一起奧氏體不銹鋼封頭開裂的分析

摘 要：奧氏體不銹鋼在亞穩定狀態，進行加工成型過程中會由奧氏體相向馬氏體相轉變，馬氏體相的存在會促使材料電化學和耐腐蝕性的改變，容易產生腐蝕，由于腐蝕進而發展到應力腐蝕開裂。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；馬氏體；應力腐蝕開裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.043

1 基本情況

在對我市某化工有限公司一臺自動加壓鍋進行檢驗過程中，經滲透探傷發現該設備下封頭處存在多處裂紋，該設備為無錫力馬化工機械有限公司生產于2003年3月，期間一直未投入使用，2011年5月移裝至我市某化工有限公司投入使用，該設備為304不銹鋼材料厚10mm，使用壓力0.25MPa，使用溫度138℃，介質為8%硝化棉、水蒸汽、水。

經檢測發現下橢圓封頭過渡段發生多處開裂（見圖1），現場用磁鐵對該設備進行鐵磁性檢測，發現該設備下封頭處具有極強的鐵磁性，筒體和上封頭側無磁性。奧氏體不銹是一種無磁性的材料，經了解該設備封頭冷旋壓成型，未經固溶處理。GB/T25198-2010規定冷成型的奧氏體不銹鋼制半球形封頭、橢圓封頭、碟形封頭以及平底封頭，成型后可不進行熱處理。

2 分析

304不銹鋼是一種常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，其鋼中含Cr約18%、Ni 8%～10%、C約0.1%時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。

冷旋壓封頭成形是利用兩模具的擠壓作用，在旋壓輪和成形輥之間，毛坯產生局部的塑性變形。該變形以螺旋形方式從中心向邊緣“流動”，使鋼板產生連續彎曲變形。毛坯的外側金屬縱向纖維受拉而伸長，靠近成形輥一側金屬縱向纖維受壓而縮短。隨著向板坯中心的靠近，伸長和縮短的程度逐漸減小。在板坯上畫上等間距的同心圓和徑向線，在旋制過程中發現，靠近旋壓輥一側的毛坯外側徑向輻射線的網格被拉長了，而內側網格變化不明顯。

304不銹鋼是一種耐蝕性很好的材料，但使用中經常發生開裂、孔蝕等嚴重的缺陷。經查閱相關資料發現許多研究者在這一方面進行了大量的研究工作，發現奧氏體不銹鋼在亞穩定狀態，進行加工成型過程中會由奧氏體相向馬氏體相轉變，如冷旋壓封頭等加工過程，會發生形變誘發馬氏體相轉變，焊接和其他熱加工會造成晶界貧鉻，促使馬氏體相的生成，在氫介質中，會發生氫致馬氏體相變。馬氏體相的存在會促使材料電化學和耐腐蝕性的改變，容易產生腐蝕，由于腐蝕進而發展到應力腐蝕開裂。

馬氏體轉變屬于低溫轉變，轉變產物與馬氏體。馬氏體具有很高的硬度和強度，由于馬氏體轉變是在較低溫度下進行的，此時，奧氏體不銹鋼中的原子不能進行擴散。有研究表明在室溫下（23℃），變形量小于10%，304不銹鋼僅有少量有馬氏體相變，當變形量在10%-40%時，馬氏體相會由0.7%增加到6%以上。當變形量大于60%以上時，材料發生馬氏體相變的同時，另一個微觀變化就是錯位的增加（見圖2），當發生大量位錯的糾纏時，由于材料的變形量越大，位錯密度增大，首先位錯增值在材料內產生很高的應力，使材料的自由能增大，促成的馬氏體相變的形核，進而發生馬氏體相的轉變。由于面心立方的奧氏體是順磁性材料，穩定化的奧氏體是無磁性的，當轉變為體心立方馬氏相時是鐵磁性的，隨著材料的微觀組織發生的變化，奧氏體304不銹鋼由無磁性材料變成了有磁性材料，由于馬氏體的增加304不銹鋼的磁性逐漸增強。另外由于位錯的增加也相應的造成了材料的應力集中，應力的集中又進一步促進了馬氏體的形成，應力集中程度越大，馬氏體相變量越多，材料表面的磁場波幅值越高，利用磁鐵可以方便快捷的檢測出奧氏體304不銹鋼材料的馬氏體變化。

3 總結

面心立方的奧氏體是不帶磁的，馬氏體的出現使旋壓封頭機械性能迅速惡化，在多次應變的作用下，強度、硬度增加，塑性降低。這是多次應變使馬氏體產生數量增多的緣故。由于馬氏體與奧氏體組織共存，奧氏體是面心立方結構（fcc），一個晶胞含有4個原子，致密度比較大，而馬氏體是體心立方結構（bcc），一個晶胞含有2個原子，致密度小，因而馬氏體的比容比奧氏體大，所以奧氏體轉變為馬氏體是一個體積膨脹的過程。再由于奧氏體和馬氏體延伸率不同，極易導致局部高應力區如加工應力、焊接殘余應力等，高應力的區域形成顯微裂紋，在設備載荷的作用下裂紋不斷擴展導致設備最終的開裂、泄漏，對人身、設備和經濟造成很大的損傷、損失。

作者簡介：徐丹輝（1985-），男，河南淇縣人，本科，助理工程師，研究方向：特種設備使用管理。endprint