316不銹鋼護(hù)欄腐蝕失效分析

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院, 深圳 518029)

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

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1為腐蝕失效的316不銹鋼護(hù)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(cè)表面和B側(cè)表面的宏觀形貌，可見腐蝕集中在靠近護(hù)欄兩側(cè)面的邊緣位置，呈條帶狀分布，寬約5 mm；側(cè)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(hù)欄橫截面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cross section of the failure guardrail

1.2 化學(xué)成分分析

在失效護(hù)欄側(cè)面(帶凹槽)和平直表面上分別截取試樣，經(jīng)清洗、干燥、打磨后，采用臺(tái)式直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢娮o(hù)欄的化學(xué)成分均符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》對(duì)316不銹鋼的成分要求。

圖2 護(hù)欄A側(cè)表面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of A side surface of guardrail

圖3 護(hù)欄B側(cè)表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of B side surface of guardrail

表1 失效護(hù)欄的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the failure guardrail (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

分別截取失效護(hù)欄橫截面和側(cè)表面(含腐蝕區(qū)域)試樣，試樣形貌如圖4所示?？梢娮o(hù)欄側(cè)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?qū)挾扰c焊縫寬度相當(dāng)。經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用體積比為3∶1∶1的HCl+HNO3+甘油混合液進(jìn)行浸蝕，采用金相顯微鏡觀察其顯微組織形貌。

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

失效護(hù)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(nèi)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(hù)欄腐蝕部位試樣，經(jīng)干燥后置于掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)儀下進(jìn)行分析，如圖9所示。可見腐蝕產(chǎn)物中主要含有氧、鐵、碳、氯等元素，其中氧元素含量最高，遠(yuǎn)高于氯元素含量。

圖9 腐蝕產(chǎn)物EDS分析位置和EDS分析結(jié)果Fig.9 EDS analysis a) position and b) results of corrosion products

將金相試樣置于SEM下進(jìn)行觀察，并進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見圖10和表2。由表2可知，焊縫區(qū)的化學(xué)成分與兩側(cè)母材的化學(xué)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(xué)成分分析結(jié)果可知，護(hù)欄帶凹槽側(cè)面及平直表面母材化學(xué)成分均符合GB/T 20878—2007對(duì)316不銹鋼的成分要求。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)生腐蝕的“工”字形護(hù)欄采用角焊接方式焊接而成，焊縫位于帶凹槽側(cè)面與平直表面連接處。焊縫寬約5 mm。結(jié)合宏觀檢測(cè)結(jié)果可知，腐蝕基本發(fā)生在焊縫熔敷金屬表面，腐蝕區(qū)域?qū)捈s5 mm，與焊縫寬度相當(dāng)。護(hù)欄母材顯微組織為奧氏體，奧氏體晶粒內(nèi)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(yīng)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(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of metallographic sample (mass fraction) %

由SEM及EDS結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)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(yuǎn)高于氯元素含量。同時(shí)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(yuǎn)高于母材，表明熔敷金屬化學(xué)成分與母材存在較大的差異。

腐蝕產(chǎn)物主要呈現(xiàn)黃(紅)褐色，且氧元素含量最高，說明護(hù)欄在熔敷金屬表面發(fā)生了氧腐蝕，屬于電化學(xué)腐蝕[5]。焊縫顯微組織中存在柱狀晶，存在成分偏析，同時(shí)焊縫區(qū)化學(xué)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(shí)在焊接后，焊縫處存在一定的焊接殘余應(yīng)力。由于護(hù)欄安裝位置臨近海邊，空氣濕度較大，并含有微量鹽分，護(hù)欄在焊縫熔敷金屬區(qū)域發(fā)生電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕，在該兩種腐蝕的綜合作用下該316不銹鋼護(hù)欄腐蝕失效。

3 結(jié)論及建議

護(hù)欄焊縫區(qū)與母材化學(xué)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(yīng)力。且安裝位置臨近海邊，空氣濕度大，該護(hù)欄在焊縫熔敷金屬區(qū)域發(fā)生電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕，在該兩種腐蝕的綜合作用下最終造成護(hù)欄腐蝕失效。

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