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(huán)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(qū)<焊縫<母材，即熱影響區(qū)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(jié)、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(fā)生變化[3]，并由此引發(fā)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(huán)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(fā)現(xiàn)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(qū)和焊縫各3個平行試樣，其中熱影響區(qū)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(guī)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(shù)據，兩種材料點蝕電位隨變形量的變化趨勢。

從以上數(shù)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(qū)，說明熱影響區(qū)的點腐蝕敏感性最高。

（2）母材、焊縫和熱影響區(qū)點蝕電位均隨著變形量增加而降低，其中熱影響區(qū)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(wěn)態(tài)，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(fā)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(fā)展，點蝕優(yōu)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(jié)和接管部位，尤其是其焊縫熱影響區(qū)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(huán)境應采用316L或其他抗環(huán)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(fā)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(yè)出版社，1999，193–197.

[2]方智，吳蔭順，張琳等.形變誘發(fā)馬氏體相變對304不銹鋼在活化狀態(tài)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(fā)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(fā)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(guī)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.