奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂研究

張　霞　李　燕

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，青島 266106）

奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂研究

張霞李燕

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，青島 266106）

材質(zhì)為SUS301鋼的離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓筒身發(fā)生碎裂，通過現(xiàn)場觀察、材質(zhì)分析、金相檢驗(yàn)等檢測方法對筒體碎片的宏觀形貌、顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明，筒體在富含氯離子的環(huán)境中，在氯離子和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

SUS301不銹鋼 應(yīng)力腐蝕 斷裂

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性，是不銹鋼類中鋼種最多、使用量最大的一種（約占整個不銹鋼產(chǎn)量的65%～70%），在化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。但不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對性的，如它在空氣、水、中性溶液和各種氧化性介質(zhì)中是穩(wěn)定的，而在其他的一些介質(zhì)條件下可能發(fā)生腐蝕破壞。不銹鋼發(fā)生的腐蝕破壞多是局部腐蝕破壞，最常見的有晶間腐蝕、孔蝕和應(yīng)力腐蝕[1-2]。應(yīng)力腐蝕裂紋一般都很細(xì)小，而且多出現(xiàn)在容器或管道內(nèi)表面，不易發(fā)現(xiàn)。應(yīng)力腐蝕裂紋常導(dǎo)致不銹鋼構(gòu)件在低于設(shè)計(jì)應(yīng)力、無明顯宏觀變形和不出現(xiàn)任何征兆的情況下突然迅速破裂，危害性極大[3]。

1　設(shè)備情況

圖1　離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓筒身碎裂

國內(nèi)某淀粉廠有4臺同型號用于加工淀粉的設(shè)備，離心機(jī)轉(zhuǎn)筒材質(zhì)為SUS301，常溫下工作，工作介質(zhì)為淀粉。在使用3年后，其中一臺出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓筒身碎裂問題，見圖1。為確定故障的發(fā)生原因，對內(nèi)筒進(jìn)行材質(zhì)分析，并對碎片進(jìn)行宏觀和微觀等檢測分析，以便采取相應(yīng)預(yù)防措施杜絕事故發(fā)生。

2　實(shí)驗(yàn)情況

2.1工作介質(zhì)檢測

對離心機(jī)加工的淀粉物料取樣，標(biāo)本為固體和液體兩種，經(jīng)過檢驗(yàn)得表1。

表1　工作介質(zhì)檢測

以上結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006對照，在國標(biāo)中第三項(xiàng)感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)規(guī)定氯化物的限值為250mg/L。物料中的氯含量（折合氯化物含量）則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上面的數(shù)值。所以，可以看出，該公司在物料生產(chǎn)過程中添加了氯化物。液體物料中含有氧離子和硫酸根離子，并呈弱酸性（pH值小于7）。根據(jù)文獻(xiàn)報道[4-5]，奧氏體不銹鋼在氯元素環(huán)境下受到拉應(yīng)力作用極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕?？梢?，此物料是引起設(shè)備應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)。

2.2性能分析

圖2 碎片斷口

圖2為碎片斷口圖。經(jīng)過觀察，碎片沒有發(fā)現(xiàn)明顯的均勻腐蝕現(xiàn)象。而碎片斷口呈典型解理性斷口，放射性紋理明顯，基本沒有側(cè)向變形。用錘擊碎片明顯分辨出金屬撞擊聲消失，韌性大大降低，脆性增加。靠近磁鐵有明顯的磁性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，碎片材料的機(jī)械性能見表2。

表2　碎片機(jī)械性能

對碎片進(jìn)行機(jī)械性能測試，在對碎片進(jìn)行切取拉伸試樣時，已沒有明顯的屈服現(xiàn)象，延伸率極低，材料性能明顯脆化。

2.3材質(zhì)分析

對制造轉(zhuǎn)鼓筒體的原材料板材、轉(zhuǎn)鼓筒體碎片表面（內(nèi)壁一側(cè)）和碎片心部（進(jìn)行銑削加工去除6mm）進(jìn)行成份分析，如表3所示。

從表3中可以看出，制造轉(zhuǎn)鼓筒體的原材料和轉(zhuǎn)鼓筒體碎片心部的主要成份Cr、Ni的含量都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，符合SUS301標(biāo)準(zhǔn)，屬于奧氏體不銹鋼。但是，對比碎片心部和表面的化學(xué)成分，Ni的含量明顯降低，這也在一定程度上削弱了材料的耐蝕性。

表3　碎片成分

2.4金相分析

對轉(zhuǎn)鼓筒身碎片取樣進(jìn)行金相分析，如圖3所示，均發(fā)現(xiàn)存在明顯的顯微裂紋，具有明顯的穿晶現(xiàn)象和局部點(diǎn)蝕坑。裂紋從點(diǎn)蝕開始，并逐漸從表面向內(nèi)部擴(kuò)展，一般表現(xiàn)為穿晶擴(kuò)展，裂紋尖端常常出現(xiàn)分枝，整體呈現(xiàn)樹枝狀，具有準(zhǔn)解理、扇形并伴有泥狀龜裂特征，局部還存在二次裂紋和表面點(diǎn)蝕坑。

圖3　碎片金相圖片

3　事故原因分析

應(yīng)力腐蝕破壞是在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)的低于強(qiáng)度極限的脆性開裂現(xiàn)象，屬于低應(yīng)力破壞。按照腐蝕介質(zhì)分類，應(yīng)力腐蝕可分為氯脆、堿脆、氨脆和硝脆等。氯脆則是在濃的Cl-介質(zhì)中引起脆斷的簡稱。當(dāng)pH為6～7時，奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕最為敏感[6-7]。從轉(zhuǎn)鼓筒體碎裂的特征來看，符合應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)。

3.1存在應(yīng)力場

轉(zhuǎn)鼓筒體所受應(yīng)力主要是筒體制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和離心機(jī)工作過程產(chǎn)生的工作應(yīng)力。SUS301雖然是奧氏體不銹鋼的一種，但是該鋼種Cr、Ni含量在奧氏體不銹鋼中是最低的，奧氏體也最不穩(wěn)定。經(jīng)冷作加工后，奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，相變的發(fā)生會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。筒體在焊接過程中，由于焊接熱循環(huán)的作用，將產(chǎn)生熱應(yīng)力。離心機(jī)在工作時，轉(zhuǎn)鼓筒體自轉(zhuǎn)與對物料的加工都會產(chǎn)生拉應(yīng)力。以上應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的主要原因。拉應(yīng)力越大，斷裂的時間越短。而在給定的介質(zhì)條件下，小于某一應(yīng)力值時就不會產(chǎn)生開裂，此應(yīng)力值稱為應(yīng)力腐蝕的門檻值[8-9]。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力與材料在工作狀態(tài)的屈服強(qiáng)度有密切關(guān)系，對奧氏體鋼一般在的范圍就可以造成裂紋，從啟裂點(diǎn)開始沿橫向擴(kuò)展呈樹根狀密集分枝，穿晶開裂。

轉(zhuǎn)鼓筒身工作時的環(huán)向應(yīng)力σφ=(σφ)1+(σφ)2，(σφ)1為轉(zhuǎn)鼓筒體自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，(σφ)2為加工物料產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理計(jì)算轉(zhuǎn)鼓筒身自轉(zhuǎn)時的環(huán)向應(yīng)力(σφ)1：

式中，ρ0為密度，μ為泊松比，E為材料的彈性模量，r為徑向位移，u為周向位移，w為角速度。求解以上微分方程，得到周向應(yīng)力在Ra處為極大值，其中內(nèi)徑mm，壁厚mm，桶身高度h=1060mm，轉(zhuǎn)速nmax=960rad/ min，密度ρ=7.9g/mm3，裝料限量kg，得：

所以，可以認(rèn)為在此種條件下工作，可以產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

3.2腐蝕環(huán)境

通過檢測物料發(fā)現(xiàn)，其中氯元素含量超標(biāo)，并且為弱酸性，奧氏體不銹鋼對氯離子很敏感。氯離子的活化作用使不銹鋼合金的鈍化膜破壞，造成裸露出的金屬與周圍的連續(xù)鈍化膜形成微電池。金屬作為陽極被溶解形成微裂紋，裂紋在腐蝕和應(yīng)力共同作用下擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂。

4　結(jié)論

根據(jù)以上分析，主要從兩個方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）避免或盡量減少淀粉生產(chǎn)過程中加入氯化物作添加劑。（2）在工作介質(zhì)無法改變的情況下，建議采用抗應(yīng)力腐蝕（含氯離子介質(zhì)）性能更好的鋼種，

如含鉬奧氏體鋼（如0Cr18Ni12Mo2），或更加優(yōu)良的雙相不銹鋼（如00Cr22Ni5Mo3N）。（3）通過合理的熱處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低零件制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

[1]杜存臣.奧氏體不銹鋼在工業(yè)中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2003，（2）：54-57.

[2]胡方.化工設(shè)備中奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和防護(hù)[J].化工設(shè)備與管道，2002，（3）：51-54.

[3]曹福想，張啟禮.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋失效分析及對策[J].南方金屬，2008，(3)：9-11.

[4]張明樂.TP321H不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開裂分析[J].石油化工設(shè)備，2010，（4）：100.

[5]沈保羅，李旭初.奧氏體不銹鋼產(chǎn)生氯脆的影響因素及對策[J].化工腐蝕與防護(hù)，1996，（2）：17-22.

[6]張振杰.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂探討[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2005，（2）：48-51.

[7]董超芳，關(guān)矞心，程學(xué)群.PH值對高溫高壓水中304L不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2010，（12）：1569-1573.

[8]張國華，李敬高.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕分析研究[J].焊接技術(shù)，2002，（6）：53-54.

[9]肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問題[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Research of Stress-corrosion Cracks of Austenitic Stainless Steel Components

ZHANG Xia,LI Yan
(Qindao College, Qingdao Technological University, Qingdao 266106)

Centrifuge drum body made of SUS301 steel occurred fracture. Through the field observation, material analysis, metallographic examination, macro-morphology and microstructure of broken pieces, were analyzed. It was found that the inner wall was stress-corroded and fra ctured due to the combined effects of Cl-ions and tensile stresses in a Cl-containing surrounding.

SUS301 stainless steel, stress corrosion, fracture