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(tuán)有限公司，北京 100081； 2. 鋼鐵研究總院 分析測(cè)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(yùn)用于各領(lǐng)域[1-2]。然而，奧氏體不銹鋼在使用過(guò)程中容易因處理工藝不當(dāng)而發(fā)生敏化現(xiàn)象[3]；在某些服役環(huán)境中，點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕會(huì)造成嚴(yán)重安全隱患[4-6]，特別是存在靜拉伸應(yīng)力的條件下，鉻鎳奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕往往是導(dǎo)致事故的重要原因[7]。

1 來(lái)樣及檢測(cè)方法說(shuō)明

為攔截水草、漂木等漂浮物，水電站進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)失效柵條進(jìn)行了宏觀檢查、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測(cè)試，此外通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察了柵條的斷口，用能譜分析檢測(cè)了斷口表面的腐蝕產(chǎn)物，用金相顯微鏡分析了裂紋的剖面擴(kuò)展形態(tài)和材料微觀組織。

2 理化檢驗(yàn)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(nèi)擴(kuò)展，在擴(kuò)展交匯處形成臺(tái)階狀斷口，在整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程中沒(méi)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(shí)存在抓斗形成的縱向損傷溝痕，這表明柵條在服役過(guò)程中受到了應(yīng)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(xué)成分分析

從斷裂柵條上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析并與GB/T 4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)中1Cr18Ni9不銹鋼的化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(dāng)鋼中Cr和Ni含量偏低時(shí)，鈍化膜被破壞后不能及時(shí)修復(fù)，從而形成點(diǎn)蝕并成為裂紋萌生源[10-11]。

2.3 力學(xué)性能測(cè)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(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2。并與GB/T 4237-2007標(biāo)準(zhǔn)中固溶處理狀態(tài)1Cr18Ni9不銹鋼的拉伸力學(xué)性能要求進(jìn)行比較。由表2可見:試樣的拉伸力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of fractured trash rack paling (mass) %

表2 斷裂攔污柵柵條的力學(xué)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(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)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(chǎn)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(kuò)展區(qū)域?yàn)檠鼐嗫诤痛┚?zhǔn)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(jié)果表明：裂紋起始區(qū)的腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，同時(shí)還存在S元素；柵條表面的腐蝕產(chǎn)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(zhì)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(yīng)，生成可溶性金屬氯化物，使金屬基體活化，進(jìn)而大大加快了蝕坑的電化學(xué)反應(yīng)速率和裂紋擴(kuò)展速率，而S2-能夠促進(jìn)腐蝕進(jìn)程，對(duì)腐蝕失效行為起推動(dòng)作用[13]。

2.5 剖面金相分析和硬度測(cè)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(cè)起始，向內(nèi)側(cè)彎曲擴(kuò)展，擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生細(xì)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(yīng)力集中，導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕；另外，蝕坑內(nèi)溶液呈酸性，為析氫反應(yīng)提供了條件，氫會(huì)引起滑移線塞積并形成滑移臺(tái)階，促進(jìn)局部塑性變形，當(dāng)局部塑性變形發(fā)展到臨界狀態(tài)時(shí)，缺口前端就出現(xiàn)微裂紋，隨著微裂紋的擴(kuò)展和貫穿，在材料表面產(chǎn)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(cè)定方法》，評(píng)定該材料的晶粒度級(jí)別為3.0級(jí)。

(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(chǎn)物的EDS譜

(d) 斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌 (e) 表面的SEM形貌 (f) 表面腐蝕產(chǎn)物的EDS譜 圖3 斷裂柵條斷口和表面的SEM形貌及其腐蝕產(chǎn)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(cè)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(cè)試其顯微硬度，結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中普遍存在，發(fā)生塑性變形后，材料的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降，對(duì)應(yīng)力腐蝕性能也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[16]。

表3 顯微硬度測(cè)試結(jié)果Tab. 3 The test results of micro-hardness HV0.2

3 結(jié)論

(1) 斷裂柵條中Cr、Ni含量偏低，基體晶粒粗大以及表面沒(méi)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(yīng)力的共同作用下發(fā)生應(yīng)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(dǎo)致柵條發(fā)生開裂的主要原因。

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