雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能及機理

張躍

摘 要： 雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，它有如下的一些特點：

（1）強度高，它的屈服強度約為奧氏體不銹鋼的兩倍。

（2）膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)大。

（3）對晶間腐蝕不敏感。

（4）具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕和耐腐蝕疲勞性能，還具有較好的耐點蝕性能。

（5）由于Cr高，Ni低，所以Cr—Ni奧氏體不銹鋼便宜。

其中優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能是它受到廣泛應(yīng)用的一個重要原因。本文以Cr18型不銹鋼為例，具體說明雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能。

關(guān)鍵詞： 雙相不銹鋼；腐蝕介質(zhì)；耐應(yīng)力腐蝕；腐蝕機理

1.1 耐應(yīng)力腐蝕性能

關(guān)于雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能，最早是從對18—8 Ti 奧氏體不銹鋼中δ鐵素體相作用研究開始的。研究指出，由于18—8鋼中δ鐵素體的存在而大大改善了它們的耐應(yīng)力腐蝕性能。隨后，人們研究了δ鐵素體相的含量對不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能的影響。研究結(jié)果綜合表明，雙相不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能，而且還具有良好耐一般腐蝕性能，以及高強度、高韌性、低膨脹系數(shù)和良好的導熱性能等。

（1）在高濃氯化物溶液中

高濃氯化物常以MgCl2、NaCl溶液作為加速試驗介質(zhì)。在MgCl2溶液實驗中，雙相鋼在高應(yīng)力下的破斷時間是很短的；但是在低應(yīng)力下，破斷時間大大延長，也就是說，雙相不銹鋼具有較高的臨界應(yīng)力。在NaCl點滴應(yīng)力腐蝕實驗中，同樣可以看出雙相不銹鋼具有比18—8單相奧氏體不銹鋼高得多的臨界應(yīng)力。

另外，在25%NaCl溶液中試驗時發(fā)現(xiàn)即使在U形試樣這樣高應(yīng)力水平下，18—5—Nb型雙相不銹鋼和25—5型雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能也要比18—8奧氏體不銹鋼高得多，在此條件下，兩種雙相鋼1000小時試驗期間內(nèi)均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，而18—8不銹鋼在不足20小時試驗期間內(nèi)就產(chǎn)生了斷裂，這就表明，如果在酸性MgCl2溶液、恒載荷試驗條件下雙相不銹鋼的優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能表現(xiàn)的還不十分明顯的話，那么在中性NaCl溶液中的恒應(yīng)變試驗條件下，雙相不銹鋼優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能就顯得十分清楚了。

（2）高溫水條件

在高溫水條件下，對雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能的研究目前還并不十分充分。研究者在200℃500ppm CLˉ、飽和氧條件下所進行的試驗表明，18—5—Nb 和25—5 雙相不銹鋼與18—8單相不銹鋼相比，具有高得多的耐應(yīng)力腐蝕性能。Spahm 的試驗結(jié)果指出，在200℃、100 ppm CLˉ、5—9 ppm O2條件下長期試驗后雙相不銹鋼也沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕。同樣，在295℃、5 ppm CLˉ、PH=5的高溫水中，雙相不銹鋼也具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能。

Wilson 研究了各種材料在電站鍋爐水條件下的應(yīng)力腐蝕問題。結(jié)果指出，3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2）雙相不銹鋼無論是固態(tài)還是475℃×300小時脆化處理態(tài)，在磷酸處理或全揮發(fā)處理的電站鍋爐水中，均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，單脆化處理的樣品卻在10% NaOH和含100 ppm CLˉ、10 ppm 、200 ppm 氧的高溫純水中產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕。因此，雙相不銹鋼不宜推薦在300℃以上的高溫水介質(zhì)中使用，這是由于長期使用在300℃以上就會有可能出現(xiàn)所謂的475℃脆性，從而惡化鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能。

盡管雙相不銹鋼在某些條件下也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但是，一般來說它的破裂時間要比18—8奧氏體不銹鋼長得多。也就是說，雙相鋼具有較低應(yīng)力腐蝕敏感性。

1.2雙相不銹鋼的應(yīng)力腐蝕機理

雙相不銹鋼在氯化物、高溫水、連多硫酸等介質(zhì)中具有較高的耐應(yīng)力腐蝕性能，其應(yīng)力腐蝕破裂行為與鋼種成分、熱處理狀態(tài)、介質(zhì)條件等許多因素有關(guān)。應(yīng)力腐蝕裂紋形態(tài)千差萬別，有的應(yīng)力腐蝕裂紋只在奧氏體中傳播，裂紋遇到鐵素體相則受到阻滯作用；有的裂紋又只在鐵素體中傳播，遇到奧氏體時，反而受到阻礙；還有的應(yīng)力腐蝕裂紋，既可穿過鐵素體相，又可穿過奧氏體相；而另一些有時又僅沿晶界擴展。這樣，對于這些應(yīng)力腐蝕裂紋傳播特征所進行的機理解釋自然也有所不同。迄今為止，對雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的原因還沒有一個統(tǒng)一的認識。在分析研究了國內(nèi)外一些研究工作后，對α+γ雙相 不銹鋼具有優(yōu)良的耐氯化物應(yīng)力腐蝕的原因簡單地歸結(jié)為：

1.α+γ雙相不銹鋼的屈服強度較18—8奧氏體不銹鋼的高。因而，在相同的應(yīng)力作用下，較難發(fā)生粗大的滑移。因此，表面膜不易破裂，應(yīng)力腐蝕裂紋難以形成。

2.在中性含CLˉ的介質(zhì)中，18—8奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂多為以孔蝕為起點，而雙相不銹鋼由于其成分和組織結(jié)構(gòu)的特點，其耐孔蝕性能較18—8鋼為優(yōu)越?？孜g既不易形成，且一旦形成，由于第二相的屏障作用，又不易擴展為應(yīng)力集中系數(shù)較大的尖角形孔坑。

3.α+γ雙相不銹鋼中的第二相（α或γ）的存在，對應(yīng)力腐蝕裂紋的擴展亦起到機械屏障作用。它可以阻止裂紋向前發(fā)展，也可以使擴展中的裂紋改變方向。從而大大延長了應(yīng)力腐蝕的擴展期。

4.當α+γ雙相不銹鋼系以奧氏體為基體而在基體上存在著一定數(shù)量的鐵素體時，在介質(zhì)作用下，鐵素體對奧氏體起到電化學防護作用。在實際事故中觀察到的α相優(yōu)先溶解就是例證。另外有些學者在研究了25Cr—Ni雙相不銹鋼在MgCl2溶液中的應(yīng)力腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)裂紋只在鐵素體相中擴展，因此，他們認為雙相不銹鋼之所以具有較高的耐應(yīng)力腐蝕性能可以用以下4種機理模型加以解釋：

（1）電化學保護作用。由于α和γ兩相成分不同，因而其電化學行為也不同。在MgCl2介質(zhì)條件下，α相為陽極，γ相為陰極，通過陽極溶解使γ相受到保護。

（2）α相和γ相的應(yīng)變行為不同。由機械性能的滑移變形行為不同的α和γ兩相組成的鋼，在應(yīng)力作用下，兩相中的應(yīng)力分配以及變形行為均不同，α相為高應(yīng)力區(qū)，γ相為低應(yīng)力區(qū)，因而使γ相的應(yīng)力腐蝕敏感度降低。

（3）兩相中殘余應(yīng)力分布不同。由于α相和γ相的膨脹系數(shù)不同，在固溶處理后，膨脹系數(shù)大的γ相收縮量也大，因而在α/γ相界附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在α相中產(chǎn)生壓應(yīng)力。一般說來，在殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的情況下，對應(yīng)力腐蝕有抑制的作用。因此，在α相中擴散的應(yīng)力腐蝕裂紋當遇到島狀分布的γ相時，由于殘余應(yīng)力狀態(tài)不同而受到阻礙。

（4）當裂紋擴展到γ相時，裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力場使γ相中的位錯排列發(fā)生變化，或者使其生成應(yīng)變馬氏體，從而使γ相的應(yīng)力腐蝕腐蝕敏感性降低。

在進一步分析研究的基礎(chǔ)上認為，電化學保護在提高雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能方面的作用是較小的，而其余三點是主要的。也即是說，雙相不銹鋼的較高的耐應(yīng)力腐蝕性能歸因于兩相混合組織所產(chǎn)生的機械效應(yīng)。

當然，這種解釋也不是完美無缺的。它只使用于裂紋在α相中傳播，γ相有機械阻礙作用的情況下。而對于裂紋在γ相中傳播，α相有機械作用的情況就不適合。因此，機理的解釋還有待進一步的完善。