塑性變形對奧氏體不銹鋼焊接接頭點腐蝕的影響

王慧娟

摘 要：奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，但是在氯離子環境中的點腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕一直未得到徹底解決，尤其是成形加工后的焊接接頭。本文對304和316L焊接接頭在不同塑性變形后的點腐蝕電位進行了實驗性研究，從而得出結論：奧氏體不銹鋼焊接接頭點腐蝕電位順序為熱影響區<焊縫<母材，即熱影響區是最薄弱位置。在9%塑性變形范圍內，隨著變形的增加，點腐蝕電位逐漸降低。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊接接頭;塑性變形;形變馬氏體;點腐蝕電位

一、問題的提出

奧氏體不銹鋼具有良好的塑性，因此常冷成型加工成杯狀、盤狀等餐具以及壓力容器封頭、膨脹節、波形補償器等，并且隨著變形的增大，塑性強度逐漸提高，利用其塑韌性好、耐低溫、變形強化的特性，可以制造應變強化低溫液體壓力容器內膽[1]。但是隨著塑性變形的增大，奧氏體會產生形變馬氏體[2]，從而其機械性能、耐腐蝕性發生變化[3]，并由此引發了多起壓力容器冷成型封頭開裂損傷[4][5]。奧氏體不銹鋼在氯離子環境中的應力腐蝕和晶間腐蝕研究已經比較豐富，并且曾有部分學者做過馬氏體相變對304不銹鋼點蝕影響的研究[6]，但是尚未發現與焊接接頭有關馬氏體相變對點蝕影響的研究。

二、實驗試件制備

使用6mm厚的304和316L材料采用氬弧焊打底、焊條焊蓋面的方法焊接試件，焊接時通過預變形手段，控制焊后試板的平直。焊后采用線切割并機加工成符合《金屬材料拉伸試驗》（GB/T 228）寬度為20mm的標準矩形拉伸試樣，然后在拉伸機上常溫拉伸，采用引伸計標記段內的平均應變控制拉伸終點，制作出塑性應變后的拉伸試件。用線切割、機加工和研磨加工出符合《不銹鋼點蝕電位測量方法》（GB/T 17899）的實驗試樣，每種應變率加工出母材、熱影響區和焊縫各3個平行試樣，其中熱影響區制作成5mm×20mm尺寸，母材和焊縫制作成10mm×10mm尺寸，按照標準要求制作引線、絕緣，并鈍化、去鈍化。

考慮到低溫液體壓力容器內膽應變強化標準規定的最大平均應變要求控制在9%或10%以內[1][8]，塑性應變率選擇0、3%、6%、9%。

三、實驗方法

按照《不銹鋼點蝕電位測量方法》（GB/T 17899）進行實驗，實驗采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑，采用3.5%氯化鈉溶液，實驗溫度為30℃±1℃，驗開始前向溶液中通入N2進行預除氧，時間為30分鐘，實驗過程中保持通氣速度約0.25L/min。以陽極極化曲線上對應于100μA/cm2的電位作為點蝕電位。

四、實驗結果

取3個平行試樣的算術平均值，304材料隨塑性變形的點蝕點位測試結果如表1所示，316L材料隨塑性變形的點蝕點位測試結果如表2所示。

五、結果分析

對照表1和表2的數據，兩種材料點蝕電位隨變形量的變化趨勢。

從以上數據對比和變化趨勢可以看出：

（1）焊接接頭點腐蝕電位由高到低的順序為：母材、焊縫、熱影響區，說明熱影響區的點腐蝕敏感性最高。

（2）母材、焊縫和熱影響區點蝕電位均隨著變形量增加而降低，其中熱影響區的降低幅度最大，316L點蝕電位降低的幅度低于304。

（3）304的點腐蝕電位低于316L電位。

奧氏體不銹鋼在常溫下處于亞穩態，隨著變形量在一定范圍內的增加，形變誘導馬氏體相的含量逐漸增多，馬氏體相的存在增強了材料的電化學活性，既減小了點蝕發展過程中鈍化膜孔隙內的歐姆電阻，又減小了孔隙內的反應極化電阻，從而促進了點蝕發展，點蝕優先在馬氏體/奧氏體的相界上形核，鉬、鎳、氮、碳等是降低形變馬氏體的元素[3][7]，這是316L點腐蝕電位高于304的重要因素。

六、結論

鑒于變形會降低奧氏體不銹鋼抗點腐蝕性能，因此對制造過程中產生較大變形的部位，如冷成型封頭直邊段和過渡段、應變強化容器的中間筒節和接管部位，尤其是其焊縫熱影響區部位，應加強酸洗鈍化，并進行拋光，以減少點腐蝕源。對腐蝕敏感環境應采用316L或其他抗環境損傷性能更好的材料。

參考文獻

[1]丁寶峰，吳蔭順，Abubakir等. AISI304奧氏體不銹鋼的形變誘發馬氏體相變及其電化學行為的研究——腐蝕科學與防腐蝕工程技術新進展[M].北京：化學工業出版社，1999，193–197.

[2]方智，吳蔭順，張琳等.形變誘發馬氏體相變對304不銹鋼在活化狀態下電化學行為的影響[J].腐蝕科學與防護技術，1997，9（l）：75–78.

[3]胡鋼，許淳淳，張新生.馬氏體相變對304不銹鋼點蝕發展過程的影響[J].腐蝕與防護，2004，12：507–509，512.

[4]楊卓越，王建，陳嘉硯. 304 奧氏體不銹鋼熱誘發馬氏體相變研究[J].材料熱處理學報，2008，1，98–101.

[5]翟金輝，鮑彬彬等.壓力容器用304 不銹鋼封頭直邊段開裂失效分析[J].壓力容器，2011，12：54–58.

[6]中國國家標準化管理委員會. GB/T18442.7–2017固定式真空絕熱深冷壓力容器（第7部分）——內容器應變強化技術規定[S].中國標準化出版社，2017（第一版）.

[7]朱曉東，艾志斌，李蓉蓉. 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼封頭失效分析[J].壓力容器，2004，6：38–41，31.

[8] The European standard， BS EN 13458–2–2002 Cryogenic vessels Static vacuum insulated vessels Part 2： Design， fabrication， inspection and testing， Annex C （informative） Pressure strengthening of vessels from austenitic stainless steels[S]， 2002.