316不銹鋼護欄腐蝕失效分析

(深圳市特種設備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

不銹鋼護欄以其耐腐蝕性和美觀性逐步應用于橋梁護欄、道路護欄、工廠護欄及庭院護欄上[1]。某臨近海邊小區(qū)的316不銹鋼護欄安裝完約兩個月后即出現腐蝕失效，為查明腐蝕失效原因，筆者對該316不銹鋼護欄進行了失效分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1為腐蝕失效的316不銹鋼護欄橫截面形貌，可見其橫截面呈“工”字形，壁厚約4 mm。圖2和圖3分別為圖1中A側表面和B側表面的宏觀形貌，可見腐蝕集中在靠近護欄兩側面的邊緣位置，呈條帶狀分布，寬約5 mm；側面中間部位未見腐蝕痕跡。肉眼下，腐蝕區(qū)域中心位置呈黑色，腐蝕區(qū)域外圍為黃(紅)褐色。

圖1 失效護欄橫截面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cross section of the failure guardrail

1.2 化學成分分析

在失效護欄側面(帶凹槽)和平直表面上分別截取試樣，經清洗、干燥、打磨后，采用臺式直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。可見護欄的化學成分均符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》對316不銹鋼的成分要求。

圖2 護欄A側表面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of A side surface of guardrail

圖3 護欄B側表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of B side surface of guardrail

表1 失效護欄的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the failure guardrail (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別截取失效護欄橫截面和側表面(含腐蝕區(qū)域)試樣，試樣形貌如圖4所示。可見護欄側面與上、下表面采用焊接方式連接，焊縫寬約5 mm。腐蝕大致發(fā)生在熔敷金屬表面，腐蝕區(qū)域寬度與焊縫寬度相當。經鑲嵌、打磨、拋光后，用體積比為3∶1∶1的HCl+HNO3+甘油混合液進行浸蝕，采用金相顯微鏡觀察其顯微組織形貌。

圖4 失效護欄的金相試樣形貌Fig.4 Morphology of metallographic samples of the failure guardrail

失效護欄的顯微組織形貌如圖5～圖8所示，可見母材1和母材2的顯微組織均為奧氏體，奧氏體晶內存在孿晶[2]，奧氏體晶粒大小不均，如圖5和圖6所示。焊縫區(qū)顯微組織為柱狀晶+碳化物[3]，如圖7和圖8所示。

圖5 母材1的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of base material 1

圖6 母材2的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of base material 2

圖7 焊縫顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of weld seam

圖8 焊縫橫截面顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of cross section of weld seam

1.4 掃描電鏡及能譜分析

截取護欄腐蝕部位試樣，經干燥后置于掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)儀下進行分析，如圖9所示。可見腐蝕產物中主要含有氧、鐵、碳、氯等元素，其中氧元素含量最高，遠高于氯元素含量。

圖9 腐蝕產物EDS分析位置和EDS分析結果Fig.9 EDS analysis a) position and b) results of corrosion products

將金相試樣置于SEM下進行觀察，并進行EDS分析，結果見圖10和表2。由表2可知，焊縫區(qū)的化學成分與兩側母材的化學成分差別較大。焊縫區(qū)鉻、鎳元素含量均低于母材，但錳元素含量高于母材。

圖10 金相試樣的EDS分析位置示意圖Fig.10 Diagram of EDS analysis positions of metallographic sample

2 分析與討論

由化學成分分析結果可知，護欄帶凹槽側面及平直表面母材化學成分均符合GB/T 20878—2007對316不銹鋼的成分要求。

由金相檢驗結果可知，發(fā)生腐蝕的“工”字形護欄采用角焊接方式焊接而成，焊縫位于帶凹槽側面與平直表面連接處。焊縫寬約5 mm。結合宏觀檢測結果可知，腐蝕基本發(fā)生在焊縫熔敷金屬表面，腐蝕區(qū)域寬約5 mm，與焊縫寬度相當。護欄母材顯微組織為奧氏體，奧氏體晶粒內存在孿晶，且奧氏體晶粒尺寸大小不均勻，表明不銹鋼母材冷加工殘余應力較大[4]。焊縫區(qū)域顯微組織為柱狀晶+碳化物。

表2 金相試樣的EDS分析結果(質量分數)Tab.2 EDS analysis results of metallographic sample (mass fraction) %

由SEM及EDS結果可知，腐蝕產物中主要含有氧、鐵、碳、氯等元素，氧元素含量最高，氧元素含量遠高于氯元素含量。同時焊縫及兩邊的母材區(qū)域中，焊縫區(qū)鉻、鎳元素含量低于母材，但錳元素含量遠高于母材，表明熔敷金屬化學成分與母材存在較大的差異。

腐蝕產物主要呈現黃(紅)褐色，且氧元素含量最高，說明護欄在熔敷金屬表面發(fā)生了氧腐蝕，屬于電化學腐蝕[5]。焊縫顯微組織中存在柱狀晶，存在成分偏析，同時焊縫區(qū)化學成分與母材存在明顯差異，造成兩者之間存在較大的電極電位差。同時在焊接后，焊縫處存在一定的焊接殘余應力。由于護欄安裝位置臨近海邊，空氣濕度較大，并含有微量鹽分，護欄在焊縫熔敷金屬區(qū)域發(fā)生電化學腐蝕和應力腐蝕，在該兩種腐蝕的綜合作用下該316不銹鋼護欄腐蝕失效。

3 結論及建議

護欄焊縫區(qū)與母材化學成分存在明顯差異，使

得兩者之間存在較大的電極電位差，焊縫處存在一定的焊接殘余應力。且安裝位置臨近海邊，空氣濕度大，該護欄在焊縫熔敷金屬區(qū)域發(fā)生電化學腐蝕和應力腐蝕，在該兩種腐蝕的綜合作用下最終造成護欄腐蝕失效。

建議采用合適的焊條對316不銹鋼進行焊接，以獲得最佳的耐腐蝕性能，同時316不銹鋼焊后宜進行退火處理。