不銹鋼的晶間腐蝕

與許多其他形式的不銹鋼腐蝕不同，不銹鋼的晶間腐蝕發(fā)生在微觀層面，影響金屬的結(jié)構(gòu)。損壞的跡象并不總是出現(xiàn)在金屬表面。晶間腐蝕的發(fā)生需要一定的條件，在某些情況下由其造成的損害是可以避免的。

讓我們仔細(xì)看看什么是晶間腐蝕、它發(fā)生的時(shí)間和方式，以及預(yù)防晶間腐蝕和最 大程度地減少其造成的損害的最 佳方法。

什么是不銹鋼的晶間腐蝕？

與許多其他金屬和合金一樣，不銹鋼具有晶體結(jié)構(gòu)。這意味著金屬本身是由不同尺寸的晶粒組成的。這些顆粒相遇的地方稱為顆粒極限。

不銹鋼的晶間腐蝕（也稱為焊縫崩解）會(huì)破壞這些限制，從而在分子水平上對(duì)金屬造成損壞。可能會(huì)發(fā)生裂紋和晶粒損失，從而降低結(jié)構(gòu)完整性、承壓能力并進(jìn)一步促進(jìn)額外腐蝕。

與應(yīng)力腐蝕開裂類似，它發(fā)生時(shí)幾乎沒有或沒有明顯的腐蝕跡象。

因此，忽視晶間腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)導(dǎo)致管道、單個(gè)零件、結(jié)構(gòu)和不銹鋼部件的災(zāi)難性故障或部分故障。

不銹鋼晶間腐蝕的原因是什么？

當(dāng)某些不銹鋼牌號(hào)和合金達(dá)到 425°C 至 870°C 的溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生不銹鋼的晶間腐蝕。這種溫度在焊接、熱處理或高溫環(huán)境下操作/工作期間最常見。

當(dāng)不銹鋼金屬承受如此極端的溫度時(shí)，它會(huì)在結(jié)構(gòu)層面上發(fā)生變化。合金中存在的鉻與碳反應(yīng)，在晶界附近形成碳化鉻。這種碳化物的形成本質(zhì)上將邊界轉(zhuǎn)變?yōu)殛枠O單元。然后內(nèi)部晶粒充當(dāng)陰極電池，晶間腐蝕過程開始。

預(yù)防和修復(fù)晶間腐蝕造成的損壞

如何防止晶間腐蝕的發(fā)生？

正確的材料選擇是降低風(fēng)險(xiǎn)并確保不銹鋼結(jié)構(gòu)和部件的長(zhǎng)期安全性和性能的重要因素。在尋找具有優(yōu)異抗晶間腐蝕能力的不銹鋼牌號(hào)時(shí)，請(qǐng)?zhí)貏e注意低碳合金，它們通常用字母 L 表示（AISI 316L、AISI 317L 等）。

選擇低碳不銹鋼合金時(shí)，碳含量低于 0.03% 的選項(xiàng)可確保沒有足夠的碳形成碳化物。

如果低碳不銹鋼合金不適合您的預(yù)期用途，添加鈦或鈮的合金可提供出色的抗晶間腐蝕能力。然而，添加鈦或鈮的合金很容易受到特殊形式的晶間腐蝕，即所謂的刀腐蝕。

什么是不銹鋼刀具腐蝕？

刀腐蝕是不銹鋼金屬/合金（通常是穩(wěn)定不銹鋼）在加熱到敏化溫度后沿著焊縫的相鄰線或接觸線發(fā)生晶間腐蝕的一種形式。當(dāng)碳與鈦或鈮而不是鉻發(fā)生反應(yīng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生刀具腐蝕。

腐蝕作用僅限于與熔線相鄰的非常窄的線內(nèi)。從外觀上看，這種損壞顯得十分鋒利（因此得名“刀線”腐蝕、“刀腐蝕”）。如果沿著焊縫已經(jīng)形成線條，您可以直觀地識(shí)別刀具腐蝕的外觀。

刀具為何會(huì)發(fā)生腐蝕？

對(duì)于穩(wěn)定化的不銹鋼和合金，碳與穩(wěn)定劑（鈦或鈮）結(jié)合，在熱影響區(qū)焊接時(shí)不會(huì)發(fā)生焊縫分解。然而，隨著進(jìn)一步的熱處理或焊接，碳化鉻可能會(huì)釋放出來，在熔線附近留下一條對(duì)晶間腐蝕敏感的窄帶。

可以防止晶間腐蝕的發(fā)生，包括刀腐蝕。熱處理通?？梢越鉀Q問題并使金屬結(jié)構(gòu)恢復(fù)到幾乎其原始狀態(tài)。在某些情況下，固溶退火（也稱為淬火退火或固溶淬火）是消除奧氏體不銹鋼晶間腐蝕損傷的有效手段。該過程涉及將金屬加熱至 1060 °C 至 1120 °C 之間的溫度。加熱后，不銹鋼金屬用水進(jìn)行退火，快速冷卻并確認(rèn)晶粒和結(jié)構(gòu)。

不幸的是，熱處理方法對(duì)于加工大型結(jié)構(gòu)或零件并不理想。此外，它不能保護(hù)管道或其他部件在維修過程中重新焊接時(shí)免受損壞。

ASTM 等國際標(biāo)準(zhǔn)提供了長(zhǎng)期制定的標(biāo)準(zhǔn)，有助于確定每種合金、不銹鋼等級(jí)或部件對(duì)晶間腐蝕的敏感性。

奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕

對(duì)于奧氏體不銹鋼，晶間損傷通常是由于碳化鉻 (Cr23C6) 在晶界處的沉淀造成的，這會(huì)在晶界處形成狹窄的貧鉻區(qū)。這種情況稱為敏化。敏化涉及碳化鉻在晶界處的沉淀，導(dǎo)致晶界處出現(xiàn)狹窄的貧鉻區(qū)。

由于鉻是使不銹鋼耐腐蝕的主要合金元素，因此鉻含量低的區(qū)域容易受到腐蝕的影響。發(fā)生這種情況被認(rèn)為是因?yàn)榫o鄰碳化物的鉻含量可能低于不銹鋼合金所需的鉻含量。如果碳化物在晶界處形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，則腐蝕會(huì)導(dǎo)致晶界處分層或破裂，并可能導(dǎo)致晶粒掉落或損失。

奧氏體不銹鋼的碳化鉻沉積

在 510 °C 至 790 °C 的溫度范圍內(nèi)，碳化鉻傾向于在奧氏體不銹鋼晶粒內(nèi)析出。在金屬生產(chǎn)、制造或維修過程中，任何暴露或溫度轉(zhuǎn)變到該溫度范圍都可能增加不銹鋼的敏感性。

焊接、應(yīng)力消除和熱成型等傳統(tǒng)技術(shù)可使奧氏體不銹鋼暴露在敏化溫度范圍內(nèi)。通過固溶退火熱處理很容易逆轉(zhuǎn)碳化鉻的形成。ASTM A262中概述的測(cè)試方法旨在確定奧氏體不銹鋼對(duì)晶間斷裂的敏感性。

產(chǎn)生晶間斷裂敏感性所需的時(shí)間和溫度取決于合金的成分，尤其是其碳含量。

對(duì)于奧氏體不銹鋼，采用了三種方法來最 大限度地減少晶間腐蝕的影響。可以通過加熱至碳化物溶解并且貧鉻區(qū)域被去除的溫度來對(duì)敏化材料進(jìn)行固溶退火。然后通過在敏化溫度范圍內(nèi)快速冷卻將碳保持在溶液中。建議的固溶退火溫度取決于合金，通常在 1040 °C 至 1180 °C 范圍內(nèi)，然后快速冷卻。

通過將碳含量降低到0.030%以下也可以實(shí)現(xiàn)耐晶間腐蝕。AISI 304L、316L 和 317L 等低碳牌號(hào)已開發(fā)用于在典型焊接工藝中抵抗敏化，但在關(guān)鍵工作溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間暴露時(shí)它們不能抵抗敏化。高合金和更耐腐蝕的不銹鋼（例如 AISI 904L 合金）的碳含量非常低，并且對(duì)晶間腐蝕的敏感性通常不是問題。

添加 Ti、Nb (Cb) 和 Ta 等穩(wěn)定元素還可以提高抗敏化能力，尤其是在關(guān)鍵工作范圍內(nèi)長(zhǎng)期暴露時(shí)。在 1230 °C 至 790 °C 的溫度范圍內(nèi)，這些穩(wěn)定元素傾向于形成比碳化鉻更穩(wěn)定的碳化物。因此，當(dāng)合金從高溫冷卻時(shí)，碳與穩(wěn)定元素結(jié)合，并且在 510 °C 至 790 °C 的較低敏化溫度范圍內(nèi)無法析出碳化鉻。常見的穩(wěn)定奧氏體鋼種包括 AISI 321、347 和 316Ti。

對(duì)于穩(wěn)定等級(jí)的不銹鋼，標(biāo)準(zhǔn)固溶退火程序通常不會(huì)結(jié)合所有可用的碳。因此，當(dāng)固溶退火穩(wěn)定牌號(hào)長(zhǎng)時(shí)間暴露于敏化溫度范圍（790°C 至 510°C）時(shí)，可能會(huì)發(fā)生碳化鉻沉淀和敏化。穩(wěn)定化熱處理可用于通過完成沉淀反應(yīng)來更有效地固碳。這些處理包括將合金在 820 °C 至 870 °C 的溫度下保持幾個(gè)小時(shí)。

鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕

盡管鐵素體不銹鋼的晶間斷裂與奧氏體不銹鋼相似，但兩者之間存在一些重要的區(qū)別。由于氮在鐵素體晶體結(jié)構(gòu)中的溶解度較低，導(dǎo)致鐵素體牌號(hào)敏化的析出物包括碳化鉻（Cr23C6）和氮化鉻（Cr2N）。

對(duì)于鐵素體不銹鋼，從較高溫度 (930 °C) 冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生敏化。在如此高的溫度下，碳化物和氮化物會(huì)進(jìn)入固溶體，在冷卻過程中它們會(huì)沉積在晶界處，導(dǎo)致鉻貧化。鐵素體結(jié)構(gòu)中非常高的擴(kuò)散速率不允許鋼足夠快地冷卻以避免晶粒內(nèi)碳化物和氮化物的沉淀。因此，大多數(shù)商業(yè)級(jí)鐵氧體通過限制 C 和 N 的含量并需要添加穩(wěn)定元素（例如 Ti、Ta 或 Nb）來避免敏化。

如果鐵素體不銹鋼發(fā)生敏化，可以通過鉻向后擴(kuò)散到貧化區(qū)域來治愈這種情況。將材料在 590 °C - 650 °C 的溫度下保持幾個(gè)小時(shí)即可實(shí)現(xiàn)“愈合”。ASTM A763中概述的測(cè)試方法旨在確定鐵素體不銹鋼的晶間斷裂敏感性。

馬氏體不銹鋼的晶間腐蝕

大多數(shù)致力于晶間腐蝕的出版物都涉及奧氏體鋼?，F(xiàn)代技術(shù)文獻(xiàn)中幾乎沒有或很少有關(guān)于馬氏體不銹鋼晶間腐蝕的研究。

晶間腐蝕是這些材料的一個(gè)潛在問題，因?yàn)轳R氏體不銹鋼幾乎總是在碳化物沉淀的回火狀態(tài)下使用。ASTM A2621（奧氏體鋼）和 ASTM A7632（鐵素體鋼）中描述了測(cè)試不銹鋼晶間斷裂敏感性的一般方法。

雙相不銹鋼的晶間腐蝕

雙相不銹鋼作為傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼的替代品變得越來越普遍，特別是對(duì)于需要在侵蝕性氯化物/硫化物環(huán)境中具有高腐蝕/應(yīng)力腐蝕開裂性的酸性應(yīng)用。

盡管這些鋼具有許多優(yōu)異的特性，但焊接這些鋼仍存在局限性，特別是在控制焊縫結(jié)構(gòu)和性能以及了解焊縫冶金如何影響晶間腐蝕敏感性方面。

主要發(fā)現(xiàn)

  1、不銹鋼的晶間腐蝕（也稱為不銹鋼焊縫崩解）會(huì)在結(jié)構(gòu)層面影響不銹鋼，并且在腐蝕顯著進(jìn)展之前可能不會(huì)顯示出明顯的損壞跡象。

  2、焊接、不當(dāng)熱處理以及暴露在 425°C 至 870°C 的溫度下是引發(fā)晶間腐蝕過程所必需的。

  3、選擇低碳含量的不銹鋼合金和牌號(hào)或添加鈦或鈮的合金可以顯著提高耐晶間腐蝕能力。

  4、選擇低碳合金/牌號(hào)時(shí)，建議選擇碳含量為 0.03% 或更低的合金。

  5、盡管固溶退火和熱處理可以提供消除或減輕晶間腐蝕損傷的選擇，但它們通常不能防止未來的損傷。根據(jù)腐蝕過程的嚴(yán)重程度，它們?cè)谀孓D(zhuǎn)腐蝕方面的成功可能有限。