304奧氏體不銹鋼管焊接接頭開(kāi)裂原因

曹龍韜, 龔蘭芳, 陳智江

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司, 株洲 412001)

在常溫下奧氏體不銹鋼的顯微組織為穩(wěn)定的奧氏體組織，整體無(wú)磁性，具有高韌性、高塑性和良好的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于核電站設(shè)備、管道及支撐結(jié)構(gòu)中[1]。與其他類(lèi)型的不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼不發(fā)生相變，對(duì)氫不敏感，更容易焊接，且焊接接頭在焊態(tài)下有較好的塑性和韌性。焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能直接影響整個(gè)焊接件的力學(xué)性能，但奧氏體不銹鋼的焊縫處容易產(chǎn)生熱裂紋和晶間腐蝕[2-4]。

晶間腐蝕是一種沿金屬晶粒間分界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕，產(chǎn)生的原因主要是晶粒表面的化學(xué)成分和內(nèi)部的有差異，以及存在晶界雜質(zhì)或內(nèi)應(yīng)力。晶間腐蝕會(huì)降低晶粒間的結(jié)合力，進(jìn)而大幅度降低金屬的強(qiáng)度，而發(fā)生晶間腐蝕材料的外表面幾乎不發(fā)生任何變化。由于晶粒間的結(jié)合力顯著降低，使材料的力學(xué)性能降低，若受到內(nèi)、外應(yīng)力作用，輕者稍經(jīng)彎曲便可產(chǎn)生裂紋，重者敲擊即可碎成粉末，所以晶間腐蝕是不銹鋼最危險(xiǎn)的一種破壞形式。此外，晶間腐蝕不易被檢測(cè)出來(lái)，給設(shè)備的使用帶來(lái)安全隱患，危險(xiǎn)性極大[5-7]。

某開(kāi)裂304不銹鋼管為自來(lái)水進(jìn)水管，管內(nèi)水溫為常溫，在室外大氣環(huán)境下使用，管徑φ20 mm，壁厚3 mm，管采用非熔化極惰性氣體保護(hù)(TIG)焊進(jìn)行焊接，為找到該不銹鋼管焊接接頭的開(kāi)裂原因，筆者從化學(xué)成分、斷口形貌和顯微組織等方面進(jìn)行了分析，并提出了具有針對(duì)性的改進(jìn)措施，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供幫助。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

對(duì)開(kāi)裂不銹鋼管接頭進(jìn)行觀察，其宏觀形貌如圖1所示，將靠近連接閥門(mén)的一側(cè)不銹鋼管標(biāo)記為1，將另一側(cè)不銹鋼管標(biāo)記為2，開(kāi)裂位置如圖1圈出所示?？梢?jiàn)開(kāi)裂位置在不銹鋼管1一側(cè)，靠近焊縫熱影響區(qū)。

圖1 開(kāi)裂不銹鋼管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked stainless steel pipe

不銹鋼管1側(cè)斷口宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)斷口粗糙且銹蝕嚴(yán)重，無(wú)明顯塑性變形，整體呈脆性斷裂特征。

圖2 不銹鋼管1側(cè)斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture on the side ofstainless steel pipe 1

1.2 掃描電鏡及能譜分析

將不銹鋼管1側(cè)斷口經(jīng)超聲波清洗后置于EVO MA10型鎢燈絲掃描電鏡(SEM)下觀察，其SEM形貌如圖3和圖4所示，可見(jiàn)斷口大部分區(qū)域呈冰糖狀沿晶斷裂形貌，且晶粒表面有大量的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物。

圖3 不銹鋼管1側(cè)的斷口沿晶斷裂形貌Fig.3 Intergranular fracture morphology of fracture onthe side of stainless steel pipe 1

圖4 不銹鋼管1側(cè)斷口的腐蝕產(chǎn)物形貌Fig.4 Corrosion product morphology of stainless steelpipe 1 side fracture

分別對(duì)不銹鋼管1側(cè)斷口的管內(nèi)側(cè)和外側(cè)進(jìn)行觀察，SEM形貌如圖5和圖6所示，可見(jiàn)管內(nèi)側(cè)腐蝕產(chǎn)物數(shù)量更多，腐蝕程度更嚴(yán)重，因此判斷腐蝕是從管內(nèi)側(cè)開(kāi)始的。

圖5 不銹鋼管1側(cè)斷口管內(nèi)側(cè)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of inner side of stainlesssteel pipe 1 side fracture

圖6 不銹鋼管1側(cè)斷口管外側(cè)SEM形貌Fig.6 SEM morphology of outer side of stainlesssteel pipe 1 side fracture

用X射線能譜儀對(duì)不銹鋼管1側(cè)斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析，晶粒上的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)主要含鐵、氧、碳等元素。

表1 不銹鋼管1側(cè)斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Energy spectrum analysis results of corrosion productof stainless steel pipe 1 side fracture (mass fraction) %

1.3 化學(xué)成分分析

在不銹鋼管1和2上分別取樣，采用SPECTROLAB型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示?？芍讳P鋼管1的化學(xué)成分不符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》對(duì)304不銹鋼的技術(shù)要求，碳和錳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，鎳和鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，不銹鋼管2的化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，僅鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。

表2 不銹鋼管1和2的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of stainless steelpipe 1 and 2 (mass fraction) %

1.4 金相檢驗(yàn)

在不銹鋼管1側(cè)斷口位置縱剖面取樣，取樣位置如圖1所示，試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于GX71型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，顯微組織形貌如圖7和圖8所示。由圖7可知，裂紋沿奧氏體晶界擴(kuò)展，局部奧氏體發(fā)生了晶間分離，靠近斷口區(qū)域有明顯的晶間腐蝕現(xiàn)象；由圖8可知發(fā)生了部分晶粒溶解。

圖7 靠近斷口的晶間腐蝕及二次裂紋形貌Fig.7 Morphology of intergranular corrosion and secondarycrack near fracture

圖8 靠近斷口的晶粒溶解形貌Fig.8 Morphology of grain dissolution near fracture

將金相試樣經(jīng)三氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后進(jìn)行觀察，遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織形貌如圖9所示，可見(jiàn)不銹鋼管1的顯微組織為奧氏體，根據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》的技術(shù)要求對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，可知其晶粒度為6.5級(jí)。

圖9 不銹鋼管1遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of stainless steelpipe 1 far away from fracture

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，施工方選用的不銹鋼管1的化學(xué)成分與設(shè)計(jì)圖紙不符，碳含量高,鉻和鎳含量低。在不銹鋼中鎳可以改變不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)，因此被稱為奧氏體形成元素，不銹鋼中增加鎳元素可顯著提高不銹鋼的耐腐蝕性能、塑性、焊接性能等，此外，鎳還能擴(kuò)大不銹鋼在非氧化介質(zhì)中的鈍化范圍，有效提高不銹鋼的鈍化能力[8]。其次，不銹鋼管1中鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.30%，對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，具有較高耐腐蝕性能的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%(一般不低于17%)，當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%的臨界值時(shí)，材料就會(huì)失去耐腐蝕性能，在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶界貧鉻區(qū)易發(fā)生晶間腐蝕[9]。最后，不銹鋼管1的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%，隨著不銹鋼中碳含量增加，在晶界生成的碳化鉻也增多，使得晶界形成貧鉻區(qū)的機(jī)會(huì)增大，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向提高，所以碳為產(chǎn)生晶間腐蝕的主要元素，一般不銹鋼將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.08%以下[10]。綜合以上3點(diǎn)可知，不銹鋼管1的化學(xué)成分不符合要求，使得鋼管的耐腐蝕性和可焊性大幅度降低，是奧氏體不銹鋼管發(fā)生晶間腐蝕的主要原因。

在鋼管焊接過(guò)程中，當(dāng)不銹鋼管熱影響區(qū)溫度處于450～850 ℃(晶間腐蝕的危險(xiǎn)溫度區(qū))時(shí)[11]，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度大于鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度，當(dāng)奧氏體不銹鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.02%～0.03%時(shí)，多余的碳會(huì)不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并與鉻元素化合形成鉻化物(Cr23C6)，由于晶內(nèi)鉻原子的擴(kuò)散速度比碳原子的小，鉻原子來(lái)不及向晶界擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界附近鉻含量大幅度降低，形成貧鉻區(qū)，降低了耐腐蝕性能，進(jìn)而引發(fā)晶間腐蝕[12]。

不銹鋼鋼管在使用過(guò)程中，流過(guò)的循環(huán)自來(lái)水提供了氯離子腐蝕環(huán)境，加速了裂紋的擴(kuò)展，與斷口SEM分析中管內(nèi)側(cè)腐蝕更加嚴(yán)重的特征吻合。

綜上所述，不銹鋼鋼管1材料不符合要求，焊接過(guò)程中熱影響區(qū)發(fā)生敏化，導(dǎo)致耐腐蝕性能顯著下降，進(jìn)而引發(fā)晶間腐蝕，自來(lái)水提供的氯離子腐蝕環(huán)境加速了裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致不銹鋼焊接接頭附近開(kāi)裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1) 不銹鋼管的開(kāi)裂性質(zhì)為晶間腐蝕導(dǎo)致的沿晶斷裂，斷裂位置為不銹鋼管1的焊接熱影響區(qū)。

(2) 主要原因是不銹鋼管1的化學(xué)成分不符合要求,碳含量過(guò)高，鉻和鎳含量偏低，不銹鋼管焊接過(guò)程中,當(dāng)熱影響區(qū)溫度處于450～850 ℃的晶間腐蝕危險(xiǎn)溫度區(qū)時(shí)發(fā)生了焊接敏化現(xiàn)象,在晶界處形成貧鉻區(qū),降低了接頭的耐腐蝕性能,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。自來(lái)水提供的氯離子腐蝕環(huán)境促使了裂紋的擴(kuò)展。

針對(duì)不銹鋼管的開(kāi)裂原因提出以下幾點(diǎn)建議。

(1) 加強(qiáng)對(duì)進(jìn)廠不銹鋼管的來(lái)料檢驗(yàn)，確?；瘜W(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織等符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 對(duì)進(jìn)廠的合格材料進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，做好記錄，防止材料因標(biāo)識(shí)不清而誤用。

(3) 考慮到不銹鋼管在焊接的過(guò)程中若在450～850 ℃下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能產(chǎn)生敏化現(xiàn)象，建議在焊接工藝上采用小電流、高焊速等方法，以縮短焊接接頭在晶間腐蝕危險(xiǎn)溫度區(qū)停留的時(shí)間；同時(shí)在焊接后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，使得奧氏體中的鉻原子擴(kuò)散到晶界處，提高晶界處的鉻含量，避免產(chǎn)生晶間腐蝕。