遼寧石油化工大學(xué)

不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)

蔣應(yīng)田L(fēng)NPU遼寧石油化工大學(xué)一、

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

一、觀察與分析不銹鋼焊接接頭的顯微組織。二、了解不銹鋼焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的機(jī)理及晶間腐蝕區(qū)顯微組織特征。

二、

實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料

（一）C法電解浸蝕裝置（二）金相顯微鏡（三）吹風(fēng)機(jī)（四）

腐蝕液稀釋為10%的草酸（C2H4O4·2H2O分析純）水溶液1000ml（五）

實(shí)驗(yàn)材料1Cr18Ni9Ti(或1Cr18Ni9)鋼手弧焊或TIG焊試片40×20×1.5～3mm6對(duì)（六）

秒表（七）

乙醇、丙酮、棉花、各號(hào)金相砂紙等。三、

實(shí)驗(yàn)原理

1

焊接18-8型奧氏體不銹鋼的接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的類型及控制18-8型不銹鋼焊接接頭出現(xiàn)三個(gè)部位的晶間腐蝕現(xiàn)象，即，焊縫腐蝕區(qū)，刀狀腐蝕區(qū)，敏化腐蝕區(qū)。但在同一個(gè)接頭中不會(huì)出現(xiàn)這三種晶間腐蝕區(qū)，其取決于鋼的成分。1)

焊縫腐蝕區(qū)

焊縫腐蝕區(qū)主要與焊接材料有關(guān)，同時(shí)也受焊接工藝的影響。

（a）

防治措施：①控制焊縫金屬化學(xué)成分，主要是盡量降低含碳量和添加足夠量的Ti和Nb。焊縫中Ti和Nb的量應(yīng)大于鋼板的量

（b）控制焊縫的組織狀態(tài)，使之含有適當(dāng)數(shù)量的一次鐵素體δ（δ=5%為最宜，適宜量為4～?12%）。δ相的有利作用：⑴打亂單一奧氏體柱狀晶的方向性，從而避免貧Cr層貫穿于晶粒之間構(gòu)成腐蝕介質(zhì)的集中通道。②δ相富Cr，且Cr在δ相中易擴(kuò)散，碳化鉻可優(yōu)先在δ相內(nèi)部邊緣沉淀，并由于供Cr條件好，不會(huì)在奧氏體晶粒表層形成貧Cr層。

δ相的害處：①σ相脆化（一種硬脆而無磁性的金屬間化合物）。②δ相選擇性腐蝕。2)

敏化區(qū)腐蝕

在焊接熱影響區(qū)中峰值溫度處于敏化溫度區(qū)間的部位所發(fā)生的腐蝕（敏化溫度為450℃～850℃；實(shí)際區(qū)為600℃～1000℃）。敏化區(qū)腐蝕只發(fā)生在不含Ti或Nb的18-8不銹鋼中。防治措施：①采用含Ti或Nb的18-8或超低碳00Cr18Ni11不銹鋼。

②在工藝方面，應(yīng)盡可能減少熱影響取處于敏化溫度區(qū)間的時(shí)間。產(chǎn)生敏化腐蝕區(qū)后的處理措施：采用穩(wěn)定化處理，將處理件進(jìn)行850～900℃短時(shí)加熱后空冷。3)

刀狀腐蝕區(qū)：產(chǎn)生的條件：①只出現(xiàn)于含Ti和Nb的18-8不銹鋼接頭中。②發(fā)生在近縫區(qū)的過熱區(qū)中（加熱超過1200℃）產(chǎn)生的特征：①沿晶破壞，呈現(xiàn)深而窄的形狀，類似刀口形狀。②腐蝕區(qū)寬度初期為3～5個(gè)晶粒，逐步擴(kuò)展到1.0～1.5mm。產(chǎn)生機(jī)理：18-8Ti不銹鋼的供貨狀態(tài)一般為固溶處理狀態(tài)（即一般經(jīng)1050～1150℃水淬固溶）這時(shí)鋼中少部分碳和很少量Ti溶入固溶體，大部分C與Ti結(jié)合成為TiC（游態(tài)）。原因是在1150℃以下時(shí)TiC在鋼中的溶解度是不大的，而在固溶處理時(shí)，Cr23C6將可能全部溶入固溶體。但是，在焊接時(shí)，溫度超過1200℃的過熱區(qū)中首先出現(xiàn)的變化是TiC不斷地分解并且向奧氏體中溶解而形成固溶體。峰值溫度越高，TiC的固溶量越多，這時(shí)，在過熱區(qū)中只有少量大塊的Ti(CN)和TiN不能發(fā)生固溶。TiC高溫分解后，分離出來的碳原子將插入到奧氏體點(diǎn)陣間隙中，而Ti則占據(jù)奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)的空穴位置。隨后冷卻時(shí)，由于高溫下碳原子極為活潑，比Ti的擴(kuò)散能力強(qiáng)，碳原子將趨向奧氏體晶粒周邊擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，Ti則來不及擴(kuò)散而仍保留在奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)上。因此，碳將析集于晶界附近成為過飽和狀態(tài)。如果隨后再經(jīng)中溫敏化加熱時(shí)，碳原子可以優(yōu)先已很快的速度向晶粒邊界擴(kuò)散，是晶界更富集碳；而與此同時(shí)，Cr也以一定速度（比C擴(kuò)散稍慢，比Ti擴(kuò)散要快），因此易于在晶界附近形成鉻的碳化物M23C6的沉淀，致使靠近晶界的晶粒表面出現(xiàn)一個(gè)貧鉻層，使鉻低于臨界值12%。此時(shí)，奧氏體晶粒內(nèi)由于含鉻量高而帶正電位，晶界因鉻的碳化物存在，而產(chǎn)生貧鉻層帶負(fù)電位，在腐蝕介質(zhì)中帶負(fù)電位的貧鉻層就會(huì)成為被消耗的陽極而遭受腐蝕。TiC固溶量越多的部位，M23C6的沉淀量越大，相應(yīng)地這個(gè)部位的晶間腐蝕傾向表現(xiàn)得越嚴(yán)重。防治措施①采用超低碳不銹鋼，含碳量希望小于0.06%。②在工藝上，盡量減小近縫區(qū)過熱，特別要避免在焊接過程中就產(chǎn)生“中溫敏化”的加熱效果。由此可見：“高溫過熱”和“中溫敏化”是產(chǎn)生刀蝕的必要條件。對(duì)于焊接接頭“高溫過熱”是焊接熱循環(huán)中必然形成的，因此只需要進(jìn)行一次“中溫敏化”處理，就可根據(jù)GB1223-75標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。四、

實(shí)驗(yàn)方法及步驟

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1223-75試驗(yàn)晶間腐蝕傾向的方法共有五種，對(duì)于18-8鋼主要采用C法、T法和X法三種試驗(yàn)方法。1、

C法草酸電解浸蝕試驗(yàn)，又稱草酸陽極腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示圖中不銹鋼容器接電源的負(fù)極，若采用玻璃燒杯作容器，則負(fù)極端部接一厚度為1mm左右的不銹鋼薄板，并放置于杯底，腐蝕液采用10%的草酸水溶液。該實(shí)驗(yàn)簡單，方便迅速，一般不超過兩分鐘，但不如其他試驗(yàn)方法嚴(yán)格，常作為其他試驗(yàn)方法前的篩選試驗(yàn)方法（不適用于含鉬鈦的不銹鋼耐酸鋼），也可作為獨(dú)立的無損試驗(yàn)。圖1草酸電解浸蝕實(shí)驗(yàn)示意圖1、

T法銅屑、硫酸銅和硫酸沸騰試驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)方法是將規(guī)定的試樣放在加有銅屑的硫酸銅和硫酸的水溶液中沸騰24小時(shí)，然后彎曲成90度，用10倍放大鏡觀察，以不出現(xiàn)橫向裂紋為合格，或在金相顯微鏡下觀察，如發(fā)現(xiàn)晶界有明顯的腐蝕痕跡，即為晶間腐蝕傾向。3、X法：硝酸沸騰試驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)方法是將試片放在65%沸騰硝酸中，每周期沸騰48小時(shí)，試驗(yàn)三個(gè)周期。每周期試驗(yàn)后取出試樣，刷洗干凈干燥，稱重。然后按下式計(jì)算腐蝕速度，以其中最大者為準(zhǔn)。

式中：S—腐蝕速度ΔW—每周期試樣失重。A—試樣表面積

d—試樣密度

T法和X法分別為國際通用的B法和E法，試驗(yàn)條件嚴(yán)格，需要一定的專門裝置，試驗(yàn)周期較長，因此一般常用C法進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)用C法試驗(yàn)評(píng)定認(rèn)為有問題時(shí)，進(jìn)一步作T發(fā)或X法試驗(yàn)，并以T法和X法試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。

對(duì)于18-8鋼焊接接頭，由于母材一般已經(jīng)過晶間腐蝕試驗(yàn)評(píng)定合格，故可采用C法與母材同時(shí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

（一）試驗(yàn)步驟

1、

試樣制備（1）

從同一鋼板上取材，按表1要求制備試樣。

試樣數(shù)量試樣尺寸說明長寬厚母材240～6020≤5沿軋制方向選取單條焊縫240～6020≤5焊縫位于試樣中部交叉焊縫440～6030≤5焊縫交叉點(diǎn)位于試樣中部表1試樣取樣（2）“中溫敏化”處理，加熱至650~700℃，保溫1~2小時(shí)。（3）用砂輪或銼刀將試片進(jìn)行表面加工，去掉棱角。（4）按金相試片要求，用各號(hào)砂紙將試樣檢驗(yàn)表面磨平磨光，并用水沖洗干凈。（5）拋光試樣表面，表面粗糙度不低于用水沖凈，再用棉花酒精或丙酮擦凈檢驗(yàn)表面，吹干。（6）將試樣檢驗(yàn)表面浸入10%草酸溶液，將試件接電源“+”端，同時(shí)接通電路。電流密度按試樣檢驗(yàn)表面積計(jì)算，為1A/cm2,試驗(yàn)溶液溫度為20～50℃，試驗(yàn)時(shí)間為1.5～2min。（7）取出試樣用水沖洗凈，用酒精或丙酮擦凈檢驗(yàn)表面，吹干。

2、

觀察與評(píng)定

（1）用金相顯微鏡觀察浸蝕表面，放大倍數(shù)為150～500倍。（2）

焊接試樣的浸蝕組織分為三級(jí)：一級(jí)：近縫區(qū)及母材晶界清晰，無腐蝕溝，晶粒間呈臺(tái)階狀，焊縫金屬鐵素體被顯現(xiàn)，見圖b所示二級(jí)：近縫區(qū)或母材晶界有不連續(xù)腐蝕溝，晶界局部變寬，或焊縫金屬鐵素體被腐蝕，見圖c所示。三級(jí)：近縫區(qū)或母材晶界有連續(xù)腐蝕溝，個(gè)別晶粒的晶界被腐蝕溝完全包圍，或焊縫金屬鐵素體嚴(yán)重腐蝕。五、

試驗(yàn)結(jié)果的整理與分析