分享：S32101雙相不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗不合格原因

唐琴燕,黃敏敏,許云偉,劉恒基,葉尚杰,姜思源

(中國能源建設集團浙江火電建設有限公司,杭州 310016)

    摘 要:為探究S32101雙相不銹鋼焊接后接頭晶間腐蝕試驗不合格的原因,對晶間腐蝕試驗不合格的焊接接頭進行了金相檢驗、X射線光電子能譜(XPS)分析和鐵素體含量測試。結果表明:晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學成分偏析,造成鉻的質量分數(shù)偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區(qū),導致材料的抗晶間腐蝕能力降低。另外,顯微組織中的鐵素體含量偏低,也增加了貧鉻區(qū)形成的可能性,進一步降低了抗晶間腐蝕能力。

    關鍵詞:晶間腐蝕;金相檢驗;X射線光電子能譜分析;鐵素體;貧鉻區(qū)

    中圖分類號:TG17 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)05-0014-04

CauseofFailureinIntergranularCorrosionTestofS32101Duplex

StainlessSteelWeldedJoint

TANGQinyan,HUANG Minmin,XUYunwei,LIUHengji,YEShangjie,JIANGSiyuan

(ChinaEnergyEngineeringGroupZhejiangThermalPowerConstructionCo.,Ltd.,Hangzhou310016,China)

    Abstract:InordertoexplorethereasonofunqualifiedintergranularcorrosiontestofS32101duplexstainless

steelweldedjoint,metallographicexamination,Xrayphotoelectronspectroscopy(XPS)analysisandferritecontent

testwerecarriedoutonweldedjointwhichfailedinintergranularcorrosiontest.Theresultsshowthatthereason

forthefailureofintergranularcorrosiontestisthatthereischemicalcompositionsegregationinthe material,

resultinginthelowcontentofchromium,andchromium carbideprecipitatesatthegrainboundaryduringthe

weldingprocess,formingachromiumpoorzone,whichleadstothereductionofintergranularcorrosionresistance

ofthematerial.Inaddition,thelowcontentofferriteinthemicrostructurealsoincreasesthepossibilityofthe

formationofchromiumpoorzoneandfurtherreducestheresistancetointergranularcorrosion.

Keywords:intergranularcorrosion;metallographicexamination;X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis;

ferrite;chromiumpoorzone

2 晶間腐蝕試驗

    采用合格的材料、設備和合理的工藝進行焊接,接頭經(jīng)過射線檢測合格后,根據(jù)ISO3651-1:1998Determination of resistance to intergranularcorrosion of stainlesssteelsPart1:Austeniticandferritic-austenitic(duplex)stainlesssteels—Corrosion test in nitric acid medium bymeasurementoflossinmass(Hueytest)的技術要求對焊接接頭進行晶間腐蝕試驗,試驗過程如下。

    (1)敏化熱處理,將試樣加熱到(700±10)℃后保溫30min,然后水冷。

    (2)試樣表面處理,用砂紙去除試樣表面的氧化皮,并進行去油處理。

    (3)配 制 腐 蝕 液,在 700 mL 蒸 餾 水 中 溶 解100g五水硫酸銅(CuSO4·5H2O),加入100mL硫酸(密度ρ為1.84g·mL-1),然后加水至溶液達到1000mL。

    (4)腐蝕試驗,將處理好的試樣嵌入燒瓶底部的電工級銅屑中,試樣應與銅屑接觸,但試樣之間互相不接觸。首先把試樣浸入冷的腐蝕液中,然后將溶液加熱到沸騰,并使腐蝕液保持沸騰20h。

    (5)彎曲試驗,腐蝕試驗完成后,在一個半徑不超過試樣厚度的芯棒上對試樣進行至少90°的彎曲試驗。

晶間腐蝕試驗結果如圖2所示,可見焊縫處有裂紋缺陷。

3 結果及分析

3.1 微觀形貌

    對圖2中區(qū)域2焊縫裂紋區(qū)表面打磨、拋光后,在光學顯微鏡下進行觀察,其微觀形貌如圖3所示?？梢娏鸭y沿晶界擴展,裂紋附近存在圓形腐蝕坑。因此判斷該裂紋屬于晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋,裂紋附近有圓形腐蝕坑,說明焊接過程中,在敏感溫度區(qū)停留時間過長,造成碳化物析出。

    可見裂紋沿晶界擴展,裂紋附近存在圓形腐蝕坑。因此判斷該裂紋屬于晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋,裂紋附近有圓形腐蝕坑,說明焊接過程中,在敏感溫度區(qū)停留時間過長,造成碳化物析出。

3.2 金相檢驗

    在圖2中區(qū)域2焊縫裂紋區(qū)截取金相試樣,打磨、拋光后,對試樣表面浸蝕,然后在光學顯微鏡下進行觀察,顯微組織形貌如圖4所示,可見顯微組織為奧氏體+鐵素體(黑色凹坑處為鐵素體),晶粒與晶粒之間呈溝槽狀。

3.3 X射線光電子能譜分析

    X 射線光電子能譜(XPS)是一種基 于 光 電 效應的電子能譜,其是利用 X 射線光子激發(fā)出物質表面原子的內(nèi)層電 子,然 后 通 過 對 這 種 電 子 進 行能量分析而獲得 的 一 種 電 子 能 譜[7-9]。 對 圖 2 中的區(qū)域 1 與 區(qū) 域 2 分 別 進 行 XPS分 析,結 果 如圖5和圖 6 所 示,橫 坐 標 表 示 的 是 電 子 束 縛 能(能直接 反 映 電 子 殼 層、能 級 結 構 或 動 能),縱 坐標表示相對光 電 子 流 強 度,可 見 區(qū) 域 1 與 區(qū) 域 2均含有鈉、鐵、鉻、氧、氮、碳 和 氯 元 素。去 掉 圖 5和圖6 中 非 相 關 元 素 之 后,得 到 的 有 效 數(shù) 據(jù) 如表1所示。

    由表1可知,出現(xiàn)裂紋的區(qū)域2在焊接過程中產(chǎn)生了化學成分偏析,造成區(qū)域2鉻質量分數(shù)降低,遠未達到焊材質保書中21.5%~23.5%的要求,致使該處抗晶間腐蝕能力減弱。電化學從本質上來說,是材料中各物質在腐蝕介質中的溶解速率不同,從而產(chǎn)生電極電位差,形成陰、陽兩極,會進一步導致陽極的加速溶解[10]。鉻元素會在材料表面形成一層致密的鈍化膜,降低陽極的溶解速率,而晶界處貧鉻區(qū)的鉻鈍化膜不完整,最先被腐蝕,從而導致晶間腐蝕。

3.4 鐵素體含量測試

    用磁性法[11]對試樣的焊縫區(qū)域1和區(qū)域2進行鐵素體含量測試,結果如表2所示?？梢娏鸭y所在區(qū)域(區(qū)域2)的鐵素體含量過低,則奧氏體含量高,奧氏體在碳化鉻析出時,更多的鉻留在了奧氏體晶粒內(nèi)導致更容易形成貧鉻區(qū),進而增大發(fā)生晶間腐蝕的可能性。

4 結論

    晶間腐蝕試驗不合格的原因是材料存在化學成分偏析,造成鉻的質量分數(shù)偏低,且焊接過程中在晶界處析出碳化鉻,形成貧鉻區(qū),導致材料的抗晶間腐蝕能力降低。另外,顯微組織中的鐵素體含量偏低,也增加了貧鉻區(qū)形成的可能性,進一步降低了抗晶間腐蝕能力。

5 改進措施

    為提高核電站中雙相不銹鋼的抗晶間腐蝕能力,要嚴格控制焊接工藝,避免發(fā)生晶間偏析;縮短焊接過程中在敏化區(qū)的停留時間,抑制貧鉻區(qū)的形成;控制鐵素體的含量,不能過低亦不能過高。

(文章來源：材料與測試網(wǎng)- 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 57卷 > 5期 (pp:14-17))