cr，Mn，Mo的質量分數，%。

鎳當量是表示不銹鋼中金屬組織中奧氏體化程度的指標，鎳當量越高，材料穩定性越高， 其計算公式為

wNi(eq)=wNi+0.65wCr+0.98wMo+1.05wMn+

0.35wSi+12.6wC+0.03(T-300)-

{2.31 g[100/(100-R)]+2.9}

(2)

式中：wNi(eq)為鎳當量，%；T為熱力學溫度，K；R為應變量，%；wSi和wC分別為Si，C的質量分數，%。

經計算，S31603不銹鋼的層錯能為44.36 mJ/m2，鎳當量為23.21%。當鎳當量在20.5%～25.5%時，室溫下塑性變形能誘發馬氏體相變，鎳當量越低，馬氏體相變量越高；鎳當量在25.5%～26%時，室溫下塑性變形不能誘發馬氏體相變。S31603不銹鋼具有較高的層錯能與鎳當量，因此在常溫下穩定性較高，不易發生形變馬氏體轉變。

對于S31603不銹鋼焊接接頭，隨著應變量的增加，δ鐵素體含量無明顯變化，只出現了小幅震蕩，這是由于焊縫在凝結過程中化學成分偏析，導致δ鐵素體分布不均勻造成的。

2.3 硬度

應變量與S31603不銹鋼不同區域顯微硬度的關系見圖8。結果表明：隨著應變量的增大，S31603不銹鋼焊接接頭母材、焊縫與熱影響區的顯微硬度都有明顯的增大。這是由于隨著應變量的增加，位錯強化與第二相粒子不斷析出造成的。對于S31603不銹鋼來講，位錯強化占主導地位，位錯強化的機制可由流變應力表示。流變應力是指金屬晶體產生一定量的塑性變形需要的應力[13]，金屬的位錯密度增加，其流變應力也隨之增加，表現為金屬強度與硬度的提高。

圖8 應變量與S31603不銹鋼焊接接頭不同區域顯微硬度的關系Fig. 8 Relationship between strain degree and micro hardness of different zones in welded joint of S31603 stainless steel

S31603不銹鋼焊接接頭焊縫與熱影響區的顯微硬度增幅趨勢大致相同。由于S31603不銹鋼的高層錯能與鎳當量導致熱影響區隨應變量增加只產生微量的形變馬氏體，焊縫處由于含有部分δ鐵素體，因此硬度最低，所以熱影響區顯微硬度高于母材與焊縫的。

2.4 應力腐蝕敏感性

選取應力腐蝕敏感性指數F作為評價應力腐蝕敏感性的指標，其定義如式(3)所示。F的值越大，材料的應力腐蝕敏感性就越大。

(3)

式中：A和A0分別為試樣在腐蝕介質、惰性介質中拉伸斷裂前吸收的能量。

在工程上，評定材料應力腐蝕敏感性的一般標準為：當F≤25%，材料沒有明顯應力腐蝕傾向；當25%≤F≤35%，材料有一定的應力腐蝕傾向，但不敏感；當F≥35%，材料有明顯的應力腐蝕傾向[14]。

從圖9與表2中可以看出：未強化(應變量0%)的S31603不銹鋼母材在氯化鈉溶液中的F僅為4.9%，表現出很好的耐應力腐蝕性能；當應變量小于5%時，S31603不銹鋼母材的F隨應變量增加而降低，當應變量大于5%時，S31603不銹鋼母材的F隨應變量增加而增加，但增幅較小，即使應變量達到30%，F僅為19.5%，沒有明顯的應力腐蝕傾向。F值的變化主要與材料強化、位錯及缺陷有關。當應變量小于5%時，材料的強化效應占主導地位[13]，應力腐蝕敏感性會出現小幅下降；當應變量大于5%時，由于位錯與缺陷的增加，應力腐蝕敏感性會小幅上升，但始終處于較低水平。另外，當應變量達到30%時，已有小部分形變馬氏體產生，這些馬氏體與奧氏體在氯化物水溶液中會形成腐蝕電耦[15]，且由于馬氏體的腐蝕電位比奧氏體的低，馬氏體被優先腐蝕溶解，從而形成應力腐蝕裂紋擴展的活性通道[16]，導致應力腐蝕敏感性小幅上升。

圖9 S31603不銹鋼母材慢應變速率拉伸試驗的應力-應變曲線Fig. 9 Stress-strain curves of S31603 stainless steel base metal in slow strain rate tensile testing

應變量/%試驗介質F/%0室溫空氣-05%氯化鈉4.955%氯化鈉1.7105%氯化鈉10.9155%氯化鈉16.1205%氯化鈉18.3305%氯化鈉19.5

從圖10與表3中可以看出，未強化的S31603不銹鋼焊接接頭的F僅為6.2%，表現出良好的耐應力腐蝕性能；當應變量小于5%時，F隨應變量增加而降低，當應變量大于5%時，F隨應變量增加而增加，即使達到最大應變量30%，F僅為18.3%，沒有明顯的應力腐蝕傾向，因此應變強化對S31603不銹鋼焊接接頭應力腐蝕性能影響較小。

2.5 斷口形貌

通過分析斷口的宏觀和微觀形貌可以診斷出失效模式和失效機理[17]。

從圖11可以看出，S31603不銹鋼母材斷口的宏觀形貌均有明顯縮頸現象，呈現出塑性變形特征。

圖10 S31603不銹鋼焊接接頭的慢應變速率拉伸試驗的應力-應變曲線Fig. 10 Stress-strain curves of S31603 stainless steel welded joint in slow strain rate tensile testing

應變量/%試驗介質F/%斷裂部位0室溫空氣-焊縫05%氯化鈉6.2焊縫55%氯化鈉1.4焊縫105%氯化鈉10.8焊縫155%氯化鈉14.0焊縫205%氯化鈉15.6焊縫305%氯化鈉18.3焊縫

(a) 應變量0%,空氣 (b) 應變量0%，氯化鈉溶液(c) 應變量5%，氯化鈉溶液

(d) 應變量10%，氯化鈉溶液(e) 應變量20%，氯化鈉溶液(f) 應變量30%，氯化鈉溶液圖11 S31603不銹鋼母材斷口的宏觀形貌Fig. 11 Macro morphology of fracture of S31603 stainless steel base metal under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

從圖12可以看出，S31603不銹鋼母材斷口的微觀形貌顯示為典型的韌窩形貌，它是金屬材料在微觀范圍內塑性變形產生的顯微孔洞，經過形核、長大、聚集，最后相互連接而導致斷裂在斷口處留下的痕跡形貌，無應力腐蝕脆性斷裂形貌。以上結果表明，經應變強化的S31603不銹鋼母材在5%氯化鈉溶液屬于韌性斷裂，因此沒有明顯的應力腐蝕傾向，應力腐蝕敏感性指數較低。

(a) 應變量0%,空氣 (b) 應變量0%，氯化鈉溶液(c) 應變量5%，氯化鈉溶液

(d) 應變量10%，氯化鈉溶液 (e) 應變量20%，氯化鈉溶液(f) 應變量30%，氯化鈉溶液圖12 S31603不銹鋼母材斷口的微觀形貌Fig. 12 Micro morphology of fracture of S31603 stainless steel base metal under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

從圖13可以看出， S31603不銹鋼焊接接頭斷口的宏觀形貌均有縮頸現象，但縮頸程度沒有母材的嚴重，說明焊接接頭在斷裂前發生的塑性變形量小于母材，呈現出塑性變形特征。從圖14可以看出， S31603不銹鋼焊接接頭斷口微觀形貌均為典型的韌窩形貌，由于斷裂位置均出現在焊縫處，與母材相比，焊接接頭斷裂韌窩相對細小和致密，可確定斷裂模式為單一的韌性斷裂，沒有應力腐蝕脆斷的跡象。以上結果表明，應變強化后的S31603不銹鋼焊接接頭在5%氯化鈉溶液沒有應力腐蝕傾向性，應力腐蝕敏感性指數較低。

2.6 討論

S31603不銹鋼母材的應力腐蝕敏感性較低，主要原因為：S31603不銹鋼產生的形變馬氏體極其微量，不會造成大量馬氏體優先溶解，阻止了應力腐蝕裂紋的形核與裂紋擴展的活性通道[18]；當不銹鋼中的鉻質量分數一定時，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[19]，S31603不銹鋼屬于超低碳不銹鋼，其含碳量小于0.03%(質量分數)，碳化鉻的形成相對較少；S31603不銹鋼中鉻質量分數為16.78% ，當鉻質量分數達到16%以上時，鉻能形成致密的氧化鉻保護膜，可以大幅提升抗應力腐蝕能力[19]；根據膜破裂理論[21]，鎳含量越高，不銹鋼抗應力腐蝕性能越好，S31603不銹鋼中鎳質量分數為10.11%，達到較高水平；S31603不銹鋼中含有2%左右的鉬，鉬與鹵素離子有極強的親和性，能夠固定鹵素離子并阻止其擴散，不銹鋼表面氧化膜由于鉬的加入，原始點陣排列由固溶點陣變為大畸變點陣，能大幅阻擋鹵素離子地侵入[21]；S31603不銹鋼中的碳質量分數僅為0.015%，含碳量越低，材料的耐腐蝕性越好，因此提高了S31603不銹鋼的抗應力腐蝕性能。

S31603不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕敏感性也處于較低的水平，從應力腐蝕敏感性指數可以看出，焊縫的應力腐蝕敏感性低于母材的，其原因除了焊縫具有上述母材所具備的因素外，還包括：有連續網狀分布的δ鐵素體阻斷裂紋擴展的連續通道[22]；δ鐵素體具有良好的抗氯離子應力腐蝕的能力，氯化物應力腐蝕敏感性比奧氏體低[23]；焊縫中鉻、鎳、鉬的質量分數分別為18.57%、11.50%、2.18%，均高于母材的，因此抗應力腐蝕能力好于母材的。

(a) 應變量0%,空氣 (b) 應變量0%，氯化鈉溶液(c) 應變量5%，氯化鈉溶液

(d) 應變量10%，氯化鈉溶液 (e) 應變量20%，氯化鈉溶液(f) 應變量30%，氯化鈉溶液圖13 S31603不銹鋼焊接接頭斷口的宏觀形貌Fig. 13 Macro morphology of fracture of S31603 stainless steel welded joints under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

(a) 應變量0%,空氣 (b) 應變量0%，氯化鈉溶液(c) 應變量5%，氯化鈉溶液

(d) 應變量10%，氯化鈉溶液 (e) 應變量20%，氯化鈉溶液(f) 應變量30%，氯化鈉溶液圖14 S31603不銹鋼焊接接頭斷口的微觀形貌Fig. 14 Micro morphology of fracture of S31603 stainless steel welded joints under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

3 結論

(1) S31603不銹鋼母材經應變強化后產生了極其微量的形變馬氏體，焊接接頭則沒有顯著的變化，仍然為柱狀奧氏體+δ鐵素體的雙相組織，隨著應變量的增加，S31603母材、熱影響區和焊縫的顯微硬度均有明顯增加，且增幅大小為熱影響區>母材>焊縫。

(2) 應變強化對S31603不銹鋼的應力腐蝕敏感性有較小的影響，應力腐蝕腐蝕敏感性指數均小于25%，斷口形貌均為典型的韌性斷裂，無明顯的應力腐蝕傾向。在應變量為5%左右時，應變強化可以小幅提高材料的抗應力腐蝕性能。