高能噴丸304不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性試驗(yàn)研究

黃六一，鐘豐平，王學(xué)斌，高紅剛，張宏亮，盧志明

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；2.浙江晶盛機(jī)電股份有限公司，浙江 上虞 312300；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

304不銹鋼具有良好塑性、韌性和焊接性能，而且能耐一般介質(zhì)的均勻腐蝕，廣泛應(yīng)用于石化、核電和制藥等工業(yè)領(lǐng)域。但這種材料存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)：在含氯離子的環(huán)境中，容易發(fā)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞[1-4]。這種局部腐蝕的發(fā)生一般沒有預(yù)兆，屬于低應(yīng)力脆性破壞，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的突然開裂或爆炸，造成嚴(yán)重的后果，因此304不銹鋼的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕已成為影響其安全應(yīng)用的瓶頸。應(yīng)力腐蝕是在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的開裂現(xiàn)象，304不銹鋼在含氯離子的溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理屬于陽(yáng)極溶解型[5]。材料表層的金相組織和力學(xué)性能對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展具有很大的影響，采用表面強(qiáng)化技術(shù)是提高304不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能的有效手段之一。高能噴丸(High energy shot peening，HESP)采用比一般機(jī)械噴丸更高的能量將金屬?gòu)椡韪咚賴娚涞讲牧媳砻妫蛊洚a(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到改善材料表層金相組織和力學(xué)性能的目的。國(guó)內(nèi)外對(duì)采用高能噴丸進(jìn)行材料表面強(qiáng)化已進(jìn)行了大量的研究。李東等[6-7]對(duì)SS400鋼焊接接頭進(jìn)行高能噴丸試驗(yàn)，噴丸處理的試樣分析表明：經(jīng)過高能噴丸處理后，焊接接頭表面形成了尺寸均勻的納米晶粒，表層硬度和疲勞性能均得到了提高。王天生等[8]采用高能噴丸方法對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了噴丸處理，實(shí)現(xiàn)了試樣表面納米化，提高了試樣在NaCl溶液中的耐腐蝕性能。Bagherifard等[9]對(duì)低合金鋼進(jìn)行高能噴丸處理，表層也獲得了納米晶組織，處理后的試樣抗疲勞性能得到明顯提高。Raja等[10]進(jìn)行了Ni-22Cr-13Mo-4W合金的高能噴丸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該合金經(jīng)處理后在鹽酸中的耐腐蝕性能明顯提高。

與普通機(jī)械噴丸工藝相比，高能噴丸的主要特點(diǎn)在于噴丸壓力大和彈丸硬度高，比普通機(jī)械噴丸能量更大，因此表面強(qiáng)化效果更好。目前，對(duì)高能噴丸處理改善材料表層力學(xué)性能的研究比較多，但對(duì)高能噴丸處理對(duì)304不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性影響的研究報(bào)道較少[11-13]。筆者選取了不同表面噴丸壓力和噴丸時(shí)間參數(shù)的組合，對(duì)304不銹鋼板狀試樣進(jìn)行高能噴丸處理，采用X射線洐射(XRD)方法分析了試樣表層的金相組織和晶粒大小，并通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)(SSRT)，研究了高能噴丸工藝參數(shù)對(duì)304不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感指數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料采用304不銹鋼薄鋼板，厚度為2 mm，試樣尺寸如圖1。304不銹鋼試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為C 0.068%，Si 0.58%，Mn 1.65%，P 0.024%，S 0.004%，Cr 18.86%，Ni 8.35%，其余為Fe。

圖1 應(yīng)力腐蝕試樣(單位：mm)Fig.1 Specimen design for slow strain rate tensile tests(unit: mm)

試樣采用激光切割方法加工，切割前對(duì)標(biāo)距部分(15 mm)進(jìn)行高能噴丸處理。高能噴丸在氣動(dòng)式噴丸機(jī)上進(jìn)行，其原理如圖2所示。在高壓氣流的作用下，噴嘴處產(chǎn)生了負(fù)壓，置于彈丸倉(cāng)內(nèi)的不銹鋼彈丸被抽吸到噴嘴處，并在氣流帶動(dòng)下高速?zèng)_擊試樣表面，使其產(chǎn)生塑性變形。不銹鋼彈丸直徑為0.5 mm，噴嘴與試樣表面之間的距離為100 mm。分別選用7種噴丸壓力(氣流壓力)，即0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6 MPa，5 種噴丸時(shí)間，即1，2，3，5，8 min對(duì)試樣進(jìn)行噴丸處理。采用X射線衍射儀(X射線源為Cu靶Kα射線)對(duì)高能噴丸處理后試樣進(jìn)行表面金相組織分析，采用Scherrer公式計(jì)算晶粒尺寸和晶格畸變。在慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，拉伸速率為2.6×10-5mm/s。

圖2 高能噴丸原理Fig.2 Schematic of the HESP treatment

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相組織分析

高能噴丸處理產(chǎn)生的塑性變形將誘發(fā)304不銹鋼馬氏體相變。為了檢測(cè)噴丸前后試樣的金相組織變化，筆者采用X射線衍射(XRD)方法對(duì)采用不同噴丸壓力和時(shí)間處理后的材料作了定量XRD圖譜分析。圖3為噴丸時(shí)間5 min時(shí)，不同噴丸壓力下試樣表面的XRD圖譜；圖4為噴為壓力0.5 MPa時(shí)，不同噴丸時(shí)間下試樣表面的XRD圖譜。

圖3 不同噴丸壓力試樣表面的XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum of the specimen surface tested at different peening pressures

圖4 不同噴丸時(shí)間試樣表面的XRD圖譜Fig.4 XRD spectrum of the specimen surface tested at different peening time

從圖3，4可以看出：未經(jīng)噴丸的304不銹鋼試樣表層金相組織均為奧氏體，當(dāng)噴丸壓力較低時(shí)未出現(xiàn)馬氏體相；當(dāng)噴丸壓力增大到0.35 MPa時(shí)，表層產(chǎn)生了馬氏體相變；隨著噴丸壓力(噴丸時(shí)間)的增大，馬氏體相逐漸增加。材料表層在高能彈丸作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，產(chǎn)生了應(yīng)變硬化現(xiàn)象，從而誘發(fā)馬氏體相變[14]。

2.2 晶粒尺寸分析

高能噴丸處理產(chǎn)生的塑性變形在誘發(fā)304不銹鋼馬氏體相變的同時(shí)也使其表層產(chǎn)生晶粒細(xì)化現(xiàn)象。根據(jù)X射線衍射(XRD)理論，晶粒尺寸可以通過試樣衍射峰的峰寬。計(jì)算公式為

(1)

式中：D為晶粒的平均厚度；K為Scherrer常數(shù)；λ為X射線波長(zhǎng)(為0.154 056 nm)；B為衍射峰半高寬度；θ為衍射角。

計(jì)算得到不同噴丸壓力和時(shí)間噴丸處理下的晶粒尺寸，結(jié)果如表1，2所示。

表1 不同噴丸壓力下試樣表層的晶粒尺寸和晶格畸變

表2 不同噴丸時(shí)間試樣表層的晶粒尺寸和晶格畸變

由表1，2可以知：經(jīng)高能噴丸處理后試樣表層晶粒得到細(xì)化。當(dāng)噴丸壓力從0.3 MPa增加到0.6 MPa或噴丸時(shí)間由1 min增到8 min時(shí)，試樣表層晶粒尺寸逐漸減小，同時(shí)晶格畸變相應(yīng)增大。表1，2的晶粒尺寸為18.7～33.9 nm，實(shí)現(xiàn)了表層晶粒的納米化。當(dāng)噴丸壓力或噴丸時(shí)間增大達(dá)到一定數(shù)值后，納米晶結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，晶粒不再細(xì)化。

2.3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

應(yīng)力腐蝕性能可以通過應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)衡量，即在惰性介質(zhì)(空氣)中的試驗(yàn)參數(shù)與腐蝕介質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液)中的試驗(yàn)參數(shù)相對(duì)比值。表征應(yīng)力腐蝕敏感性的試驗(yàn)參數(shù)包括試樣伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積(反映了試驗(yàn)過程中吸收能量)等。在這幾個(gè)參數(shù)中，因?yàn)閼?yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積同時(shí)包含了應(yīng)力和應(yīng)變兩方面的影響，故筆者選取應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積A來(lái)計(jì)算應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)。以應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積A計(jì)算應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)公式為

(2)

式中：F(A)為應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)；A0為試樣在空氣中應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積；A為試樣在腐蝕介質(zhì)中應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積。

圖5顯示了噴丸壓力分別為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6 MPa時(shí)，慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，此時(shí)選定噴丸時(shí)間為5 min。

1—未噴丸/空氣；2—未噴丸/3.5% NaCl溶液；3—0.3 MPa；4—0.35 MPa；5—0.4 MPa；6—0.45 MPa；7—0.5 MPa；8—0.55 MPa；9—0.6 MPa。圖5 不同噴丸壓力下試樣慢應(yīng)變速率拉伸曲線Fig.5 Stress-strain curves of the slow strain rate tests under different peening pressures

根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖中的面積，計(jì)算得到不同噴丸壓力下的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)，結(jié)果如表3所示，表中3.5% NaCl是以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

表3 不同噴丸壓力下試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)

圖6為噴丸壓力0.5 MPa，噴丸時(shí)間分別選取1，2，3，5，8 min時(shí)的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

1—未噴丸/空氣；2—噴丸/3.5% NaCl溶液；3—1 min；4—2 min；5—3 min；6—5 min；7—8 min。圖6 不同噴丸時(shí)間后試樣慢應(yīng)變速率拉伸曲線Fig.6 Stress-strain curves of the slow strain rate tests under different peening times

同樣根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積，可以計(jì)算得到不同噴丸時(shí)間下的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同噴丸時(shí)間后試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)

由表3，4可知：未經(jīng)高能噴丸處理的304不銹鋼試樣，其應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)為27，屬于較敏感的材料。經(jīng)高能噴丸處理后，304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)明顯減小。當(dāng)噴丸壓力增大(或噴丸時(shí)間增加)時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)不是單調(diào)變化，而是呈現(xiàn)了先減小后增大的規(guī)律。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從高能噴丸處理對(duì)材料表面的強(qiáng)化效果來(lái)分析。高能金屬?gòu)椡铔_擊試樣表面，使其發(fā)生塑性變形，表層晶粒得到了細(xì)化，晶粒細(xì)化后減小了應(yīng)力集中，裂紋驅(qū)動(dòng)力可由更多晶粒來(lái)承受，從而阻礙了裂紋的形核和擴(kuò)展。因此，高能噴丸處理導(dǎo)致的晶粒細(xì)化能使304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)減小。但是，高能噴丸處理導(dǎo)致試樣表面的塑性變形，使其產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象，誘發(fā)馬氏體相變，因此試樣表層由處理前的全部奧氏體相演變?yōu)閵W氏體和馬氏體共存的金相組織。沿奧氏體晶界形成的馬氏體相使晶界鉻的富集程度降低，鈍化膜的完整性遭到破壞，容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋的形核和擴(kuò)展[15-16]。另外，馬氏體相電極電位較高，對(duì)于奧氏體相來(lái)說(shuō)是陽(yáng)極，將優(yōu)先溶解，從而在馬氏體相處構(gòu)成裂紋擴(kuò)展的活性通道，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的形核和擴(kuò)展[17-18]。因此，高能噴丸處理后產(chǎn)生的表層馬氏體的相變使304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)增大。

高能噴丸處理產(chǎn)生的晶粒細(xì)化和馬氏體相變對(duì)304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)產(chǎn)生相反的作用，因此，不同噴丸工藝參數(shù)下304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性的變化規(guī)律取決于這兩者的權(quán)重。當(dāng)噴丸壓力小于0.45 MPa(或噴丸時(shí)間少于3 min)時(shí)，晶粒細(xì)化作用大于馬氏體相變，因此應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)隨著噴丸壓力增大(或噴丸時(shí)間增加)而減??；當(dāng)噴丸壓力大于0.45 MPa(或噴丸時(shí)間超過3 min)時(shí)，形變誘發(fā)的馬氏體相變將占主導(dǎo)地位，因此應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)隨著噴丸壓力增大(或噴丸時(shí)間的增加)而增大。

3 結(jié) 論

通過不同噴丸壓力和噴丸時(shí)間下的高能噴丸處理試驗(yàn)，研究了噴丸工藝參數(shù)對(duì)304不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性的影響。研究結(jié)果顯示：通過高能噴丸處理導(dǎo)致了304不銹鋼的表面改性，并改善其抗應(yīng)力腐蝕的性能。高能噴丸處理使304不銹鋼試樣發(fā)生了塑性變形，誘發(fā)了馬氏體相變，并導(dǎo)致了晶粒細(xì)化，表層晶粒尺寸達(dá)到了納米級(jí)(15～60 nm)；試樣表層由未處理前的全部奧氏體相，演變?yōu)閵W氏體和馬氏體共存的金相組織，并隨著噴丸壓力增大或噴丸時(shí)間的增加，馬氏體相逐漸增加；與未噴丸的304不銹鋼相比，通過高能噴丸處理后，304不銹鋼試樣在含氯離子的溶液中抗應(yīng)力腐蝕開裂性能明顯提高；高能噴丸處理產(chǎn)生的晶粒細(xì)化和馬氏體相變對(duì)304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)產(chǎn)生相反的作用機(jī)理，不同噴丸工藝參數(shù)下304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性的變化規(guī)律取決于這兩者所起作用的大小。