參考文獻(xiàn)：王志文, 張而耕. 奧氏體不銹鋼使用中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 化工機(jī)械, 2002, 29(6).
奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問(wèn)題、應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題，大家都比較熟悉。可參考我們之前的文章《應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕》。
應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕是設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要考慮的腐蝕，大致總結(jié)如下。
應(yīng) 力 腐 蝕（SCC） | 晶 間 腐 蝕 | |
起 因 | 拉應(yīng)力（工作應(yīng)力+殘余應(yīng)力）和特定腐蝕環(huán)境（材質(zhì)、介質(zhì)）共同作用下引起的破裂 | 微電池作用引起的腐蝕破壞，對(duì)于奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕可以用貧鉻理論來(lái)解釋 |
腐蝕工況 | 一般認(rèn)為，純金屬不會(huì)發(fā)生SCC，含雜質(zhì)的金屬或合金才會(huì)發(fā)生SCC。 典型的有：黃銅-氨溶液、奧氏體SS-Cl－溶液、碳鋼-OH－溶液、低合金高強(qiáng)度鋼-潮濕大氣（甚至蒸餾水），詳細(xì)的見表2-1。
| 許多種合金都可能出現(xiàn)晶間腐蝕，但對(duì)于不銹鋼的晶間腐蝕研究最多[3]。 奧氏體不銹鋼經(jīng)焊接或不正確的熱處理后容易出現(xiàn)晶間腐蝕。 HG/T20581-2011第6.1.2條給出了可能出現(xiàn)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的介質(zhì)。
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控制措施 | 1、降低設(shè)計(jì)應(yīng)力； 2、減少局部應(yīng)力集中； 3、熱處理（退火）消除殘余應(yīng)力或改善合金組織：如碳鋼500~600℃，0.5~1h處理，奧氏體SS加熱到900℃以上，高強(qiáng)度鋁合金可以通過(guò)時(shí)效處理，改善組織； 4、合理選材：對(duì)于海水，普通碳鋼優(yōu)于不銹鋼，高Ni奧氏體不銹鋼，或含1~2%Ti的低碳鋼 | 1、固溶處理，加熱到1050~1150℃，使碳化鉻重新溶入奧氏體，再水冷； 2、（含有穩(wěn)定化元素的SS）穩(wěn)定化退火，加熱到850~900℃保溫2~5h后空冷，這個(gè)溫度區(qū)間元素在金屬中的擴(kuò)散相當(dāng)迅速，晶粒各處鉻量均勻； 3、超低碳法，控制焊縫中的C含量，或采用超低碳不銹鋼； 4、合金化法，加入鈦，鈮，鉭等比鉻更親碳的元素，避免晶間貧鉻，同時(shí)能起到細(xì)化晶粒的作用； 5、在焊縫中加入鈦、鋁、硅等鐵素體元素，使焊縫呈奧氏體-鐵素體雙相組織，提高抗晶間腐蝕能力。因?yàn)殂t在鐵素體內(nèi)的深度大，可補(bǔ)充奧氏中的貧鉻區(qū)。 |
其他要點(diǎn) | 1、發(fā)生機(jī)理還沒(méi)有定論； 2、60℃以下幾乎不發(fā)生SCC； 3、對(duì)于奧氏體不銹鋼，還有以下幾項(xiàng)控制措施：降低C、N、P含量，添加MO、Ni、Cr元素，采用高合金鋼鐵素體SS，采用雙相鋼，添加外加電流的陰極保護(hù)法，減弱介質(zhì)的浸蝕性。 以上引自文獻(xiàn)[2] | 1、奧氏體不銹鋼在其敏化區(qū)間（450~850℃，其中700~750℃最危險(xiǎn)）內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱（如焊接），晶間生成鉻碳化合物，形成晶間貧鉻區(qū)，貧鉻區(qū)相對(duì)碳化物和固溶體形成微電池，發(fā)生晶間腐蝕； 2、晶間腐蝕試驗(yàn)，在特定介質(zhì)條件下檢驗(yàn)金屬材料晶間腐蝕敏感性的加速金屬腐蝕試驗(yàn)方法，目的是了解材料的化學(xué)成分、熱處理和加工工藝是否合理。 3、敏化處理，奧氏體不銹鋼在500~850度加熱，造成晶間貧鉻，衡量奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向，是一種檢測(cè)手段。 |
HG/T20581-2011第6.1.2條
[1]閏康平,王貴欣,羅春暉.過(guò)程裝備腐蝕與防護(hù)（第3版）.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015
[2]微信公眾號(hào)“阿斯米”《不銹鋼腐蝕的原理、影響因素及控制》
[3]ASM Handbook Volume13 Corrosion
不銹鋼的晶間腐蝕傾向試驗(yàn)是設(shè)計(jì)文件中常見的內(nèi)容，HG/T 20581等標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容也比較明確。而水壓試驗(yàn)或操作介質(zhì)中的氯離子含量，也是奧氏體不銹鋼設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注的基本內(nèi)容。除氯離子外，像濕硫化氫、連多硫酸及其他一些可能產(chǎn)生硫化物環(huán)境，也能夠引起奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。
值得一提的是，雖然HG/T 20581濕硫化氫腐蝕的章節(jié)中未提及奧氏體不銹鋼，但參考文獻(xiàn)指出，雖奧氏體不銹鋼比鐵素體鋼對(duì)原子氫的溶解能力大得多, 但仍舊會(huì)發(fā)生氫致型的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂, 尤其是冷加工硬化出現(xiàn)形變馬氏體組織轉(zhuǎn)變后更容易發(fā)生這種開裂。
冷加工硬化增加應(yīng)力腐蝕開裂敏感性
奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的冷加工性能，但其加工硬化非常明顯，冷加工變形程度越大, 硬度升得越高。加工硬化引起的硬度升高也是不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的重要原因，尤其是那些母材而非焊縫開裂的情況。
有以下一些案例：
第1類案例是奧氏體不銹鋼冷旋壓加工橢圓或碟形封頭之后, 其過(guò)渡區(qū)的冷變形最大, 硬度隨之也達(dá)到最高。投用之后于過(guò)渡區(qū)發(fā)生了氯離子應(yīng)力腐蝕開裂, 導(dǎo)致設(shè)備泄漏。
第2 類案例是不銹鋼板材卷圓之后用液壓成型法制造U 形波紋膨脹節(jié), 在波峰處冷變形最大, 硬度也最高, 沿波峰發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的情況最多, 甚至發(fā)生沿一圈波峰開裂形成低應(yīng)力脆斷的爆炸事故。
第3 類案例是波紋形換熱管的應(yīng)力腐蝕開裂。波紋形換熱管是由不銹鋼無(wú)縫管冷擠壓成型的, 波峰、波谷都受到不同程度的冷變形減薄, 波峰、波谷都可能引發(fā)若干應(yīng)力腐蝕裂紋。
奧氏體不銹鋼的冷加工硬化的實(shí)質(zhì)是產(chǎn)生了形變馬氏體，冷加工變形越大，產(chǎn)生的形變馬氏體也愈多，其硬度也愈高，同時(shí), 材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力也愈大。事實(shí)上，如果在其加工成形之后進(jìn)行固溶熱處理，可以達(dá)到降低硬度、使殘余應(yīng)力大幅度下降的效果，同時(shí)馬氏體組織也可消除，從而避免應(yīng)力腐蝕開裂。
長(zhǎng)期在高溫下服役的脆化問(wèn)題
目前，400～500℃的容器與管道材料以選用高溫強(qiáng)度較高Cr-Mo鋼為主，500～600 ℃甚至700 ℃時(shí)則以選用各種奧氏體不銹鋼為主。設(shè)計(jì)中人們往往更關(guān)注奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度，要求其含碳量不能過(guò)低。高溫下的許用應(yīng)力基本上依賴外推的高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)而得到, 可以保證在設(shè)計(jì)應(yīng)力下10萬(wàn)h服役不發(fā)生蠕變斷裂。
但奧氏體不銹鋼高溫下的時(shí)效脆化問(wèn)題也不能忽視，奧氏體不銹鋼在高溫下長(zhǎng)期服役后會(huì)在組織上出現(xiàn)一系列變化, 會(huì)嚴(yán)重影響到鋼的一系列力學(xué)性能, 特別是使脆性明顯上升, 韌性大幅度下降。
高溫下長(zhǎng)期服役后的脆化問(wèn)題一般由兩個(gè)因素所造成，一是形成碳化物，二是形成σ相。碳化物相、σ相在材料長(zhǎng)期服役后不斷沿晶析出, 在晶界上甚至形成連續(xù)的脆性相, 極易形成沿晶斷裂。
σ相( Cr-Fe 的金屬間化合物) 的形成溫度區(qū)間大約為600～980 ℃，但具體的溫度區(qū)間與合金成分有關(guān)。σ相析出的結(jié)果是使奧氏體鋼強(qiáng)度大幅上升(強(qiáng)度可能升高一倍) , 還變得又硬又脆。高鉻是形成高溫σ相的主要原因, Mo、V 、Ti、Nb等是強(qiáng)烈促使形成σ相的合金元素。
碳化物( Cr23C6) 的形成溫度是在奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間, 即400～850 ℃。Cr23C6 在敏化溫度上限溫度以上會(huì)發(fā)生溶解, 但溶解以后的Cr又會(huì)促進(jìn)σ相的進(jìn)一步形成。
因此，奧氏體鋼作為耐熱鋼使用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高溫時(shí)效脆化的認(rèn)識(shí)及其防范。可以像火力發(fā)電廠的金屬監(jiān)測(cè)那樣, 定期檢驗(yàn)金相組織以及硬度的變化，必要時(shí)取出試樣做金相、硬度檢查，乃至進(jìn)行全面的力學(xué)性能與持久強(qiáng)度測(cè)試。
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