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不锈钢储罐上的316L焊接接头及母材的耐蚀性能研究

作者:镇田机械 时间:2019-04-04 08:14
不锈钢储罐上的316L焊接接头及母材的耐蚀性能研究 如前文所述,在本研宄中采用四点弯曲恒载荷法对316L不锈钢储罐焊接接 头及母材的应力腐蚀敏感性进行研宄。根据国标GB/T 15970.2-2000对以下 信息摘要:

不锈钢储罐上的316L焊接接头及母材的耐蚀性能研究

如前文所述,在本研宄中采用四点弯曲恒载荷法对316L不锈钢储罐焊接接 头及母材的应力腐蚀敏感性进行研宄。根据国标GB/T 15970.2-2000对以下三组 试样进行应力腐蚀试验(每组2个试样),并分析其应力腐蚀敏感性:(I)服役 15年焊接接头试样、(II)未经服役316L焊接接头试样、(III)服役15年后316L 母材试样。应力腐蚀试验结果如表4-2所示,可见同样经过15年服役,储罐焊 接接头试样开裂时间要明显比储罐母材试样开裂时间短,而未经服役的储罐焊接 接头试样在试验过程中(200小时)未发生开裂,因此对于应力腐蚀敏感性,经 15年服役储罐焊接接头>经15年服役储罐母材>未经服役储罐焊接接头,除了 长时间服役以外,焊接过程对于316L不锈钢的应力腐蚀敏感性同样有较大的影响。

不锈钢储罐上的316L焊接接头及母材的耐蚀性能研究

表4-2应力腐蚀试验结果

试验后经观察发现对于不同试样,不锈钢储罐其开裂位置也有所不同。对于经服役后的 母材试样,由于在应力腐蚀四点弯曲试验中在加载点之间载荷是均匀分布的,因 此裂纹也是在加载点间均匀分布。而对于焊接接头试样,裂纹集中分布于焊缝中 心与热影响区。对热影响区裂纹进行SEM观察发现,在裂纹周围存在大量的沉 淀相,如图4-8。根据前文分析可知这些沉淀相主要为Cr23C6等富Cr碳化物, 经测量,热影响区裂纹距熔合线的距离为2-3mm,这与Cr23C6碳化物的生成的 敏感温度区间450°C-850°C所在位置相符,因此可以认为在焊接过程中在焊接热 循环的作用促进了这些碳化物的析出。研宄表明[18]当奥氏体不锈钢内部过饱和的 C与固溶体元素Cr结合形成Cr23C6碳化物并沉淀析出后,在Cr23C6碳化物附近 的晶界区域,Cr含量大大降低,而由于Cr原子体积较大,扩散激活能高,扩散 速率较慢,因而在CbC6碳化物附近形成贫铬区,当Cr的有效含量低于12%时, 造成不锈钢组织的耐蚀性显著降低。

在应力腐蚀试验中,最大载荷是根据试样的屈服强度确定的,然而对于焊接 接头的焊缝、热影响区及母材,力学性能有着显著的差异,这与也会对裂纹产生 的位置有显著影响。由于硬度主要取决于材料的化学成分和冷却条件,其实质是 反映不同显微组织的性能。通常可以用最高硬度来间接预测热影响区的韧性、脆 性和抗裂性等性能[82-83]。因此,根据焊接接头的最高硬度值可以初步判断该区域 的强度。

不锈钢储罐上的316L焊接接头及母材的耐蚀性能研究

图4-8热影响区裂纹SEM照片

图4-9为不锈钢储罐封头焊接接头试样表面和横截面中心熔合线附近的硬度 分布图,其中竖线为熔合线所在位置,其左侧为焊缝,右侧为热影响区及母材。 由图4-9可见对于试样表面和横截面,硬度值从焊缝到熔合线到热影响区都有逐 渐增大的趋势。这是因为焊缝组织主要由柱状奥氏体和断续分布在奥氏体基体上 的骨架状铁素体组成,其硬度值较低,在200HV以内。而奥氏体不锈钢母材, 由于经过旋压工序,变形量较大,因此其硬度值较高,达到300HV左右。当奥 氏体不锈钢的变形量较大时,由于奥氏体晶粒产生了较大的变形,组织中位错等 缺陷的密度大,晶格的能量也增大,这会使奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能下降。值 得注意的是,在靠近熔合线的热影响区一侧奥氏体不锈钢母材发生了软化现象, 并随着距熔合线距离的增加硬度值由185HV逐渐增加到与远离热影响区的母材 相同。这是因为在焊接热循环的影响下,变形的奥氏体晶粒发生回复和再结晶作 用,使硬度明显下降,此外距熔合线距离较近的区域由于加热的最高温度高,高 温停留时间也长,因此奥氏体晶粒发生了明显的粗化,这导致在熔合线附近的粗 晶区硬度值最低。随着距熔合线距离的增加,加热的最高温度和高温停留时间都 减小,因而只有部分奥氏体晶粒发生再结晶作用,硬度值波动较大。当距熔合线 距离进一步增加时,其硬度值逐渐与母材硬度值趋于一致。另外由于在试样横截 面存在部分铁素体,因而其硬度值稍小于试样表面的硬度值。

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由硬度试验结果可见,由于不锈钢储罐焊缝的硬度较低,可推断其强度也较低,因此虽 然如前文所述由FA模式形成的焊缝组织耐腐性和韧性较好,但在应力腐蚀试验 中在焊缝中心(即试样中心应变最大处)仍有裂纹产生。而对于热影响区裂纹, 因为其出现的位置距熔合线2-3mm,并非硬度最低处,因此可以断定富Cr碳化 物的析出是造成热影响区耐蚀性下降的主要原因。

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图4-10分别为应力腐蚀试验试样中的焊缝裂纹、热影响区裂纹和母材裂纹的 SEM照片。由图4-10(a)可见,焊缝裂纹平直,主要是在应力的作用下产生的, 而对于热影响区裂纹和母材裂纹,如图4-10(b)和(c),其方向性强且分支较多, 呈明显的应力腐蚀裂纹特征,其中在热影响区裂纹周围存在较多的析出相。与实 际裂纹不同的是,在应力腐蚀试验中产生的裂纹主要以穿晶的方式扩展,表明试 验条件与实际条件存在一定的差异,但是在试验中各试样所处外部条件是一致 的,因此所得结果仍有一定的价值。

图4-11为应力腐蚀试验试样中热影响区裂纹的SEM照片,从图中可以看到 在垂直于裂纹的方向上有一定长度的沟槽存在,如白色箭头所示,这些沟槽无明 显的方向性,大都与裂纹扩展的方向垂直,说明其主要是在腐蚀的作用下产生的。 值得注意的是在应力腐蚀试验中,载荷为试样屈服强度的90%,这比实际载荷要 大得多。因而根据3.1节中所述的穿晶裂纹和沿晶裂纹的产生机理,在应力的主 导作用下,裂纹优先以穿晶形式扩展。综上所述,在服役过程中自然开裂的裂纹 是在应力和腐蚀介质共同作用下产生的,其以穿晶和沿晶相混合的形式扩展;而 在应力腐蚀试验中,由于力的作用占主导,因此试验中产生的裂纹主要以穿晶的 方式扩展。

如前文所述,富Cr碳化物的析出是其周围组织贫Cr,造成耐蚀性的降低。 除此以外,碳化物本身作为脆硬相,在力的作用下在其周围将产生应力集中,使 其与周围基体解离或自身开裂,因而其大量析出也会对316L不锈钢的力学性能 产生很大的影响。图4-11中黑色箭头分别标示出了由于碳化物自身开裂及其周 围开裂而产生的宏观裂纹。

 

图4-11应力腐蚀试验试样中热影响区裂纹的SEM照片

 

 

为了进一步研宄316L不锈钢储罐母材及热影响区的耐腐蚀性,对经15年服 役后的热影响区及母材试样进行电解浸蚀试验。由于Cr能吸收Fe的电子使Fe 钝化,提高铁基固溶体的电极电位,所以在一定的腐蚀电位的作用下,Cr含量 越高,基体的腐蚀速度越慢。因此草酸电解浸蚀试验可以很好地反映出材料因贫 Cr而引起的耐蚀性降低现象。电解浸蚀后,HAZ及母材的显微组织如图4-12所 示,图4-12(a)中可以看出,在一些母材奥氏体晶粒内部存在沿滑移带分布的腐 蚀坑,晶界虽然清晰可见,但在晶界处并未发生明显的腐蚀。而在图4-12(b)中, 热影响区奥氏体晶粒内部腐蚀坑的数量明显增多,并且腐蚀出的沟状组织同样与 滑移带方向一致,这说明滑移带的存在对富Cr相的沉淀析出起到促进作用。从 电解浸蚀试验结果中可以看出无论是母材还是热影响区,晶界的耐蚀性都未发生 明显下降,316L不锈钢储罐耐蚀性的下降主要是由沿变形带析出碳化物和c相 而造成周围组织贫Cr引起的,其中热影响区碳化物和C相的析出量明显多于母材。

 

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