高能噴丸304不銹鋼應力腐蝕敏感性試驗研究

黃六一，鐘豐平，王學斌，高紅剛，張宏亮，盧志明

(1.浙江省特種設備科學研究院 浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310020；2.浙江晶盛機電股份有限公司，浙江 上虞 312300；3.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310023)

304不銹鋼具有良好塑性、韌性和焊接性能，而且能耐一般介質的均勻腐蝕，廣泛應用于石化、核電和制藥等工業領域。但這種材料存在一個致命的弱點：在含氯離子的環境中，容易發生晶間腐蝕和應力腐蝕破壞[1-4]。這種局部腐蝕的發生一般沒有預兆，屬于低應力脆性破壞，往往會導致設備的突然開裂或爆炸，造成嚴重的后果，因此304不銹鋼的晶間腐蝕和應力腐蝕已成為影響其安全應用的瓶頸。應力腐蝕是在應力和腐蝕環境共同作用下發生的開裂現象，304不銹鋼在含氯離子的溶液中的應力腐蝕開裂機理屬于陽極溶解型[5]。材料表層的金相組織和力學性能對應力腐蝕裂紋的萌生和擴展具有很大的影響，采用表面強化技術是提高304不銹鋼抗應力腐蝕性能的有效手段之一。高能噴丸(High energy shot peening，HESP)采用比一般機械噴丸更高的能量將金屬彈丸高速噴射到材料表面，使其產生塑性變形，從而達到改善材料表層金相組織和力學性能的目的。國內外對采用高能噴丸進行材料表面強化已進行了大量的研究。李東等[6-7]對SS400鋼焊接接頭進行高能噴丸試驗，噴丸處理的試樣分析表明：經過高能噴丸處理后，焊接接頭表面形成了尺寸均勻的納米晶粒，表層硬度和疲勞性能均得到了提高。王天生等[8]采用高能噴丸方法對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行了噴丸處理，實現了試樣表面納米化，提高了試樣在NaCl溶液中的耐腐蝕性能。Bagherifard等[9]對低合金鋼進行高能噴丸處理，表層也獲得了納米晶組織，處理后的試樣抗疲勞性能得到明顯提高。Raja等[10]進行了Ni-22Cr-13Mo-4W合金的高能噴丸試驗，發現該合金經處理后在鹽酸中的耐腐蝕性能明顯提高。

與普通機械噴丸工藝相比，高能噴丸的主要特點在于噴丸壓力大和彈丸硬度高，比普通機械噴丸能量更大，因此表面強化效果更好。目前，對高能噴丸處理改善材料表層力學性能的研究比較多，但對高能噴丸處理對304不銹鋼應力腐蝕開裂敏感性影響的研究報道較少[11-13]。筆者選取了不同表面噴丸壓力和噴丸時間參數的組合，對304不銹鋼板狀試樣進行高能噴丸處理，采用X射線洐射(XRD)方法分析了試樣表層的金相組織和晶粒大小，并通過慢應變速率拉伸試驗(SSRT)，研究了高能噴丸工藝參數對304不銹鋼應力腐蝕開裂敏感指數的影響。

1 試驗材料和方法

試驗材料采用304不銹鋼薄鋼板，厚度為2 mm，試樣尺寸如圖1。304不銹鋼試樣的化學成分(質量分數)為C 0.068%，Si 0.58%，Mn 1.65%，P 0.024%，S 0.004%，Cr 18.86%，Ni 8.35%，其余為Fe。

圖1 應力腐蝕試樣(單位：mm)Fig.1 Specimen design for slow strain rate tensile tests(unit: mm)

試樣采用激光切割方法加工，切割前對標距部分(15 mm)進行高能噴丸處理。高能噴丸在氣動式噴丸機上進行，其原理如圖2所示。在高壓氣流的作用下，噴嘴處產生了負壓，置于彈丸倉內的不銹鋼彈丸被抽吸到噴嘴處，并在氣流帶動下高速沖擊試樣表面，使其產生塑性變形。不銹鋼彈丸直徑為0.5 mm，噴嘴與試樣表面之間的距離為100 mm。分別選用7種噴丸壓力(氣流壓力)，即0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6 MPa，5 種噴丸時間，即1，2，3，5，8 min對試樣進行噴丸處理。采用X射線衍射儀(X射線源為Cu靶Kα射線)對高能噴丸處理后試樣進行表面金相組織分析，采用Scherrer公式計算晶粒尺寸和晶格畸變。在慢應變速率拉伸試驗機上進行應力腐蝕試驗，拉伸速率為2.6×10-5mm/s。

圖2 高能噴丸原理Fig.2 Schematic of the HESP treatment

2 試驗結果與討論

2.1 金相組織分析

高能噴丸處理產生的塑性變形將誘發304不銹鋼馬氏體相變。為了檢測噴丸前后試樣的金相組織變化，筆者采用X射線衍射(XRD)方法對采用不同噴丸壓力和時間處理后的材料作了定量XRD圖譜分析。圖3為噴丸時間5 min時，不同噴丸壓力下試樣表面的XRD圖譜；圖4為噴為壓力0.5 MPa時，不同噴丸時間下試樣表面的XRD圖譜。

圖3 不同噴丸壓力試樣表面的XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum of the specimen surface tested at different peening pressures

圖4 不同噴丸時間試樣表面的XRD圖譜Fig.4 XRD spectrum of the specimen surface tested at different peening time

從圖3，4可以看出：未經噴丸的304不銹鋼試樣表層金相組織均為奧氏體，當噴丸壓力較低時未出現馬氏體相；當噴丸壓力增大到0.35 MPa時，表層產生了馬氏體相變；隨著噴丸壓力(噴丸時間)的增大，馬氏體相逐漸增加。材料表層在高能彈丸作用下，產生強烈的塑性變形，產生了應變硬化現象，從而誘發馬氏體相變[14]。

2.2 晶粒尺寸分析

高能噴丸處理產生的塑性變形在誘發304不銹鋼馬氏體相變的同時也使其表層產生晶粒細化現象。根據X射線衍射(XRD)理論，晶粒尺寸可以通過試樣衍射峰的峰寬。計算公式為

(1)

式中：D為晶粒的平均厚度；K為Scherrer常數；λ為X射線波長(為0.154 056 nm)；B為衍射峰半高寬度；θ為衍射角。

計算得到不同噴丸壓力和時間噴丸處理下的晶粒尺寸，結果如表1，2所示。

表1 不同噴丸壓力下試樣表層的晶粒尺寸和晶格畸變

表2 不同噴丸時間試樣表層的晶粒尺寸和晶格畸變

由表1，2可以知：經高能噴丸處理后試樣表層晶粒得到細化。當噴丸壓力從0.3 MPa增加到0.6 MPa或噴丸時間由1 min增到8 min時，試樣表層晶粒尺寸逐漸減小，同時晶格畸變相應增大。表1，2的晶粒尺寸為18.7～33.9 nm，實現了表層晶粒的納米化。當噴丸壓力或噴丸時間增大達到一定數值后，納米晶結構趨于穩定，晶粒不再細化。

2.3 應力腐蝕試驗

應力腐蝕性能可以通過應力腐蝕敏感性指數衡量，即在惰性介質(空氣)中的試驗參數與腐蝕介質(質量分數為3.5%的NaCl溶液)中的試驗參數相對比值。表征應力腐蝕敏感性的試驗參數包括試樣伸長率、斷面收縮率和應力—應變曲線下的面積(反映了試驗過程中吸收能量)等。在這幾個參數中，因為應力—應變曲線下的面積同時包含了應力和應變兩方面的影響，故筆者選取應力—應變曲線下的面積A來計算應力腐蝕敏感性指數。以應力—應變曲線下的面積A計算應力腐蝕敏感性指數公式為

(2)

式中：F(A)為應力腐蝕敏感性指數；A0為試樣在空氣中應力—應變曲線下的面積；A為試樣在腐蝕介質中應力—應變曲線下的面積。

圖5顯示了噴丸壓力分別為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6 MPa時，慢應變速率拉伸試驗應力—應變曲線，此時選定噴丸時間為5 min。

1—未噴丸/空氣；2—未噴丸/3.5% NaCl溶液；3—0.3 MPa；4—0.35 MPa；5—0.4 MPa；6—0.45 MPa；7—0.5 MPa；8—0.55 MPa；9—0.6 MPa。圖5 不同噴丸壓力下試樣慢應變速率拉伸曲線Fig.5 Stress-strain curves of the slow strain rate tests under different peening pressures

根據應力—應變曲線圖中的面積，計算得到不同噴丸壓力下的應力腐蝕敏感性指數，結果如表3所示，表中3.5% NaCl是以質量分數計。

表3 不同噴丸壓力下試樣的應力腐蝕敏感性指數

圖6為噴丸壓力0.5 MPa，噴丸時間分別選取1，2，3，5，8 min時的慢應變速率拉伸試驗應力—應變曲線。

1—未噴丸/空氣；2—噴丸/3.5% NaCl溶液；3—1 min；4—2 min；5—3 min；6—5 min；7—8 min。圖6 不同噴丸時間后試樣慢應變速率拉伸曲線Fig.6 Stress-strain curves of the slow strain rate tests under different peening times

同樣根據應力—應變曲線下的面積，可以計算得到不同噴丸時間下的應力腐蝕敏感性指數，結果如表4所示。

表4 不同噴丸時間后試樣的應力腐蝕敏感性指數

由表3，4可知：未經高能噴丸處理的304不銹鋼試樣，其應力腐蝕敏感性指數為27，屬于較敏感的材料。經高能噴丸處理后，304不銹鋼的應力腐蝕敏感性指數明顯減小。當噴丸壓力增大(或噴丸時間增加)時，應力腐蝕敏感性指數不是單調變化，而是呈現了先減小后增大的規律。產生這種現象的原因可以從高能噴丸處理對材料表面的強化效果來分析。高能金屬彈丸沖擊試樣表面，使其發生塑性變形，表層晶粒得到了細化，晶粒細化后減小了應力集中，裂紋驅動力可由更多晶粒來承受，從而阻礙了裂紋的形核和擴展。因此，高能噴丸處理導致的晶粒細化能使304不銹鋼的應力腐蝕敏感性指數減小。但是，高能噴丸處理導致試樣表面的塑性變形，使其產生應變硬化現象，誘發馬氏體相變，因此試樣表層由處理前的全部奧氏體相演變為奧氏體和馬氏體共存的金相組織。沿奧氏體晶界形成的馬氏體相使晶界鉻的富集程度降低，鈍化膜的完整性遭到破壞，容易誘發應力腐蝕裂紋的形核和擴展[15-16]。另外，馬氏體相電極電位較高，對于奧氏體相來說是陽極，將優先溶解，從而在馬氏體相處構成裂紋擴展的活性通道，促進應力腐蝕裂紋的形核和擴展[17-18]。因此，高能噴丸處理后產生的表層馬氏體的相變使304不銹鋼的應力腐蝕敏感性指數增大。

高能噴丸處理產生的晶粒細化和馬氏體相變對304不銹鋼的應力腐蝕敏感性指數產生相反的作用，因此，不同噴丸工藝參數下304不銹鋼的應力腐蝕敏感性的變化規律取決于這兩者的權重。當噴丸壓力小于0.45 MPa(或噴丸時間少于3 min)時，晶粒細化作用大于馬氏體相變，因此應力腐蝕敏感性指數隨著噴丸壓力增大(或噴丸時間增加)而減小；當噴丸壓力大于0.45 MPa(或噴丸時間超過3 min)時，形變誘發的馬氏體相變將占主導地位，因此應力腐蝕敏感性指數隨著噴丸壓力增大(或噴丸時間的增加)而增大。

3 結 論

通過不同噴丸壓力和噴丸時間下的高能噴丸處理試驗，研究了噴丸工藝參數對304不銹鋼應力腐蝕敏感性的影響。研究結果顯示：通過高能噴丸處理導致了304不銹鋼的表面改性，并改善其抗應力腐蝕的性能。高能噴丸處理使304不銹鋼試樣發生了塑性變形，誘發了馬氏體相變，并導致了晶粒細化，表層晶粒尺寸達到了納米級(15～60 nm)；試樣表層由未處理前的全部奧氏體相，演變為奧氏體和馬氏體共存的金相組織，并隨著噴丸壓力增大或噴丸時間的增加，馬氏體相逐漸增加；與未噴丸的304不銹鋼相比，通過高能噴丸處理后，304不銹鋼試樣在含氯離子的溶液中抗應力腐蝕開裂性能明顯提高；高能噴丸處理產生的晶粒細化和馬氏體相變對304不銹鋼的應力腐蝕敏感性指數產生相反的作用機理，不同噴丸工藝參數下304不銹鋼的應力腐蝕敏感性的變化規律取決于這兩者所起作用的大小。