1、1第 1 页 共 17 页腐蚀与不锈钢应力腐蚀应力腐蚀是指零件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象。 应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。它的发生一般有以下四个特征：一、一般存在拉应力，但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀。二、对于裂纹扩展速率，应力腐蚀存在临界 KISCC，即临界应力强度因子要大于 KISCC，裂纹才会扩展。三、一般应力腐蚀都属于脆性断裂。四、应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为 10- 610-3 mm/min，而且存在孕育期，扩展区和瞬段区三部分应力腐蚀机理的机理一般认为有阳极溶解和氢
2、致开裂晶间腐蚀说明:局部腐蚀的一种。沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且金属表面往往仍是完好的，但不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。通常出现于黄铜、硬铝和一些含铬的合金钢中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工厂的一个重大问题。晶间腐蚀是沿着或紧靠金属的晶界发生腐蚀。腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化。不锈钢、镍基合金、铝合金等材料都较易发生晶间腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀:不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生
3、的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。产生晶间腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀。不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于 12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的熔解度很小，约为 0.02%0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）23C8 等。但是由于铬的扩散速度较小，来不及向晶
4、界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于 12%时，就形成所谓的“贫铬区” ，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。 不锈钢的晶间腐蚀含碳量超过 0.03%的不稳定的奥氏体型不锈钢（不含钛或铌的牌号） ，如果热处理不当则在某些环境中易产生晶间腐蚀。这些钢在 425-815之间加热时，或者缓慢冷却通过这个温度区间时，都会产生晶间腐蚀。这样的热处理造成碳化物在晶界沉淀（敏化作用） ，并且造成最邻近的区域铬贫化使得这些区域对腐蚀敏感。敏化作2第 2 页 共 17 页用也可
5、出现在焊接时，在焊接热影响区造成其后的局部腐蚀。最通用的检查不锈钢敏感性的方法是 65%硝酸腐蚀试验方法。试验时将钢试样放入沸腾的 65%硝酸溶液中连续 48h 为一个周期，共 5 个周期，每个周期测定重量损失。一般规定，5 个试验周期的平均腐蚀率应不大于0.05mm/月。奥氏体型不锈钢焊接结构的晶间腐蚀可用如下方法预防：使用低碳牌号 00Cr19Ni10 或 00Cr17Ni14Mo2，或稳定的牌号 0Cr18Ni11Ti 或 0Cr18Ni11Nb.使用这些牌号不锈钢可防止焊接时碳化物沉淀出造成有害影响的数量。如果面品结构件小，能够在炉中进行热处理，则可在 1040-1150进行热处理以溶
6、解碳化铬，并且在425-815 区间快速冷却以防止瑞沉淀。焊接铁素体不锈钢在某些介质中也可能出现晶间腐蚀。这是当钢从 925以上快速冷却时，碳化物或氧化物沉淀，金属晶格应变造成的，焊接后进行消除应力热处理可消除应力并恢复耐腐蚀性能。在 1Cr17 不锈钢中加入超过 8 倍碳含量的钛，通常可减少焊接钢结构在一些介质中的晶间腐蚀。然而加入钛在浓硝酸中不是有效的。奥氏体型不锈钢的细分美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中： 奥氏体型不锈钢用 200 系列(无镍或低镍的铬锰氮不锈钢)和 300 系列(镍铬不锈钢)的数字标示， 铁素体和马氏体型不锈钢用 400 系列的数字表示。 在
7、所有的钢种里不锈钢的种类和牌号较多，大概有上百个牌号，标准化和非标准化共有 200 个。 最常用的是如下品种: = 常用不锈钢材料对照表 = 日本 美国 英国 德国 法国 中国 SUS304 304 304S15 X5CrNi189 Z6CN18.09 0Cr18Ni9 SUS304L 304L 304S12 X2CrNi189 Z2CN18.09 00Cr18Ni10 SUS316 316 316S16 X5CrNiMo1810 Z6CND17.12 0Cr18Ni12Mo2Ti SUS316L 316L 316S12 X2CrNiMo1810 Z2CND17.12 00Cr17Ni14Mo
8、2 SUS317 317 317S16 - 0Cr18Ni12Mo3Ti SUS317L 317L 317S12 X2CrNiMo1816 Z2CND19.15 00Cr17Ni14Mo3 SUS321 321 321S12 X10CrNi189 Z6CNT18.10 0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的焊条选用要点: 不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。 1、一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102 对应0Cr19Ni9
9、;A137 对应 1Cr18Ni9Ti。 2、由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如 316L 必须选用 A022 焊条。 3、奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。 4、对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接3第 3 页 共 17 页接头的高温性能。 (1)对 Cr/Ni1 的奥氏体耐热钢,如 1Cr18Ni9Ti 等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含 2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用
10、或热处理时易形成 脆化相,造成裂纹。如 A002、A102、A137。 在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用比如 A402、A407 焊条等。 (2)对 Cr/Ni 转变，不能用热处理进行强化。抗氧化性强，加入合金元素比可在有机酸及 含 Cl-的介质中有较强的抗蚀。同时，它还具有良好的热加工性及一定的冷加工性。铁体不锈钢主要用来制作要求有较高的耐蚀性而强度要求较低的构件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道等。 典型的铁案体不锈钢有 Crl7 型、Cr25 型和 Cr28 型，其成分性能及热处理工艺如表所示。 三，奥氏体不锈钢 奥氏作不锈钢是克服马氏作不锈
11、钢耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展起来的。基本成分为Crl8%、Ni8%简称 188 钢。其特点是合碳量低于 0.1%，利用 Cr、Ni 配合获得单相奥氏体组织。 奥氏作不锈钢一般用于制造生产硝酸、硫酸等化工设备构件、冷冻工业低温设备构件及经形变强化后可用作不锈钢弹簧和钟表发条等。 奥氏体不锈钢具有良好的抗均匀腐蚀的性能，但在局部抗腐蚀方面，仍存在下列问题： 1.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 奥氏作不锈钢在 450850保温或缓慢冷却时，会出现晶问腐蚀。合碳量越高，晶间蚀倾向性越大。此外，在焊接件的热影响区也会出现 晶间腐蚀。这是由于在晶界上析出富 Cr 的 Cr23C6。使其周围基体产生贫铬
12、区，从而形成腐蚀原电池而造成的。这种晶间腐蚀现象在前面提到的铁 素体不锈钢中也是存在的。 16第 16 页 共 17 页工程上常采用以下几种方法防止晶间腐蚀： (1)降低钢中的碳量，使钢中合碳量低于平衡状态下在奥氏体内的饱和溶解度，即从根本上解决了铬的碳化物(Cr23C6) 在晶界上 析出的问题。通常钢中合碳量降至 0.03%以下即可满足抗晶间腐蚀性能的要求。 (2)加入 Ti、Nb 等能形成稳定碳化物(TiC 或 NbC)的元素，避免在晶界上析出 Cr23C6，即可防上奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。 (3)通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体+ 铁索体双相组织，其中铁素
13、体占 5%一 12%。这种双相组织不易产生晶间腐蚀。 (4)采用适当热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳的耐蚀性。 2.奥氏体不锈钢的应力腐蚀 应力(主要是拉应力 )与腐蚀的综合作用所引起的开裂称为应力腐蚀开裂，简称 SCC(Stress Crack Corrosion)。奥氏体不锈钢容易在含氯离子的腐蚀介质中产生应力腐蚀。当合 Ni 量达到 8%一 10%时，奥氏体不锈钢应力腐蚀倾向性最大，继续增加 含 Ni 量至 45%50%应力腐蚀倾向逐渐减小，直至消失。 防止奥氏体不锈钢应力腐蚀的最主要途径是加入 Si2%4%并从冶炼上将 N 含量控制在 0.04%以下。此外还应尽量减少 P、Sb、
14、Bi、As 等杂质的含量 。另外可选用 A-F 双用钢，它在 Cl-和 OH-介质中对应力腐蚀不敏感。当初始的微细裂纹遇到铁素体相后不再继续扩展，体素体含量应在 6%左右。 3.奥氏作不锈钢的形变强化 单相的奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拔成很细的钢丝，冷轧成很薄的钢带或钢管。经过大量变形后，钢的强度大力提高 ，尤其是在零下温区轧制时效果更为显著。抗拉强度可达 2 000 MPa 以上。这是因为除了冷作硬化效果外，还叠加了形变诱发 M 转变。 奥氏作不锈钢经形变强化后可用来制造不锈弹簧、钟表发条、航空结构中的钢丝绳等。形变后若需焊接，则只能采用点焊工艺、形变使应力腐蚀倾向性增加 。并
15、因部分 -M 转变而产生铁磁性，在使用时(如仪表零件中) 应予以考虑。 再结晶温度随形变量而改变，当形变量为 60%时，其再结晶温度降为 650冷变形奥氏体不锈钢再结晶退火温度为 8501050，850则需保温 3h，1050时 透烧即可，然后水冷。 4.奥氏作不锈钢的热处理 奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有：固溶处理、稳定化处理和去应力处理等。 (1)固溶处理。将钢加热到 10501150后水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留到室温 ，这样钢的耐蚀性会有很大改善。如上所述，为了防止晶问腐蚀，通常采用固溶化处理，使 Cr23C6 溶于奥氏体中，然后快速冷却。对于薄壁件可采用空冷
16、，一般情况采用水冷。 (2)稳定化处理。一般是在固溶处理后进行，常用于含 Ti、Nb 的 18-8 钢，固处理后，将钢加热到850880保温后空冷 ，此时 Cr 的碳化物完全溶解，脱而钛的碳化物不完全溶解，且在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成格的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。 (3)去应力处理。去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺一般加热到 30035017第 17 页 共 17 页回火。对于不 含稳定化元素 Ti、Nb 的钢，加热温度不超过 450t，以免析出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和合 Ti、Nb 不锈钢的冷加工件和焊接件，需在 500950,加热
17、，然后缓冷，消除应力(消除焊接应力取上限温度)，可以减轻晶间腐蚀倾向并提高钢的应力腐蚀抗力。 四、奥氏体-铁素体双相不锈钢 在奥氏作不锈钢的基础上，适当增加 Cr 含量并减少 Ni 含量，并与回溶化处理相配合，可获得具有奥氏体和铁素体的双相组织( 含 4060%-铁素体)的不锈钢，典型钢号有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti 等。双相不锈钢与里氏体不锈钢相比有较好的焊接性，焊 后不需热处理，而且其晶间腐蚀、应力腐蚀倾向性也较小。但由于含 Cr 量高，易形成 相，使用时应加以注意。氯离子的腐蚀处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态。当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，平衡便受到破坏，溶解占优势。其原因是氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在 2030m ） ，这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。氯离子的存在对金属的钝态起到直接的破坏作用。
