國(guó)標(biāo)晶間腐蝕試驗(yàn)(金相法評(píng)定)工藝研究

高江君， 高 虹， 常 春， 翟麗麗， 何周蘇秦， 陸訓(xùn)衛(wèi)

(江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司， 江蘇 常州 213111)

引 言

不銹鋼因其獨(dú)特的耐腐蝕性能，被作為一種功能性材料廣泛運(yùn)用于核電、海洋工程、船舶、石油、化工和LNG工程等行業(yè)，在現(xiàn)代工業(yè)和科技進(jìn)步中起到了舉足輕重的作用。其中奧氏體不銹鋼又以其良好的耐腐蝕性能，加之良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能，占不銹鋼總產(chǎn)量和使用量的70%左右[1]。

晶間腐蝕是20世紀(jì)20年代工業(yè)界開(kāi)始采用奧氏體不銹鋼以來(lái)才發(fā)現(xiàn)和引起注意的[2]。在不銹鋼發(fā)展的早期，由于晶間腐蝕而導(dǎo)致?lián)p失占主要腐蝕類型中總腐蝕損失的10%，所以引起了人們的極大重視[3]。自晶間腐蝕被發(fā)現(xiàn)后，世界各國(guó)一直重視用于驗(yàn)收與評(píng)價(jià)產(chǎn)品耐晶間腐蝕性能的試驗(yàn)方法，持續(xù)地對(duì)這些方法進(jìn)行修訂和改進(jìn)，如美標(biāo)的ASTM A262、歐盟的EN ISO 3651和中國(guó)的GB/T 4334等已歷經(jīng)數(shù)次修訂。

中國(guó)現(xiàn)行的晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4334-2020，主要闡述了6種方法，分別是10%草酸浸蝕試驗(yàn)方法、50%硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)方法、65%硝酸腐蝕試驗(yàn)方法、銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗(yàn)方法、銅-硫酸銅-35%硫酸腐蝕試驗(yàn)方法、40%硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)方法。其中銅-硫酸銅-16%硫酸腐蝕試驗(yàn)方法在中國(guó)評(píng)定不銹鋼晶間腐蝕傾向的應(yīng)用最為廣泛，彎曲法評(píng)定也最為常見(jiàn)。當(dāng)試樣不能進(jìn)行彎曲評(píng)定或彎曲裂紋難以判定時(shí)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用金相法。然而，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于金相法的表述為“金相磨片取自試樣的非彎曲部位(焊接接頭和焊管除外)，經(jīng)浸蝕后(不得過(guò)腐蝕)在顯微鏡觀察(150×-500×)，允許晶間腐蝕深度由供需雙方協(xié)商確定[4]”，并未對(duì)浸蝕試劑、浸蝕時(shí)間、以及腐蝕深度測(cè)量等作出規(guī)定，而且對(duì)于供需雙方而言腐蝕深度亦沒(méi)有數(shù)據(jù)參考。本文通過(guò)采用GB/T 4334-2020中A法推薦的10%草酸溶液電解浸蝕含穩(wěn)定化元素和不含穩(wěn)定化元素的不同腐蝕程度的試樣，在不同浸蝕時(shí)間下進(jìn)行金相觀察，確定最佳的浸蝕時(shí)間范圍并測(cè)量腐蝕深度，為廣大試驗(yàn)工作者和材料使用者提供一些參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)選材

選擇含穩(wěn)定化元素鋼種S34779(07Cr18Ni11Nb)和不含穩(wěn)定化元素的鋼種S31609(07Cr17Ni12Mo2)不同腐蝕程度的試樣，其化學(xué)成分要求要求如表1所示；10倍下試樣的腐蝕程度A>B>C、D>E>F，試樣C和F為評(píng)定合格試樣，晶間腐蝕照片如圖1所示。

表1 S34779和S31609化學(xué)成分要求/%

圖1 S34779和S31609晶間腐蝕試樣腐蝕程度 (×12.5)

1.2 取樣示意圖及電解設(shè)備

圖2為金相試樣的取樣位置，均取自晶間腐蝕試樣的非彎曲部位；圖3為使用的電解設(shè)備。

圖2 取樣位置

圖3 電解設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

除浸蝕時(shí)間外，其他電解浸蝕的實(shí)驗(yàn)參數(shù)均采用GB/T 4334-2020方法A中給定的參數(shù)，即電解溶液：10%草酸、電流密度：1 A/cm2、陰極：不銹鋼板、陽(yáng)極：金相試樣、浸蝕溶液溫度20-50 ℃。方法A中給出的浸蝕時(shí)間90 s對(duì)于已經(jīng)過(guò)銅-硫酸銅-16%硫酸溶液煮沸20 h的試樣不適用，可能造成試樣過(guò)腐蝕，故而設(shè)計(jì)了不同的電解浸蝕時(shí)間從10-90 s，每10 s為一間隔，金相觀察同一位置的晶粒形態(tài)并作對(duì)比，得到最適宜的浸蝕時(shí)間，同時(shí)測(cè)量該浸蝕時(shí)間下的腐蝕深度。

2 觀察與分析

在室溫下，w(C)在奧氏體不銹鋼中的溶解度約為0.02-0.03%，因此C含量偏高的不銹鋼只有在淬火狀態(tài)下C才能固溶在奧氏體中，以保證其具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。然而奧氏體不銹鋼在450-850 ℃(敏化溫度)時(shí)，在晶界處會(huì)連續(xù)析出碳化物Cr23C6，C在奧氏體中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于Cr在奧氏體中的擴(kuò)散速度，故而析出的碳化物中的Cr原子多為晶界附近，這就導(dǎo)致晶界附近出現(xiàn)貧Cr，更易產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。

鋼種為S34779的試件因其化學(xué)成分中含有穩(wěn)定化元素Nb，按照GB/T 4334-2020方法E在進(jìn)行銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕試驗(yàn)前需經(jīng)過(guò)敏化處理。金相試樣A-C均截取自經(jīng)過(guò)了銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕試驗(yàn)后的試件，故而在電解浸蝕前試樣的表面部分應(yīng)已存在一定程度的腐蝕，在進(jìn)行電解浸蝕時(shí)試樣表面的晶界輪廓應(yīng)比試樣內(nèi)部更深更寬(即溝槽狀組織)，這也是進(jìn)行腐蝕深度測(cè)量的依據(jù)。

如圖4-5可示，試樣電解浸蝕10 s、20 s，試樣的晶界輪廓并未完全顯現(xiàn)；電解浸蝕30 s、40 s，試樣的晶界輪廓已基本完全顯現(xiàn)，試樣的表面晶界出現(xiàn)溝槽狀組織，而在內(nèi)部晶界仍基本呈現(xiàn)臺(tái)階狀；電解浸蝕50 s、60 s，試樣內(nèi)部晶界已出現(xiàn)部分溝槽，已影響到腐蝕深度的測(cè)量；電解浸蝕80 s、90 s，試樣內(nèi)部晶界基本已呈現(xiàn)溝槽狀。如圖6所示為彎曲法評(píng)定合格的試樣，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)隨著電解浸蝕時(shí)間的增加，試樣表面和內(nèi)部的晶界形態(tài)并沒(méi)有太大的差異；電解浸蝕至60 s時(shí)才觀察到少許溝槽狀組織。

圖4 試樣A電解浸蝕10-90 s (×100)

圖5 試樣B電解浸蝕10-90 s (×100)

圖6 試樣C電解浸蝕10-90 s (×100)

S31609的試件其化學(xué)成分不含穩(wěn)定化元素且w(C)大于0.030%，故而在進(jìn)行銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕試驗(yàn)前無(wú)需敏化處理。圖7-9為試樣D-F電解浸蝕30-80 s的金相照片，借鑒試樣A-C的電解浸蝕經(jīng)驗(yàn)，未對(duì)浸蝕時(shí)間10 s、20 s和90 s做實(shí)驗(yàn)。

圖7 試樣D電解浸蝕30-80 s (×100)

如圖7所示，試樣D電解浸蝕30 s、40 s依舊效果最佳，因其本身晶間腐蝕嚴(yán)重，故而在電解浸蝕30 s、40 s下其內(nèi)部晶界仍能看見(jiàn)溝槽狀組織；電解浸蝕60-80 s，已可見(jiàn)晶粒脫落的現(xiàn)象，明顯已過(guò)腐蝕，晶粒脫落處已在圖中標(biāo)記出。試樣D所呈現(xiàn)的晶界狀態(tài)測(cè)量腐蝕深度已沒(méi)有太大的意義。

圖8中試樣E在電解浸蝕30 s、40 s下，試樣表面晶界輪廓與內(nèi)部對(duì)比鮮明，達(dá)到了便于測(cè)量的理想狀態(tài)。隨著浸蝕時(shí)間的增加，試樣內(nèi)部的晶界輪廓也逐漸出現(xiàn)溝槽狀。

圖8 試樣E電解浸蝕30-80 s (×100)

如圖9所示試樣F為彎曲法評(píng)定合格的試樣，試樣電解浸蝕30-50 s依然為臺(tái)階狀組織，未觀察到溝槽；電解浸蝕至60 s時(shí)方可觀察到少許溝槽。

圖9 試樣F電解浸蝕30-80 s (×100)

3 腐蝕深度測(cè)量

腐蝕深度的測(cè)量存在一定的主觀性，受限于不同試驗(yàn)人員的觀察和理解，且易受到浸蝕時(shí)間和測(cè)量位置的影響，故而深度測(cè)量的數(shù)據(jù)存在偏差。僅以試樣E為例向大家展示測(cè)量深度金相圖片以作參考，如圖10所示；對(duì)于其他試樣，僅給出測(cè)量結(jié)果，如表2所示。

圖10 試樣E電解浸蝕35 s (×200)

表2 電解浸蝕30-40 s試樣A-F腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)對(duì)于銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕試驗(yàn)金相法，參照GB/T 4334-202方法A的電解浸蝕90 s是不合理的，易造成試樣過(guò)腐蝕的情況，同時(shí)也會(huì)使得深度測(cè)量的結(jié)果偏大。

(2)銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕試驗(yàn)金相法，最適宜測(cè)量的電解浸蝕時(shí)間為30-40 s(其他電解參數(shù)參照GB/T 4334-202方法A)。

(3)表2提供了一些不同程度晶間腐蝕試樣的腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)，可供參考。