以EBSD技術(shù)表征奧氏體不銹鋼形變及焊接后抗有害元素遷移

王昊,鄭先偉,趙利,孫秀慧,況敏*

（1.廣東省科學(xué)院新材料研究所/現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室/廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣東廣州 510650；2.廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司/廣東省塑料成型加工技術(shù)企業(yè)重點實驗室，廣東 佛山 528318）

不銹鋼輸水管在日、美、英、德等主要工業(yè)國家使用40余年已有，為目前世界各國在給水、排水、消防等領(lǐng)域中優(yōu)選產(chǎn)品［1］。不銹鋼在我國供水系統(tǒng)使用的金屬管材中僅占1%，雖然我國出臺了二次加壓調(diào)蓄供水管道優(yōu)先選用不銹鋼管材的相關(guān)規(guī)定，但在實踐中發(fā)現(xiàn)不銹鋼中的金屬元素向水的遷移量是不穩(wěn)定的，時常超出《GB/T17219-1998生活飲用水設(shè)備及防護材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》要求。

廣東聯(lián)塑公司是全國最大輸水管線生產(chǎn)企業(yè)，其計劃生產(chǎn)304、316等奧氏體不銹鋼管作為輸水管線，為解決304、316不銹鋼在作為輸水管線使用時存在的金屬有害元素遷移量超標(biāo)問題，需梳理不銹鋼管生產(chǎn)工藝流程，確定有害元素遷移的節(jié)點和主因。鑒于不銹鋼管為該公司自己生產(chǎn)，由外購板材經(jīng)機械卷管后氬弧焊焊接而成，故提出重點監(jiān)測方向：（1）原材料是否符合《GB/T17219-1998生活飲用水設(shè)備及防護材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》要求，以及是否存在有害元素遷移；（2）在彎管過程中，管的主要形變部分的形變情況，以及是否存在因機械形變而導(dǎo)致的有害元素遷移；（3）氬弧焊直縫焊接后，經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)的焊接區(qū)域及熱影響區(qū)的內(nèi)表面狀態(tài)對有害元素遷移的影響。

1 原料及方法

1.1 原料

實驗研究對象為304（316L）奧氏體不銹鋼板，在制管過程中經(jīng)歷數(shù)次機械冷變形卷曲，從平板直至形成圓形管，圓管成型完成后對對接部位施以氬弧焊焊接。

1.2 方法

1.2.1 有害元素遷移量的測定

依據(jù)《GB/T17219-1998生活飲用水設(shè)備及防護材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》，將不銹鋼原材料、機械卷曲形變后、焊接后的試樣浸泡在水中，采用ICP法分析浸泡水中有害元素的含量，以確定有害元素的遷移量。

1.2.2 組織結(jié)構(gòu)分析

利用FEI NNS 450掃描電鏡和EDAX HIKARI SERIES背散射電子衍射儀，分析材料原始、機械形變后、焊接后狀態(tài)的試樣內(nèi)部相結(jié)構(gòu)。

由于背散射電子衍射技術(shù)對被測試樣要求較高，為了準(zhǔn)確表征被測試樣內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，被測試樣需經(jīng)傳統(tǒng)金相技術(shù)磨樣后再進行適當(dāng)?shù)碾娊鈷伖?。為了評估所有樣品的EBSD晶體學(xué)參數(shù)，使用TSL-OIM系統(tǒng)進行定向成像顯微鏡（OIM）掃描，該系統(tǒng)配備了在電壓20 kV下工作的掃描電子顯微鏡（型號FEI NNS450）。對于取向成像，根據(jù)晶粒尺寸考慮用0.5 μm的步長?？紤]到統(tǒng)計意義，從特定樣本的各個區(qū)域進行了3—4次EBSD掃描，每次掃描選擇的區(qū)域范圍約為1000 μm×1000 μm或更高，隨后在TSL OIM（7.2版）軟件的幫助下分析提取的數(shù)據(jù)。超過2 °的取向差被認(rèn)為是晶界，Brandon的標(biāo)準(zhǔn)被用于具體表征CSL晶界，在計算晶粒尺寸時將孿晶界視為晶界。

2 結(jié)果與討論

2.1 不銹鋼原材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及有害元素遷移量分析

利用背散射電子衍射儀，測試不銹鋼板材的縱向和橫向的組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸分布、奧氏體、高溫鐵素體、馬氏體等相的含量，以及材料形變程度等參數(shù)，其結(jié)果見圖1和表1。

圖1 不銹鋼原材料的EBSD檢測結(jié)果圖Figure 1 Test result diagram of stainless steel raw material EBSD

金屬的腐蝕的本質(zhì)是金屬本身與其周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生破壞的現(xiàn)象，此時金屬基體元素脫離基體（逸出至環(huán)境中），這也是金屬有害元素遷移的本質(zhì)。不銹鋼的耐腐蝕性是由不銹鋼表面一層非常薄的保護膜提供的，稱此膜為鈍化膜。不銹鋼表面鈍化膜特點是在各種環(huán)境中受損時可自我修復(fù)，使其恢復(fù)抵御外界腐蝕的能力［4］。

從圖1和表1可見：奧氏體不銹鋼本身為低層錯能金屬材料，不銹鋼管基體為帶孿晶的固溶態(tài)奧氏體，結(jié)合織構(gòu)參數(shù)可知此處的孿晶應(yīng)為退火孿晶；當(dāng)晶粒尺寸為25.44 μm、奧氏體相含量為99.1%時，高溫鐵素體含量為0.9%；當(dāng)形變程度為6.691時，不銹鋼本身未產(chǎn)生馬氏體相。表明，奧氏體板的有害元素遷移均滿足《GB/T17219-1998生活飲用水設(shè)備及防護材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》要求，同時也說明滿足此條件的鈍化膜是可以滿足抵御外界腐蝕能力的。

表1 不銹鋼原材料EBSD測試結(jié)果Table 1 EBSD test results table for stainless steel raw materials

按照《GB/T17219-1998生活飲用水設(shè)備及防護材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》測量不銹鋼板金屬元素含量，檢測結(jié)果列于表2。由表2可知，不銹鋼板的各金屬元素含量符合要求。

表2 不銹鋼板金屬元素遷移分析結(jié)果表Table 2 Metal element migration analysis table for stainless steel plates

2.2 不銹鋼板材彎管的內(nèi)部組織

針對工廠提供的直徑22 mm不銹鋼管基體，采用EBSD法詳細(xì)檢測管材橫截面各彎曲部分形變的情況，檢測部位如圖2所示。檢測結(jié)果列于表3，以及見圖3和圖4。

圖2 EBSD檢測位置示意圖Figure 2 EBSD detection position

由表3及圖3—圖4可知，不銹鋼板材經(jīng)曲卷變型后，高溫鐵素體含量未超出原材料的含量，織構(gòu)最大值低于原材料，表明未產(chǎn)生形變馬氏體相。

圖3 不銹鋼管焊縫對側(cè)EBSD檢測結(jié)果圖Figure 3 Detection result of EBSD on opposite side of stainless steel pipe weld

圖4 不銹鋼管90°處EBSD檢測結(jié)果圖Figure 4 EBSD results at 90 ° degrees for stainless steel tubes

表3 不銹鋼彎曲形變后EBSD測試結(jié)果表Table 3 EBSD results of stainless steel after bending

不銹鋼板材在卷曲制管的冷加工過程中，奧氏體不銹鋼塑性變形超過一定程度后將產(chǎn)生大量位錯，位錯增殖將使馬氏體形核，使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，即發(fā)生馬氏體相變，此時單一的奧氏體相中會出現(xiàn)馬氏體相。相變后不銹鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變量與冷加工變形量呈正相關(guān)［2-3］。相變后，馬氏體中的位錯、空位等缺陷會作為不銹鋼的點蝕源，使其發(fā)生點蝕的概率增加，應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性也明顯增加［5-6］，有害元素的遷移概率也增大。

整個管徑橫截面上，反應(yīng)其組織形變程度的織構(gòu)值未超出原材料時狀態(tài)，既沒檢測出馬氏體相，晶粒度也沒有超出原材料時大小。綜合以上指標(biāo)，說明不銹鋼制管過程的曲卷變形量，內(nèi)部組織結(jié)果未發(fā)生顯著變化。奧氏體不銹鋼本身為低層錯能金屬材料，其抗抗晶間腐蝕性能本身就優(yōu)異，故可認(rèn)為不銹鋼板材在卷曲制管后抗有害元素能力與板材原始狀態(tài)一致。不會發(fā)生有害元素遷移超標(biāo)。

2.3 焊縫區(qū)域的內(nèi)部組織

對工廠提供的直徑22 mm不銹鋼管基體，從橫截面檢測焊縫組織，EBSD檢測結(jié)果見圖5和表4。

圖5 不銹鋼管焊縫處EBSD檢測結(jié)果圖Figure 5 EBSD results at weld of stainless steel pipe

表4 不銹鋼焊縫中心區(qū)EBSD測試結(jié)果表Table 4 Results of EBSD in the center zone of stainless steel welds

從圖5和表4可見，經(jīng)歷焊接高溫?zé)嵫h(huán)后，不銹鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，由形變固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍T造態(tài)，雖然沒發(fā)現(xiàn)形變馬氏體，其高溫鐵素體含量也未超出原始板材狀態(tài)的含量，但由于織構(gòu)最大值增大，表明其殘余應(yīng)力值增加，其界面抗腐蝕能力可能存在下降可能［7］。ICP分析Ni遷移量偶爾超標(biāo)，也許與這有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）固溶態(tài)奧氏體不銹鋼板材彎曲卷管過程的形變，不產(chǎn)生形變馬氏體，金屬元素遷移量不超出板材，可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）固溶態(tài)奧氏體不銹鋼板材焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力增大，有可能是金屬元素遷移量超標(biāo)的因素。