晶間腐蝕的機(jī)理課件

1、核電設(shè)備奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn)2014.06上海核工程研究設(shè)計(jì)院什么叫晶間腐蝕晶間腐蝕的防止和消除常見(jiàn)晶間腐蝕試驗(yàn)方法問(wèn)題交流與探討目錄一、晶間腐蝕的機(jī)理 晶間腐蝕是一種由微電池作用而引起的局部腐蝕現(xiàn)象，是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界產(chǎn)生的腐蝕。這種腐蝕主要是從表面開(kāi)始，沿著晶界向內(nèi)部發(fā)展，直至成為潰瘍式腐蝕，整個(gè)金屬?gòu)?qiáng)度幾乎完全喪失。其腐蝕特征是，在表面還看不出腐蝕特征時(shí)，晶粒之間已喪失了結(jié)合力，失去金屬聲音，嚴(yán)重時(shí)，只要輕輕敲打就可破碎，甚至形成粉狀。因此，它是一種危害性很大的局部腐蝕。 晶間腐蝕定義一、晶間腐蝕的機(jī)理1)晶間區(qū)偏析雜質(zhì)或第二相選擇性溶解理論 非敏化態(tài)

2、晶間腐蝕機(jī)理主要是晶間區(qū)偏析雜質(zhì)或第二相選擇性溶解理論。 該理論認(rèn)為，偏析于晶界上的雜質(zhì)元素(如P和Si)或沉淀析出相(如相或亞顯微的相)的選擇性溶解是引起晶間腐蝕的原因。2)貧Cr理論 奧氏體不銹鋼敏化態(tài)晶間腐蝕的機(jī)理主要是貧Cr理論。 晶間腐蝕機(jī)理一、晶間腐蝕的機(jī)理貧Cr理論 對(duì)奧氏體不銹鋼而言其晶間腐蝕的原因是由于晶界區(qū)貧鉻所引起的。含碳量高于0.02%的奧氏體不銹鋼中，碳與鉻能生成碳化物(Cr23C6)。這些碳化物經(jīng)過(guò)高溫淬火，以固溶態(tài)溶于奧氏體中，鉻均勻分布，使合金各部分鉻含量均在鈍化所需值即12%以上。這種過(guò)飽和固溶體在室溫下雖然暫時(shí)保持這種狀態(tài)，但它是不穩(wěn)定的。如果加熱到敏化溫度

3、范圍內(nèi)，碳化物就會(huì)沿晶界析出，鉻便從晶界邊界的固溶體中分離出來(lái)。由于鉻的擴(kuò)散速度很慢，遠(yuǎn)低于碳的擴(kuò)散速度，不能從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界，因而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。 晶間腐蝕機(jī)理一、晶間腐蝕的機(jī)理貧Cr理論 貧鉻區(qū)的含鉻量遠(yuǎn)低于鈍化所需要的極限值，其電位比晶粒內(nèi)部的電位低。更低于碳化物的電位。貧鉻區(qū)和碳化物緊密相連，當(dāng)遇到一定腐蝕介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生短路電池效應(yīng)。該情況下碳化鉻和晶粒呈陰極，貧鉻區(qū)呈陽(yáng)極，迅速被侵蝕。 晶間腐蝕機(jī)理二、晶間腐蝕的防止和消除加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響, 如圖1 所示。當(dāng)加熱溫度小于450或大于850時(shí), 不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)闇囟?/p>

4、小于450時(shí), 由于溫度較低, 不會(huì)形成碳化鉻。當(dāng)溫度超過(guò)850時(shí), 晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力增強(qiáng), 有足夠的鉻擴(kuò)散至晶界和碳化合, 不會(huì)在晶界形成“貧鉻區(qū)”。所以產(chǎn)生晶間腐蝕的加熱溫度是在450 850 , 這個(gè)溫度區(qū)間就稱為產(chǎn)生晶間腐蝕的”危險(xiǎn)溫度區(qū)”(又稱”敏化溫度區(qū)”) , 其中尤以650最危險(xiǎn)。焊接時(shí)焊縫兩側(cè)處于”危險(xiǎn)溫度區(qū)”的地帶最易發(fā)生晶間腐蝕。即使是焊縫由于在冷卻過(guò)程中其溫度也要穿過(guò)”危險(xiǎn)溫度區(qū)”, 所以也會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。 控制加熱溫度和時(shí)間二、晶間腐蝕的防止和消除 控制加熱溫度和時(shí)間二、晶間腐蝕的防止和消除隨著不銹鋼中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化鉻隨之增多, 結(jié)果就使得在晶界形

5、成“貧鉻區(qū)“的機(jī)會(huì)增多, 導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向增加, 所以碳是晶間腐蝕最有害的元素。一般認(rèn)為奧氏體不銹鋼中含碳量降低到0.020.03%以下，便可避免晶間腐蝕?？刂坪剂慷⒕чg腐蝕的防止和消除在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb 等與碳的結(jié)合能力比鉻更強(qiáng)的元素, 能夠與碳結(jié) 合成穩(wěn)定的碳化物, 可以避免在奧氏體晶界形成貧鉻區(qū)。所以, 常用奧氏體不銹鋼及焊接材料中都含有Ti 或Nb 元素,如ER347等。 二、晶間腐蝕的防止和消除焊后, 將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至10501100, 此時(shí)碳又重新溶入奧氏體中, 然后急速冷卻, 便可得到穩(wěn)定的奧氏體組織, 消除貧鉻區(qū)。這種方法叫固溶處理。固

6、溶處理的缺點(diǎn)是, 如果焊接接頭需要在危險(xiǎn)的溫度區(qū)工作, 則仍不可避免地會(huì)形成貧鉻區(qū)。進(jìn)行固溶處理二、晶間腐蝕的防止和消除焊后, 將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至850900, 保溫2 h, 使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻有充分時(shí)間擴(kuò)散到晶界, 使晶界處的含鉻量又恢復(fù)到大于12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) , 貧鉻區(qū)得以消失, 這叫均勻化處理。進(jìn)行均勻化處理二、晶間腐蝕的防止和消除在相同碳含量時(shí)，含有5%的鐵素體組織的奧氏體不銹鋼將明顯改善其乃晶間腐蝕性能。 鐵素體含量的影響三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法(a) GB/T 4334 E法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法(b) ASTM

7、A262 E法 CopperCopper SulfateSulfuric Acid Test for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels(c) RCC-M-2007 MC1300 Accelerated Intergranular Corrosion Test of Austenitic Stainless 18-10 Chromium Nickel Steel三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)號(hào)ASTM A262EGB/T4334 ER

8、CC-M MC1300試樣尺寸5-13厚,9-25寬,最小75mm長(zhǎng)80-100長(zhǎng)，20mm厚,3-4mm厚長(zhǎng)寬厚 70104mm試樣數(shù)量：3個(gè)，1個(gè)參考試樣，1個(gè)焊后熱處理態(tài)試樣(若產(chǎn)品需要焊后熱處理態(tài))，1個(gè)經(jīng)敏化處理后的試樣；敏化溫度675650700敏化時(shí)間1h2h加熱至700，加熱時(shí)間不超過(guò)5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷腐蝕介質(zhì)將硫酸銅(CuSO45H2O)溶解于700ml蒸餾水中，再加入100ml硫酸(比重1.84)，用蒸餾水稀釋至1000ml(質(zhì)量百分比：約6%無(wú)水硫酸銅，16%硫酸)將硫酸銅(CuSO45H2O)(GB/T 665 分析純)溶解于

9、700ml蒸餾水或去離子水中，再加入100ml純硫酸(GB/T 625 優(yōu)級(jí))，用蒸餾水或去離子水稀釋至1000ml質(zhì)量百分比：10%結(jié)晶硫酸銅，10%硫酸(密度1.83)，80%蒸餾水三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)號(hào)ASTM A262EGB/T4334 ERCC-M MC1300腐蝕時(shí)間15h16h24h壓頭直徑等于試樣厚度如果雙方達(dá)成一致，彎曲半徑不小于ASME第IX卷的要求，且當(dāng)試樣厚度4.76時(shí)，彎曲半徑為試樣厚度的兩倍5mm2倍試樣厚度合格標(biāo)準(zhǔn)彎曲180，彎曲試樣在5-20倍下，觀測(cè)到外表面有裂紋，則存在晶間腐蝕；若存在疑問(wèn)，則由金相法輔助提供判

10、定依據(jù)。彎曲180，彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面有無(wú)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋；從試樣的彎曲部位棱角產(chǎn)生的裂紋以及不伴有裂紋的滑移線、皺紋和表面粗糙等都不能認(rèn)為是晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋；試樣不能進(jìn)行彎曲評(píng)定或彎曲的裂紋難以判定時(shí).則采用金相法,允許的晶間腐蝕深度由供需雙方協(xié)商確定與鋼表面敲擊，有清脆的金屬敲擊聲彎曲90，無(wú)裂紋；若開(kāi)裂，開(kāi)裂邊緣沒(méi)有晶間腐蝕跡象。微觀金相：作為上述兩試驗(yàn)的補(bǔ)充，在上述兩試驗(yàn)存在爭(zhēng)議時(shí)，提供判定依據(jù)三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)敏化處理?xiàng)l件適用范圍RCC-M MC 1310加熱至650，加熱時(shí)間不超過(guò)5min，保溫

11、10min后，立刻水冷低碳(C0.06)18-10鋼加熱至675，加熱時(shí)間不超過(guò)5min，保溫10min后，立刻水冷含Mo低碳(C0.06)18-10鋼加熱至700，加熱時(shí)間不超過(guò)5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷超低碳(C0.03)18-10鋼；含穩(wěn)定化元素(Ti,Nb)的18-10鋼加熱至725，加熱時(shí)間不超過(guò)5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷含Mo超低碳(C0.03)18-10鋼；含穩(wěn)定化元素(Ti,Nb)以及Mo的18-10鋼GB/T 4334 E2h，空冷超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)，壓力加工試件1h，空冷

12、超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)，鑄件協(xié)議中另行規(guī)定焊后還要進(jìn)行以上熱加工的焊接件ASTM A262 E法敏化溫度；通常采用的敏化處理?xiàng)l件為：6751h超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)四、晶間腐蝕要求西屋設(shè)計(jì)中對(duì)晶間腐蝕的要求1 在后續(xù)的制造過(guò)程中，除了局部的焊接操作，材料不允許加熱超過(guò)427。焊接時(shí)，應(yīng)控制熱輸入以防止發(fā)生敏化。2 如在制造期間，不銹鋼不慎暴露于敏化溫度范圍，應(yīng)根據(jù)ASTM A262進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對(duì)晶間腐蝕不敏感。如果不能證實(shí)這種材料對(duì)晶間腐蝕不敏感，材料應(yīng)重新固溶處理或拒收。但以下情況不要求進(jìn)行試驗(yàn)： 1）鐵素體含量不低于5%

13、（對(duì)焊縫金屬，為5FN）的鑄造金屬或焊縫金屬； 2）碳含量小于等于0.03%的材料。3 反應(yīng)堆冷卻劑管道在經(jīng)歷彎曲或其它可能產(chǎn)生過(guò)量殘余應(yīng)力的制造工序后，應(yīng)盡可能的進(jìn)行消應(yīng)力處理。消應(yīng)力處理的溫度不應(yīng)導(dǎo)致材料敏化或產(chǎn)生其它有害的冶金反應(yīng)。6.4在制造過(guò)程中，應(yīng)編制所有熱處理活動(dòng)的熱處理規(guī)程。熱處理規(guī)程應(yīng)明確熱電偶的測(cè)量位置。熱處理應(yīng)按ASME規(guī)范的要求進(jìn)行，并滿足有關(guān)材料技術(shù)條件的要求。熱處理報(bào)告應(yīng)至少包括整個(gè)熱處理周期中的升溫速率、保溫溫度和時(shí)間、降溫速率及進(jìn)爐和出爐的溫度等。要求同RG1.44-2011四、晶間腐蝕要求不銹鋼材料的焊接應(yīng)符合RG 1.44“敏化不銹鋼使用的控制”。當(dāng)母材是非

14、低碳、非穩(wěn)定的不銹鋼，對(duì)于每種焊接方法，在焊接工藝評(píng)定時(shí)，供應(yīng)商必需采用產(chǎn)品使用的最大熱輸入和最高碳含量的焊接材料，以證明符合RG 1.44的要求。具體要求如下：1）工藝評(píng)定焊件應(yīng)由兩塊最小厚度為13mm的SA240或SA182 304型材料拼接而成。最小焊縫長(zhǎng)度為152mm。產(chǎn)品中待焊材料的最大含碳量不允許超過(guò)評(píng)定試件材料的碳含量。例如，如果碳含量為0.068%的304試件的評(píng)定通過(guò)，則允許所有碳含量比該值低的不銹鋼材料進(jìn)行產(chǎn)品焊接，如果碳含量超過(guò)該值，則要求重新評(píng)定。2）在工藝評(píng)定報(bào)告(PQR)上要求記錄焊接電流、焊接電壓和焊接速度，以及ASME第IX卷要求的補(bǔ)充信息。試驗(yàn)中的熱輸入應(yīng)采用

15、產(chǎn)品焊接時(shí)允許使用的最大熱輸入。3）工藝評(píng)定試件的焊接接頭應(yīng)根據(jù)ASTM A262 “E”法的要求進(jìn)行試驗(yàn)。試樣應(yīng)為取自焊縫中心的橫向試樣，并且焊縫每一側(cè)應(yīng)至少包含13mm的母材。4）應(yīng)對(duì)在生產(chǎn)中使用的每種焊接方法（SMAW、GTAW和SAW等）進(jìn)行上述試驗(yàn)。西屋AP1000設(shè)計(jì)中對(duì)晶間腐蝕的要求四、晶間腐蝕要求RG1.44對(duì)于工藝評(píng)定的要求四、晶間腐蝕要求如果碳含量0.035%和鉻含量18%則不要求晶間腐蝕試驗(yàn)。RCCM中對(duì)晶間腐蝕的要求四、問(wèn)題探討結(jié)果判定的可操作性是否敏化的問(wèn)題取樣位置彎曲直徑的問(wèn)題四、問(wèn)題探討結(jié)果判定的可操作性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定方法合格標(biāo)準(zhǔn)RCC-M MC 1310敲擊聲測(cè)試：將

16、試樣與金屬表面敲擊，并與未經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行比較與鋼表面敲擊，有清脆的金屬敲擊聲彎曲試驗(yàn)，壓頭直徑不超過(guò)試件厚度的2倍；對(duì)于對(duì)接接頭，沿焊縫中心線進(jìn)行彎曲，使焊縫的表面為凸面；并與未經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行比較彎曲90，無(wú)裂紋；若開(kāi)裂，開(kāi)裂邊緣沒(méi)有晶間腐蝕跡象。微觀金相試驗(yàn)作為上述兩試驗(yàn)的補(bǔ)充，在上述兩試驗(yàn)存在爭(zhēng)議時(shí)，提供判定依據(jù)GB/T 4334E彎曲試驗(yàn)，當(dāng)試樣厚度不大于1mm時(shí)，壓頭直徑為；當(dāng)試樣厚度大于時(shí)，壓頭直徑為；焊管舟型試樣沿垂直焊接方向進(jìn)行彎曲，焊接接頭沿熔合線進(jìn)行彎曲 (1)晶間腐蝕試驗(yàn)后用直徑5mm的壓頭進(jìn)行彎曲評(píng)定,彎曲后用10倍放大鏡觀察彎曲試樣外表面,判斷有無(wú)因

17、晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋(其中從試樣的彎曲部位棱角產(chǎn)生的裂紋,以及不伴有裂紋的滑移線、皺紋和表面粗糙等都不能認(rèn)為是晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。); (2)不能進(jìn)行彎曲評(píng)定或彎曲裂紋產(chǎn)生的原因難以判定時(shí),則采用金相法,金相磨片應(yīng)取自試樣的非彎曲部位(焊接接頭和焊管除外),經(jīng)浸蝕后(不得過(guò)腐蝕),在顯微鏡下觀察(150500倍),允許的晶間腐蝕深度由供需雙方協(xié)商確定; (3)如果懷疑裂紋是由于延展性差而產(chǎn)生的,可以通過(guò)彎曲一個(gè)未經(jīng)晶間腐蝕的試樣進(jìn)行比較。ASTM A262 E法彎曲試驗(yàn)，等于試樣厚度如果雙方達(dá)成一致，彎曲半徑不小于ASME第IX卷的要求，且當(dāng)試樣厚度4.76時(shí)，彎曲半徑為試樣厚度的兩倍彎曲18

18、0，彎曲試樣在5-20倍下，觀測(cè)到外表面有裂紋，則存在晶間腐蝕；若存在疑問(wèn)，則放大100-250倍由金相法輔助提供判定依據(jù)。四、問(wèn)題探討結(jié)果判定的可操作性1.對(duì)比試樣的設(shè)置RCCM SI600中明確了設(shè)置一個(gè)對(duì)比樣，并且在MC1300的結(jié)果評(píng)判中也要求與對(duì)比樣進(jìn)行對(duì)比GB/T 4334 E中規(guī)定：如果懷疑裂紋是由于延展性差而產(chǎn)生的,可以通過(guò)彎曲一個(gè)未經(jīng)晶間腐蝕的試樣進(jìn)行比較。四、問(wèn)題探討結(jié)果判定的操作性ASTM A262 E法未明確提到對(duì)比試樣，在彎曲試樣時(shí)針對(duì)“低延展性”材料，例如冷作材料時(shí)，提到了空白試樣，確定彎曲的最大角度。但是如何判斷低延展性材料？主管道316LN材料是否為低延展性材料？四、問(wèn)題探討結(jié)果判定的可操作性2.金相法的操作性三種試樣方法都提到了在彎曲試驗(yàn)有爭(zhēng)議時(shí)采用金相法進(jìn)行判定，但是， 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于金相法如何操作和結(jié)果評(píng)定均未說(shuō)明。只能針對(duì)金相組織按晶間腐蝕定義和晶間腐蝕機(jī)理進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的金相法所用放大倍數(shù)（GB/T4335 規(guī)定100500倍，ASTM A262E法規(guī)定100-250倍）太低,不易觀察且無(wú)法對(duì)成分進(jìn)行標(biāo)定。探討：不只限于100500倍的光學(xué)顯微鏡下觀察,根據(jù)需要,可在掃描電鏡下、甚至是在透射電鏡下進(jìn)行觀察分析;在高倍顯微鏡下準(zhǔn)確判斷出晶間腐蝕所致裂紋和非晶間腐蝕所致裂紋的特征