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(quán), 崔會杰, 孫友寶, 黃濤宏

[島津企業(yè)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(fā)產(chǎn)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(shù)器檢測到[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，現(xiàn)代的電子探針已經(jīng)能夠很好地應(yīng)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(gòu)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(yīng)力腐蝕以及較好的強度、韌性和焊接性能等特點，而且節(jié)約了鎳，可降低成本，應(yīng)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(yīng)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(huán)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(shè)備和設(shè)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(xiàn)管束和管板的連接時發(fā)生換熱管管壁脹裂現(xiàn)象。所用的換熱管為擠壓無縫鋼管，脹管工藝前已檢查，未發(fā)現(xiàn)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(jié)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(xué)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(qū)定量分析難點有基體吸收嚴重、不同狀態(tài)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(jié)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(yōu)化的修正模型ZAF4。

2 試驗結(jié)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(jié)果見表1?？梢娖浠瘜W(xué)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(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the heat exchanger tube (mass fraction) %

使用電子探針對脹裂區(qū)域附近位置進行微區(qū)分析，結(jié)果如圖1所示。顯微組織觀察結(jié)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(xué)成分定量分析結(jié)果見表2?？梢婋S著所選區(qū)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(qū)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(xué)成分定量分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))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(jié)果如圖2所示。在裂紋附近，氮元素的含量更高，遠離裂紋區(qū)，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(jié)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(xiàn)得更為顯著。氮可以擴大鋼的奧氏體相區(qū)，是一種很強的形成和穩(wěn)定奧氏體元素，在一定限度內(nèi)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(xué)性能和耐腐蝕性能，因此控制兩相比例及組織的穩(wěn)定是雙相不銹鋼生產(chǎn)中的關(guān)鍵。顯微組織不僅與合金成分和凝固條件有關(guān)，也會受到隨后的固態(tài)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(wěn)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(yù)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(jù)式(1)和式(2)計算得到，EqNi為11.8，EqCr為26.32，EqCr/EqNi為2.23。根據(jù)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(tài)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(jié)構(gòu)的鐵素體基體相中，析出面心結(jié)構(gòu)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(guān)，熱加工過程也有很大的影響，正常情況下為50%(體積分數(shù))鐵素體和50%(體積分數(shù))奧氏體構(gòu)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(wěn)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(qū)中奧氏體的條狀細晶，靠近裂紋區(qū)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(dǎo)致此處出現(xiàn)了異常的組織分布，即晶粒粗大的奧氏體單相區(qū)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(xiàn)脹管開裂的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

使用電子探針對脹裂的雙相不銹鋼管件進行了微區(qū)的定量和元素面分析測試，在裂紋附近位置發(fā)現(xiàn)了局部的超輕元素氮的富集。氮元素可以擴大奧氏體區(qū)，穩(wěn)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(xué)性能均比正常組織的差，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器管發(fā)生脹裂。