電子探針測試脹裂失效不銹鋼換熱器管中的氮元素

趙同新, 王宜權, 崔會杰, 孫友寶, 黃濤宏

[島津企業管理(中國)有限公司 分析中心, 上海 200233]

超輕元素一直以來都是微束分析中的一個難點，其中最主要的一個原因是超輕元素的特征X射線能量較低、穿透性較差，被電子束入射源激發產生的特征X射線信號大部分被試樣基體吸收，少量從基體出射的信號需要被高靈敏度、大晶面間距的分光晶體分光后才能被特征X射線計數器檢測到[1]。隨著技術的發展和進步，現代的電子探針已經能夠很好地應對超輕元素的測試，只是測試過程中的注意事項相對其他元素要更多一些[2-7]。

奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，其組織由鐵素體+奧氏體構成，這類鋼增加了鉻元素的含量，或添加了其他鐵素體形成元素，兼有奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼的雙重特征。具有抗點蝕、抗晶間腐蝕、抗應力腐蝕以及較好的強度、韌性和焊接性能等特點，而且節約了鎳，可降低成本，應用范圍十分廣泛。自牌號2205雙相不銹鋼推出以來，由于氮元素的增加和碳元素的有效控制，成為第二代雙相不銹鋼的主要品種，廣泛應用于石油、天然氣、造紙、造船、化工、海洋平臺、能源熱交換器、淡水處理等使用環境對材料要求一定的耐壓和抗強腐蝕等苛刻條件下運行的設備和設施上。

某采用2205雙相不銹鋼制造的換熱器管件，在使用液壓脹管工藝實現管束和管板的連接時發生換熱管管壁脹裂現象。所用的換熱管為擠壓無縫鋼管，脹管工藝前已檢查，未發現裂紋。為了查明脹裂的原因，使用島津EPMA-1720型電子探針對此失效件進行分析。

1 試驗方法

由于換熱管斷口試樣沒有進行有效保護，宏觀斷口細節已不可辨。斷口打開后，僅觀察到少量韌窩。在脹裂失效不銹鋼管裂紋附近取樣，用樹脂進行冷鑲嵌。使用電子探針分析了裂紋附近位置的化學成分、顯微組織和元素面分布，同時與母材的組織和成分進行了對比研究。

采用島津EPMA-1720型電子探針顯微分析儀，加速電壓15 kV，定量測試束流20 nA，面分析束流100 nA，定量測試時間10 s。

由于元素氮屬于超輕元素，其微區定量分析難點有基體吸收嚴重、不同狀態下特征X射線峰位偏移、其他元素的高次線會在超輕元素峰位處形成疊加干擾等因素，在準確定量時尤為要注意。筆者進行氮的定量測試時為了獲得氮元素準確和清晰的分析結果，測試時注意了以下幾個操作[3-5]：①使用全聚焦和52.5°高特征X射線取出角可以獲得更高的超輕元素測試靈敏度；②使用專用的大晶面間距的分光晶體，此處使用LSA70；③實時使用在試樣上尋峰的方式確認元素的特征峰位，而不是使用標樣尋峰值或理論值，此處尋峰值為3.117 34 nm；④避開其他元素干擾，扣除合適背景值(右背景BG+為3.339 92 nm和左背景BG—為2.942 0 nm)；⑤需要打開脈沖高度分析儀(PHA)過濾高次線的干擾問題；⑥基體修正方法選擇針對超輕元素優化的修正模型ZAF4。

2 試驗結果與討論

首先使用島津PDA-7000型直讀光譜對此雙相不銹鋼的母體進行分析，結果見表1。可見其化學成分符合ASME SA789M—2017《一般用途無縫和焊接鐵素體/奧氏體不銹鋼管子》中對2205雙相不銹鋼的成分要求。

表1 換熱器管的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the heat exchanger tube (mass fraction) %

使用電子探針對脹裂區域附近位置進行微區分析，結果如圖1所示。顯微組織觀察結果顯示，裂紋附近為粗大奧氏體；而正常組織由鐵素體和奧氏體組成，在背散射圖像下，白色的為奧氏體，灰色的為鐵素體，兩相的比例接近1∶1。

圖1 換熱器管的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of the heat exchanger tube: a) expansion crack area; b) normal area

選取距離裂紋不同距離的5個位置測試(每兩點間隔50 μm)，其化學成分定量分析結果見表2。可見隨著所選區域遠離裂紋，氮元素含量逐漸遞減，在距離裂紋250 μm后的組織區域趨于基體成分含量，其他元素含量較為均勻。

表2 從裂紋附近到基體的化學成分定量分析結果(質量分數)Tab.2 Quantitative analysis results of chemical composition from near crack to matrix (mass fraction) %

為了更直觀地驗證裂紋附近處的氮元素的面分

布趨勢特征，對裂紋附近進行了面分析，分析結果如圖2所示。在裂紋附近，氮元素的含量更高，遠離裂紋區，氮含量呈梯度降低，直至基體位置趨近相同，不再波動。這種變化趨勢和上面定量測試結果吻合。

元素氮是2205雙相不銹鋼中的有益元素，雙相不銹鋼的強度和耐蝕性能因為氮元素的合金化作用而表現得更為顯著。氮可以擴大鋼的奧氏體相區，是一種很強的形成和穩定奧氏體元素，在一定限度內可代替部分昂貴的鎳[8]。

當雙相鋼中兩相的比例接近1…1時，材料具有最好的力學性能和耐腐蝕性能，因此控制兩相比例及組織的穩定是雙相不銹鋼生產中的關鍵。顯微組織不僅與合金成分和凝固條件有關，也會受到隨后的固態相變、熱處理工藝和加工過程的影響[9]。

不同合金元素對鐵素體和奧氏體的形成有著不同的作用。能夠穩定鐵素體、促進鐵素體形成的元素主要包括鉻、銅、硅、鈦、鈮、釩、鋁等。促進奧氏體形成的元素主要有鎳、錳、碳、氮、鈷等。

為了說明合金元素對不銹鋼中相比例及形成的作用，許多研究者進行了大量研究工作，以元素鉻鎳當量比來預測不銹鋼的顯微組織，最著名的是Schaeffler圖。其中，鉻當量EqCr和鎳當量EqNi計算公式如下

EqCr=wCr+wMo+1.5×wSi+0.5×

wNb+5×wV+3×wAl

(1)

EqNi=wNi+30×wC+30×wN+0.5×wMn

(2)

根據式(1)和式(2)計算得到，EqNi為11.8，EqCr為26.32，EqCr/EqNi為2.23。根據文獻[10]，可知2205雙相不銹鋼的凝固過程為：熔體先析出鐵素體，完全凝固時為全鐵素體，伴隨著降溫過程，在鐵素體的基體上通過固態相變，析出奧氏體，最終室溫組織為鐵素體和奧氏體雙相組織。固溶處理后，也是從體心結構的鐵素體基體相中，析出面心結構的奧氏體相，兩相的比例與加熱速度、保溫時間以及冷卻速率有關，熱加工過程也有很大的影響，正常情況下為50%(體積分數)鐵素體和50%(體積分數)奧氏體構成[11]。

從鎳當量計算公式可以看出，在雙相不銹鋼中氮元素是強烈的奧氏體穩定元素，其促進奧氏體的形成能力約是鎳的30倍，隨著氮含量的增加，鐵素體含量逐漸減小，奧氏體逐漸增加，且相對于雙相區中奧氏體的條狀細晶，靠近裂紋區的晶粒為較粗大的等軸晶[12]。由于此不銹鋼換熱管件局部氮的富集，導致此處出現了異常的組織分布，即晶粒粗大的奧氏體單相區在此處形成，粗大奧氏體的塑性和強度均較正常部位組織的低，使得不銹鋼管在加工過程中容易萌生微裂紋，最終出現脹管開裂的現象。

3 結論

使用電子探針對脹裂的雙相不銹鋼管件進行了微區的定量和元素面分析測試，在裂紋附近位置發現了局部的超輕元素氮的富集。氮元素可以擴大奧氏體區，穩定奧氏體相，是強烈的奧氏體形成元素。這種局部異常的單相粗大奧氏體組織的綜合力學性能均比正常組織的差，最終導致換熱器管發生脹裂。