304L不锈钢中敏化对304L不锈钢在高温NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响检测方案(电镜部件)

机 械 工 程 材 料Materials for Mechanical Engineering第34卷第2期2010年2月Vol. 34 No. 2Feb. 2010 姜勇，等：敏化对304L 不锈钢在高温NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响 敏化对304L 不锈钢在高温 NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响 姜勇，巩建鸣，李峰 (南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009) 摘 要：通过慢应变速率拉伸试验和扫描电镜研究了敏化对304L 不锈钢在高温下不同浓度NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响。结果表明：经敏化后该钢在不同温度和浓度 NaOH溶容中的抗应力腐蚀开裂性能显著下降，其中温度的影响比浓度更为显著；性能下降的主要原因是敏化后碳化物沿晶界析出，形成了资铬区。 关键词：304L不锈钢；敏化；应力腐蚀开裂；NaOH溶液 中图分类号：TG172. 9 文献标志码： A 文章编号：1000-3738(2010)02-0035-04 Effect of Sensitization on Stress Corrosion Cracking of 304LSta inless Steel in NaOH Solutions at High Temperatures JIANGYong， GONG Jian ming， LI Feng (College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing University of Technology， Nanjing 210009， China) Abstract ： Effect of sensitization on stress corrosion cracking(SCC) of 304L stainless steel in NaOH solutionswith different concentrations at high temperatures was investigated by using slow strain rate tests (SSRT) and SEMtechnology. The results show that after sensitization， the resistance of the steel to SCC declined remarkably underthe conditions of different temperatures and concentrations in NaO H solution. The effect of temperature was moreobvious than that of the concentration. The main reason which resulted in the property reduction was the carbideprecipation along the grain boundaries after sensitization and the formation of chromium depleted zone. Key words ： 304L stainless steel； sensitization； stress corro sion cracking； NaO H solution 0 引 言 在石油、化工和电力等行业中，服役于高温、腐蚀性介质环境下的装置大多选用不锈钢制造。然而在装置的制造、安装和使用过程中，焊接等造成的高温以及射线辐射都可能使不锈钢发生敏化，导致固溶在奥氏体不锈钢基体中的碳和铬等元素结合成碳化物沿着奥氏体晶界析出，在晶界附近形成贫铬区，增加了材料的晶间腐蚀倾向1-3]，在应力以及腐蚀介质作用下极易发生应力腐蚀开裂，造成重大生产安全事故。 加氢反应器是精对苯二甲酸生产装置的关键设 ( 收稿日期：2009-02-10；修订日期：2009-08-02 ) ( 基金项目：江苏省“六大人才高峰"资助项目(06-D-035) ) ( 作者简介：姜勇(1974-)，男，山东乳山人，讲师，博士研究生。 ) 导师：巩建鸣教授 备之一，工作温度为278℃，压力为6.71 MPa。为了保证催化剂的活性，对设备需要定期进行在线碱洗，碱洗采用50g·L的 NaOH溶液，时间6h左右。加氢反应器氢气接管在服役过程中多次在焊缝附近出现开裂失效4-6]。接管材料一般为304L 不锈钢，通过焊接与反应器器壁联接。由于焊接或安装过程中接管受到高温作用会发生敏化，这可能是造成失效的主要原因。为了确定敏化对该钢抗应力腐蚀开裂性能的影响，作者研究了敏化对该钢在高温、低浓度 NaOH溶液中应力腐蚀开裂的影响。 1 试样制备与试验方法 试验材料为10mm厚的商用304L奥氏体不锈钢板，供货状态为固溶态，其化学成分(质量分数/%)为 0.016C，0.007S，0. 034P，0.39Si，1.35Mn，18.24Cr，8.14Ni ，2.1Mo。抗拉强度0=657 MPa，伸长率8=60%。 敏化处理工艺为650℃保温8h，炉冷。将敏化和未敏化的304L 钢均加工出用棒状慢应变速率拉伸(SSRT)试样，尺寸如图1。试验前将试样用金相砂纸打磨至800#，然后用乙醇-丙酮混合液清洗，再用去离子水冲洗并吹干，置于干燥皿中备用。 图1 SSRT试样的形状和尺寸 Fig.1 Configuration and dimension of the specimen for SSRT 试验介质为20g·L和 50 g·L的两种NaOH溶液，试验温度为200，250和280)℃，应变速率1×106s。试验在 COTEST 慢应变速率拉伸试验系统上进行，该系统符合美国NACE TM-01-77-90和ASTM标准。根据慢应变速率拉伸试验的结果，采用表征塑性损失的应力腐蚀敏感因子F(8对性能进行评定。 式中：8为常温空气中的伸长率，取实测值62%；8为在试验条件下的伸长率；F(8)为应力腐蚀敏感因子，其值越大，则应力腐蚀开裂(SCC)敏感性越大。 经敏化后的试样用草酸溶液电解腐蚀后用Axio Imager Aim 正立智能数字万能材料显微镜观察显微组织。 2 试验结果与讨论 2.1 敏化后的显微组织 该钢敏化后的组织如图2所示，可见发生了明显的敏化，在晶界有很多碳化物析出。 2.2 敏化对抗应力腐蚀开裂性能的影响 从图3~7可以看出，不同条件下，敏化后试样的试验曲线基本都处于未敏化试样曲线的下方，表明敏化后该钢在NaOH溶液中的强度、伸长率等指标均有不同程度下降，即抗应力腐蚀开裂能力下降。另外，在NaOH溶液浓度相同的条件下，该钢敏化前后曲线随着温度升高分离程度增大，说明温度越高，敏化对该钢抗应力腐蚀能力的影响越显著。 图2 敏化后304L不锈钢的显微组织 Fig.2 Microstructure of 304L stainless steel after sensitization 图3 每化前后 304L 不锈钢在200℃和20g·L-1NOH溶液中的 SSRT曲线 Fig.3 SSRT curves of sensitized and unsensitized 304L stainlesssteels in 200 ℃， 20 g·L- NaOH solution 图4 敏化前后 304L 不锈钢在250℃和20g·L·NaOH溶液中的SSRT曲线 Fig.4 SSRT curves of sensitized and unsensitized 304L sta inlesssteels in 250 ℃，20g·L-1 NaOH solution 图5 敏化前后304L不锈钢在280℃和20g·L·NOH溶液中的 SSRT曲线 Fig.5 SSRT curves of sensitized and unsensitized 304L stainlesssteels in 280 ℃， 20 g·L-1 NaOH solution 图6 敏化前后304L 不锈钢在200℃和50g·L-1NOH溶液中的 SSRT曲线 Fig.6 SSRT curves of sensitized and unsensitized 304L stainlesssteels in 2000℃，50g·L-1 NaOHsolution 应变/% 图7 敏化前后304L 不锈钢在280℃和50g·L-1 NaOH溶液中的 SSRT曲线 Fig. 7 SSRT curves of sensitized and unsensitized 304Lstainless steels in 280 ℃， 50 g·L-1 NaOHsolution 根据表1可计算出不同条件下的应力腐蚀敏感因子 F(8)，见表2。由此可见，在相同的试验条件下，敏化后该钢的应力腐蚀敏感因子F(8)明显高于敏化前的。如在280℃的20g·LNaOH溶液条件下，敏化后的F(8)从37%增加到53%，增幅达到43%。另外还可看出，虽然浓度和温度都对304L不锈钢在高温、低浓度碱溶液中的抗应力腐蚀开裂性能产生影响，但是相对而言，温度的影响更大。比 表1 敏化前后304L 不锈钢的SSRT试验结果 Tab. 1 SSRT results of sensitized and unsensitized304L stainless steels NaOH溶液质 温度 敏化后 敏化前 量浓度/(g·L-) /℃ 0b/MPa 8/% ob/MPa 8/% 20 200 448 4 462 43 250 420 34 442 37 280 392 29 447 39 50 200 442 36 430 42 280 320 18 367 30 表2 不同条件下试验钢的应力腐蚀敏感因子 F(0) Tab.2 F(8) under different conditions of tested steelss% NaOH溶液 敏化后 敏化前 质量浓度 /(g·L-1) 200 C 250 ℃ 280℃ 200℃ 250℃ 280℃ 34 45 53 40 42 一 70 如在50g·LNaOH溶液中，温度从200)C升到280℃后，敏化后F(8)的增幅分别为59%和67%；而在280℃条件下，溶液质量浓度从20gg·L升到50g·L后，敏化后 F(8)的增幅仅为38%和32%。这是因为温度提高后不但降低了该钢的强度，而且还增加了碱溶液的腐蚀能力，因此温度的影响更加显著。 2.3 敏化前后断口的SEM形貌 由图8和图9可见，两种试样的裂纹均起源于表面，向内部扩展，心部为终断区，均表现为韧窝特征，但相比较而言，敏化式样心部的韧窝小且浅，说明敏化后钢的塑性受到影响。 两种试样断口边缘均表现为脆性断裂的解理特征，但有一定差异；未敏化试样断口边缘为连续的河流花样，裂纹穿晶扩展；敏化后试样断口边缘也可见 (a) 未敏化试样的整体断口 图8 未敏化试样在280℃和20g·L-NaOH溶液中断口的 SEM形形 Fig. 8 SEM fractographs of specimen in 20 g.L-1 NaOH solution at 280℃： (a) 敏化试样的整体断口 (b) 断口心部的韧窝特征 (c) 断口边缘穿晶和沿晶解理断口 图9 敏化试样在280℃和20g·L-NaOH溶液中断口的 SEM 形貌 Fig.9 SEM fractogra phs of sensitized specimen in 20 g.L-1 NaOH solution at 280 ℃： (a) fracture surface of sensitized specimen； (b) dimple characteristics at the center of fracture surface and(c) cleavage trangranular and intergranular fracture at the edge of fracture 河流花样，但被沿晶二次裂纹割裂，且表面还可见较多沿晶开裂形成的“岩石”特征，表明敏化后晶界弱化，造成晶界处强度和抗腐蚀性能均下降，应力腐蚀裂纹既可穿晶扩展，也可沿着晶界扩展。裂纹扩展通道的增加会导致材料容易开裂。 3 结 论 (1)敏化会大大降低304L 不锈钢在不同浓度和温度 NaOH溶液中的抗应力腐蚀开裂性能。 (2)敏化后该钢的抗应力腐蚀开裂性能对温度和浓度都比较敏感，但温度的影响更大。 (3) 该钢经敏化后，由于碳化物沿着晶界析出，使得晶界附近形成贫铬区，导致晶界抗腐蚀性能下降，在腐蚀介质作用下出现了沿晶开裂。 (上接第17页) 为中间高两边低；间隙为100um时，接头中心显微硬度为850 MPa，60 um 时为340MPa；当钎缝间隙为30um时，接头组织基本固溶体组织，综合性能最好。 ( 参考文献： ) ( [1] OU CL，LIAWDW，DU YC. 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All rights reserved. http：//www.cnki.net 通过慢应变速率拉伸试验和扫描电镜研究了敏化对 304L 不锈钢在高温下不同浓度NaO H 溶液中应力腐蚀开裂的影响。结果表明 :经敏化后该钢在不同温度和浓度 NaO H 溶液中的抗应力腐蚀开裂性能显著下降 ,其中温度的影响比浓度更为显著 ;性能下降的主要原因是敏化后碳化物沿晶界析出 ,形成了贫铬区。