奧氏體不銹鋼中馬氏體含量的相關(guān)無損檢測方法

李 萌，胡 斌

（1.宜昌長機(jī)科技有限責(zé)任公司，宜昌 443000；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

由于奧氏體不銹鋼的使用環(huán)境惡劣（含氯、堿、酸及高溫環(huán)境等），再加上制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及使用過程中的不合理工藝等原因，導(dǎo)致該鋼種發(fā)生腐蝕失效的頻率極高。在所有設(shè)備發(fā)生的腐蝕事故中，奧氏體不銹鋼的腐蝕占整個腐蝕事故的48%～58%［1］。

奧氏體不銹鋼由于在加工制造過程中要經(jīng)過冷軋、冷拔、冷彎、平整及矯正等冷加工工藝以及采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)［2］，會使材料發(fā)生變形，致使部分奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，即形變誘發(fā)馬氏體相變［3］。

大量研究［4－6］表明，奧氏體不銹鋼的耐蝕性與馬氏體含量有密切關(guān)系。文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步指出，當(dāng)馬氏體相含量小于6%或大于22%時，材料的耐蝕性隨馬氏體相含量的增加而降低；馬氏體相含量在6%～22%之間時，材料的耐蝕性又隨馬氏體相含量的增加而提高。因此，將加工制造及服役中的奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相含量控制在合理范圍內(nèi)，能夠防止奧氏體不銹鋼的腐蝕失效事故發(fā)生。

1 奧氏體不銹鋼的腐蝕失效

除機(jī)械失效外，奧氏體不銹鋼最主要的失效形式為腐蝕失效［8］，國內(nèi)外的腐蝕失效事故統(tǒng)計表明，腐蝕失效事故80%～90%為局部腐蝕失效，均勻腐蝕失效所占的比例較小［9］。眾所周知，局部腐蝕的危害性比均勻腐蝕大得多，局部腐蝕常常是突發(fā)性的，后果更為嚴(yán)重。

奧氏體不銹鋼的局部腐蝕類型主要為應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕及腐蝕疲勞開裂等四種。

1.1 奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕斷裂是金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。統(tǒng)計資料表明，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂在所有材料的應(yīng)力腐蝕開裂事故中占70%［1］。應(yīng)力腐蝕開裂速度快，破壞嚴(yán)重，往往在沒有產(chǎn)生任何明顯的宏觀變形、不出現(xiàn)任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆性斷裂，造成災(zāi)難性的事故。

1.2 奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕（又稱孔蝕）是介質(zhì)中的金屬材料大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但表面上個別的點(diǎn)或微小區(qū)域出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，并不斷向縱深方向發(fā)展，形成小孔狀腐蝕坑的現(xiàn)象。金屬點(diǎn)蝕多半是在含氯離子的介質(zhì)中發(fā)生，當(dāng)Cl－吸附在不銹鋼鈍化膜的薄弱位置上并取代了O2時，金屬的鈍態(tài)就會受到破壞，鈍化膜中的Fe2＋、Cr3＋就加快逸出，形成點(diǎn)蝕孔，在石油、化工的腐蝕失效類型統(tǒng)計中，點(diǎn)蝕約占20%～25%。點(diǎn)蝕會使晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等加劇，在很多情況下點(diǎn)蝕是這些腐蝕類型的起源。

1.3 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕

晶間腐蝕是發(fā)生在晶界的一種腐蝕形式，即金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中，沿著材料的晶界或晶界附近發(fā)生腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種局部破壞的腐蝕現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計晶間腐蝕約占腐蝕失效的10%左右［10］。奧氏體不銹鋼在受到敏化處理時，C和Cr形成碳化物，其主要為（Cr，F(xiàn)e）23C6型。在晶界析出，導(dǎo)致晶界兩側(cè)形成貧Cr區(qū)，在特定的腐蝕環(huán)境中易發(fā)生晶間腐蝕［11］。

2 馬氏體的無損檢測方法

工程中普遍使用鐵素體儀來檢測不銹鋼中的馬氏體含量，雖然應(yīng)用普遍，但只能測量一個點(diǎn)的鐵素體含量，而且檢測速度慢、精度低，達(dá)不到快速準(zhǔn)確檢測的目的，而且會造成二次污染。

為實現(xiàn)對馬氏體含量快速準(zhǔn)確的檢測，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種無損檢測方法?；驹硎牵焊鶕?jù)奧氏體不銹鋼馬氏體相變過程導(dǎo)致的磁特性的變化，采用測量渦流阻抗、磁導(dǎo)率及剩余磁場等電磁檢測方法測定馬氏體含量。

2.1 磁方法無損檢測馬氏體

奧氏體不銹鋼因呈現(xiàn)順磁特性而表現(xiàn)為無磁性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對奧氏體不銹鋼的磁特性轉(zhuǎn)變做了大量研究。

MITRA等［12］研究了304奧氏體不銹鋼形變誘發(fā)馬氏體相變過程中的鐵磁特性，試驗結(jié)果如圖1所示，剩余磁場隨馬氏體含量增加而呈線性增加，矯頑力隨馬氏體含量增加而增加，最后達(dá)到飽和，而TAVARES等［13］的試驗結(jié)果卻表明，當(dāng)馬氏體含量更高時，矯頑力隨馬氏體含量增加而降低，如圖2所示，因此MIRTA認(rèn)為馬氏體含量較高和較低的情況下，奧氏體不銹鋼的鐵磁性機(jī)制不同。

圖1 剩余磁場和矯頑力隨馬氏體含量變化關(guān)系

圖2 奧氏體不銹鋼矯頑力與形變量的關(guān)系

DING［14］等研究了低于奈爾溫度下馬氏體相變與奧氏體不銹鋼的磁性之間的關(guān)系，矯頑力和剩磁隨馬氏體含量增加而增加，但隨著馬氏體相增加其增加速度降低，主要是因為增加的馬氏體降低了奧氏體馬氏體界面的交換耦合作用，如圖3所示。

YIN［15］研究了奧氏體不銹鋼的磁導(dǎo)率與馬氏體相含量關(guān)系，其仿真和實測結(jié)果如圖4所示，隨著鐵磁相含量的增加而增加，且開始增加緩慢，達(dá)到一定程度后急劇增加。

圖3 4.2K溫度下與矯頑力、剩磁與冷卻磁場的關(guān)系

圖4 磁導(dǎo)率與馬氏體含量函數(shù)關(guān)系

PARK［16］等采用射頻高溫超導(dǎo)量子干涉儀研究304奧氏體不銹鋼塑性變形過程中的磁性變化，室溫下304奧氏體不銹鋼的磁矩隨著形變量增加會有一個突變，而隨著溫度升高，磁矩隨應(yīng)變量增加上升緩慢，他們認(rèn)為奧氏體不銹鋼的磁性變化是因為原子晶格應(yīng)變和生成了馬氏體，而在高溫下磁性消失是因為退火導(dǎo)致應(yīng)力的消除。

TAVARES［13］等研究了301LN奧氏體不銹鋼的飽和磁化強(qiáng)度隨應(yīng)變增加的變化情況，其飽和磁化隨形變量增加開始增加較快，隨后逐漸減慢，達(dá)到一個飽和值157Am2／kg，如圖5所示。

綜上所述，形變誘發(fā)馬氏體相具有鐵磁性，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的磁特性發(fā)生改變，且各項磁特性參數(shù)與馬氏體相的含量有密切關(guān)系，因此，利用奧氏體不銹鋼磁特性的改變來檢測其馬氏體相含量及分布具有一定的可行性。

圖5 奧氏體不銹鋼飽和磁化強(qiáng)度與形變量關(guān)系

2.1.1 渦流阻抗表征馬氏體

渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種無損檢測方法，渦流的分布和大小，除與線圈的形狀和尺寸、交流電流的大小和頻率等有關(guān)外，還取決于試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀和尺寸、與線圈的距離以及表面有無裂紋缺陷等。

對于奧氏體不銹鋼，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率變化，因此當(dāng)其他因素如線圈形狀、激發(fā)頻率及間隔等保持不變時，渦流阻抗的變化可歸因于奧氏體的變化。

KHAN［17］利用渦流阻抗研究過冷軋過程中的奧氏體變化，發(fā)現(xiàn)渦流對晶粒尺寸、殘余應(yīng)力及硬度不敏感。圖6（a）為304奧氏體不銹鋼冷軋過程中的渦流的變化，渦流隨著奧氏體含量降低而線性減小，圖6（b）為阻抗相位角與渦流的關(guān)系，其變化規(guī)律與圖6（a）一致。

圖6 渦流與奧氏體含量、阻抗相位角與渦流關(guān)系圖

GROSSE M等［18］利用XRD（X射線衍射）、中子衍射及渦流阻抗對奧氏體不銹鋼低周疲勞過程中的微觀組織變化進(jìn)行研究，運(yùn)用渦流阻抗來描述材料的變化結(jié)果，其中馬氏體的含量及分布與渦流信號變化一致，而且當(dāng)馬氏體含量較低（最低可達(dá)3.1%）的時候該方法也是有效的。

但是渦流阻抗表征的是馬氏體含量的相對值，并不能確定馬氏體含量，因此只能用于對馬氏體含量變化的檢測，若要準(zhǔn)確定量馬氏體含量，還需借助其他手段。

2.1.2 磁導(dǎo)率表征馬氏體

磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量，磁導(dǎo)率μ等于磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之比，即μ＝B／H。發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變的奧氏體不銹鋼中有奧氏體和馬氏體兩相組織，對于順磁性奧氏體其相對磁導(dǎo)率μr＞1，但與1相差無幾；而對于鐵磁質(zhì)馬氏體中，B與H的關(guān)系是非線性的磁滯回線，μr不是常量，與H有關(guān)，其數(shù)值遠(yuǎn)大于1。

YIN等［15］提出利用多頻電磁探頭來表征奧氏體和鐵素體相的百分含量，利用有限元仿真建立了磁導(dǎo)率與鐵磁相含量間的關(guān)系，研究表明虛擬電感的最高頻率值可以用來區(qū)別所有鐵素體百分比范圍，利用此方法測得的鐵素體含量與實際鐵素體含量相比誤差小于8%。

HAO［19］等進(jìn)一步對雙相鋼微觀結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)進(jìn)行模擬，研究發(fā)現(xiàn)利用多頻率方法，空心和鐵芯傳感器探頭均可以測0%～100%范圍的鐵素體含量，有效磁導(dǎo)率與鐵素體的形態(tài)及分布有關(guān)，如圖7所示。馬氏體含量低時，有效磁導(dǎo)率與鐵素體縱橫比成線性關(guān)系增加，當(dāng)鐵素體含量高時有效磁導(dǎo)率快速增加，趨于飽和。但分析和數(shù)值模型表明退磁是影響傳感器輸出磁導(dǎo)率的重要因素，因此該方法需要進(jìn)一步完善。

2.1.3 巴克豪森噪聲表征馬氏體

巴克豪森噪聲對材料的微觀組織變化十分敏感，VINCENT等［20］對奧氏體不銹鋼低周疲勞過程中的巴克豪森噪聲進(jìn)行研究，從理論上證明巴克豪森噪聲可以表征奧氏體不銹鋼中的馬氏體含量的變化情況。

MESZAROSA等［21］利用巴克豪森噪聲和一種測量鐵素體的設(shè)備對奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變進(jìn)行了測量，得到馬氏體含量與巴克豪森信號有很好的相關(guān)性，如圖8所示。

圖7 頻率峰值與鐵素體含量關(guān)系

圖8 馬氏體含量與巴克豪森噪聲關(guān)系曲線（47.8%形變量不同的處理溫度條件下）

KLEBER［22］等利用巴克豪森噪聲對304L奧氏體不銹鋼噴丸處理進(jìn)行研究，噴丸過程中巴克豪森信號增加是殘余應(yīng)力和馬氏體共同作用的結(jié)果，由于對應(yīng)力十分敏感，因此巴克豪森結(jié)合另一種無損檢測手段可以確定奧氏體不銹鋼中的馬氏體含量?？梢姲涂撕郎肼暉o法獨(dú)立測量馬氏體。

2.1.4 其它磁方法表征馬氏體

與磁滯回線相關(guān)的矯頑力也常用于檢測形變誘發(fā)的馬氏體含量。矯頑力與α′馬氏體的晶粒大小、形狀及分布有關(guān)。

O′SULLIVAN［23］等指出用矯頑力描述α′馬氏體導(dǎo)致的加工硬化比巴克豪森噪聲更靈敏。VE’RTESY G［24］等通過對冷軋304奧氏體不銹鋼的研究發(fā)現(xiàn)，矯頑力和剩余磁場與材料結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)性良好，而且可以準(zhǔn)確的從小磁滯回線中獲得，提出電磁適應(yīng)性測試（MAT）方法對冷軋奧氏體不銹鋼中的馬氏體進(jìn)行測量，該方法非常適合描述材料結(jié)構(gòu)的變化，然而由于試樣并未達(dá)到飽和磁化以及磁路不均勻，該方法不能給出特定的磁參數(shù)來描述馬氏體含量，只能對材料的馬氏體含量相對變化進(jìn)行測量。

NIFFENEGGER等［25］提出渦流阻抗、磁導(dǎo)率或者剩余磁場對少量的馬氏體含量的變化并不敏感，通過測量發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)量子干涉儀中的AC模式能檢測到少量的馬氏體變化，認(rèn)為運(yùn)用小磁滯回線理論評價奧氏體不銹鋼的疲勞具有非常大的前景。

NAGENDRA等［26］利用超導(dǎo)量子干涉儀對應(yīng)變誘發(fā)馬氏體進(jìn)行了研究，該方法可以精確的測量馬氏體含量，但是該套設(shè)備不方便移動和攜帶，很顯然無法應(yīng)用于現(xiàn)場和在線監(jiān)測。

RADU等［27］提出了一種快速精確的磁性原位監(jiān)測馬氏體含量的方法，將試驗測得的結(jié)果與中子衍射法測得的馬氏體含量進(jìn)行對比，具有較好的一致性，雖然該方法快速精確，但該方法需要在試樣表面纏繞線圈，只適于塑性變形中馬氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)、奧氏體的穩(wěn)定性等實驗室研究，無法應(yīng)用于現(xiàn)場監(jiān)測。

NOVOTNY等［28］提出利用磁性光學(xué)顯微方法將奧氏體不銹鋼形變區(qū)表面的磁性相顯示出來，馬氏體相的含量可以利用矯頑力來定量。但是該方法要求材料表面光滑且受到磁疇周期的限制，很顯然達(dá)不到快速檢測的要求。

胡鋼［29］等研究了304奧氏體不銹鋼拉伸過程中馬氏體相含量和磁信號分布，結(jié)果表明，奧氏體304不銹鋼發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變后，試樣表面的磁場強(qiáng)度分布特征與馬氏體相分布規(guī)律之間具有明顯的對應(yīng)關(guān)系。與其他磁性方法相比，由于金屬磁記憶檢測不需要對被檢測工件做任何處理，不需要對被檢測工件專門充磁；檢測速度快，測量準(zhǔn)確，具有獨(dú)特的優(yōu)勢，然而此方法在機(jī)理及測量精確性上仍需進(jìn)一步研究。

2.2 聲發(fā)射法表征馬氏體

除了磁方法檢測應(yīng)變誘發(fā)馬氏體含量外，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)也報道了利用聲發(fā)射特性的無損檢測方法。

聲發(fā)射特性被證明與304奧氏體不銹鋼形變產(chǎn)生的馬氏體含量相關(guān)性良好，這種技術(shù)甚至可以檢測已經(jīng)存在的馬氏體相［30－32］。最近，SHAIRA等人［33］指出通過K均值的方法對聲發(fā)射信號進(jìn)行分類的可能性，他們將聲發(fā)射信號分為其分別與位錯運(yùn)動、裂紋擴(kuò)展及馬氏體相變關(guān)系的三類信號，馬氏體相變信號如圖9所示。他們的研究結(jié)果表明奧氏體不銹鋼中的聲發(fā)射信號是由馬氏體相變產(chǎn)生的。但該方法并未對馬氏體進(jìn)行定量，只能測定馬氏體含量變化的趨勢。

圖9 馬氏體聲發(fā)射能量與馬氏體相含量關(guān)系

3 結(jié)語

磁方法評價奧氏體不銹鋼的馬氏體相變具有充分的理論基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的無損檢測馬氏體方法均不能滿足快速準(zhǔn)確或獨(dú)立測量馬氏體含量的要求。因此，必須對現(xiàn)有無損檢測方法進(jìn)行改進(jìn)或發(fā)展一種新的無損檢測方法，用于監(jiān)測制造和服役中的奧氏體不銹鋼設(shè)備中的馬氏體含量，預(yù)判其腐蝕傾向，減少其腐蝕失效事故。

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