0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭應力腐蝕研究

唐峰等

【摘 要】不銹鋼構建是由制備具有抗腐蝕性質的設備、機件而發展、成熟形成的金屬材料，在工農行業得到了普及應用。由于不銹鋼構件在使用過程中時常接觸到腐蝕介質，進而出現多種形式的腐蝕問題。據工業實例統計表明，應力腐蝕破壞在所有不銹鋼濕態腐蝕破壞事例中比例最高，達到50%左右。文章主要闡述使用恒載核應力腐蝕試驗的方式以及對表面進行顯微研究的方式來研究了在3.5%的Nacl水溶液中，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼與焊接接頭的應力腐蝕開裂情況。

【關鍵詞】奧氏體不銹鋼 恒載荷應力 斷裂形貌

奧氏體不銹鋼是一種在常溫環境下具有奧氏體組織的不銹鋼。在鋼材中包括Cr18%，Ni8-10%，C0.1%，形成了穩定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼不單單耐氧化性酸介質腐蝕，同時，如果該鋼材中含有Mo、Cu元素還能夠耐硫酸、醋酸、尿素等物質的腐蝕。高硅的奧氏體不銹鋼能夠耐高濃度的硝酸。由于奧氏體不銹鋼具有高強度的耐酸性，綜合性能優越，因此在各行各業中得到了廣泛的普及應用。

1 不銹鋼焊接接頭應力腐蝕概述

由于不銹鋼的強度與彈性性質導致其在飛機制造行業內得到廣泛使用。在眾多種類的不銹鋼中奧氏體不銹鋼是其中應用范圍最廣的類別[1]。奧氏體不銹鋼大約含有Cr18%，Ni8-10%，C0.1%，因此其嚴密的鈍化膜足以抵抗強烈的腐蝕。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼是一種新型的超低碳高強度的奧氏體不銹鋼。其耐腐蝕性與優越的力學性能十分適合運用在航天行業中。不銹鋼構件使用接觸腐蝕介質常常會導致多種形式的腐蝕破壞。在不銹鋼的濕態腐蝕中，最為常見的破壞形式為應力腐蝕斷裂。這種類型斷裂破壞在不銹鋼濕態腐蝕破壞中占據了50%以上的比例。應力腐蝕破裂往往會導致不銹鋼構件與設計應力相比耕地，在沒有任何明顯宏觀變形的情況下無預兆的迅速破裂，安全危害十分嚴重。

2 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭應力腐蝕實驗

2.1 實驗材料

本次實驗對象為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，焊接工藝為TIG氬弧焊。使用的電極材料是1.5mm-3.2mm的鈰鎢絲。保護氣體為氬氣。Y型坡口形式為2.5mm的厚板材，V形缺口為70度。鈍邊厚度為0.5mm，無間隙。

2.2 恒載荷拉伸應力腐蝕實驗

該實驗的腐蝕簡直為中性NaCl溶液，溶液比例為3.5%，溫度為35℃。試驗對象的截取位置與式樣，中間為焊縫區。恒載荷拉伸應力腐蝕實驗主要分為四個等級的應力水平，分別為90%σ0.2，85%σ0.2，80%σ0.2，75%σ0.2。四種等級的應力水平均使用三個平行式樣，試樣斷裂后將斷裂的時間記錄下來。如果持續實驗了120號、仍然未出現斷裂，則將試樣放在拉伸實驗設備上進行剩余強度測試[2]。

2.3 金相及斷口形貌分析

選擇0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區、熱影響區與母材進行試樣。分別選擇使用500#、800#、1000#、1200#、1500#金相砂紙打磨后進行拋光處理。并且使用丙酮溶液超聲波震蕩來講表面油漬清除干凈[3]。隨后使用去離子水與酒精將試樣表面清理干凈后吹干。使用侵蝕劑顯晶在金相顯微鏡上進行組織觀察。使用JSM5800掃描電鏡對試樣斷裂后去除腐蝕產物進行觀察 ，觀察其端口部分的形貌[4]。

3 實驗結果

3.1 金相組織分析

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材顯微組織主要為奧氏體不銹鋼圍觀組織。其由等軸奧氏體晶粒組成，同時具有一定的孿晶結構。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱影響區域較小，并且該區域的晶粒與母材相對比來說變化不夠明顯。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區主要是由柱狀晶體構成，晶粒體積較小。一次枝晶方向明顯，部分柱狀晶上可見二次枝晶[5]。

3.2 恒載荷拉伸應力腐蝕

在經過焊接后的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼氣強度、延伸率與斷面收縮率均呈現下降趨勢。因此可以看出焊接使得0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的力學性能降低。在實驗中，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼在3.5%的NaCl溶液中開展四個等級的應力水平實驗結果接觸，伴隨著應力水平下降，剩余強度不斷增加，強度所損失的比例也不斷減少。造成這種現象的主要原因就是腐蝕介質中應力減少使得裂紋產生的時間延后。在后期進行的拉伸試驗中對其剩余強度進行測試，則會導致剩余強度上升，但仍低于原始強度。在同等的應力水平拉伸下，0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼強度損失相對于焊接接頭更大，這說明0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗應力腐蝕性能與母材相對比更加優越。

3.3 斷口形貌分析

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材與焊接接頭的沒有腐蝕的原始試樣打磨后在放置于拉伸試驗機上拉斷，兩種試樣原始試樣均為韌性斷裂。掃描電鏡中看出兩者為韌窩斷裂，韌窩的深淺與材料塑性有著直接的聯系。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的韌窩更深，其母材與焊接后相比韌性更佳。

4 討論

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的焊縫區主要是由柱狀晶體構成，晶粒體積較小。一次枝晶方向明顯，部分柱狀晶上可見二次枝晶。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗應力腐蝕性能與母材相對比更加優越。0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼母材的韌窩更深，其母材與焊接后相比韌性更佳。

參考文獻：

[1]李平瑾.關于奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗標準中彎曲試驗參數的選取[J].壓力容器，2013

（10）：24-35.

[2]李明娜，劉峰.拉保持對316L奧氏體不銹鋼焊接接頭低周疲勞循環應力響應及損傷機制的影響[J].焊接學報，2014（9）：87-91+5.

[3]畢越寬，王曉軍.321和310奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕性能對比研究[J].熱加工工藝，2011（9）：

150-151+154.

[4]羅銳，程曉農，李冬升.一種新型核級奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕研究[J].功能材料，2014（23）：

23033-23037.

[5]劉琦，張堯，陳增有.焊接修復對鐵素體不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響[J].大連交通大學學報，

2012（2）：68-72.