摘 要:某教學樓陽臺３０４奧氏體不銹鋼護欄發(fā)生斷裂失效.采用宏觀檢查、化學成分分析、金 相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等對護欄斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:３０４奧氏體不銹鋼護欄母 材顯微組織中存在大量非金屬夾雜物,焊接接頭存在的未焊透現(xiàn)象降低了接頭強度;母材碳含量較 高,在焊接熱循環(huán)作用下,活動能力強的碳原子與鉻化合形成碳化物析出,使熱影響區(qū)晶界貧鉻,形 成“敏化”,增加了材料的晶間腐蝕傾向,降低了焊接接頭的強度,最終導致護欄斷裂失效. 

關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;護欄;晶間腐蝕;斷裂 

中圖分類號:TG４５７．１１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８００Ｇ０４

奧氏體不銹鋼因具有良好的焊接性、耐蝕性、塑 性和耐高溫性能,得到了廣泛應用.某小學在日常檢 查中發(fā)現(xiàn)教學樓陽臺３０４奧氏體不銹鋼護欄出現(xiàn)斷 裂情況,為找出護欄斷裂失效的原因,筆者對其進行 了檢驗與分析,并提出了預防措施. 

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢查 

宏觀檢查發(fā)現(xiàn),斷裂處位于不銹鋼護欄橫管焊接 接頭處,在熱影響區(qū)附近,斷口處無塑性變形,接頭焊 縫表面粗糙且凹凸不平,有氧化色,如圖１所示.

１．２ 化學成分分析 

在斷裂的不銹鋼護欄橫管上取樣,按照 GB/T １１１７０－２００８«不銹鋼多元素含量的測定 火花放電 原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)»采用 MAXXLMF０６型 直讀光譜儀進行化學成分分析.由表１可以看出, 不銹鋼護欄橫管的化學成分中除了碳元素含量超出 GB/T２０８７８－２００７«不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學 成分»的規(guī)定值及鎳元素含量略低于標準要求外,其 他化學成分均符合該標準的要求.

１．３ 金相檢驗 

根據(jù) GB/T１３２９８－２０１５«金屬顯微組織檢驗 方法»的要求,從橫管上遠離斷口的位置(母材)及橫 管的斷口上分別沿軸向截取試樣.試樣經(jīng)鑲嵌、研 磨和拋光后,用 GX５１型光學顯微鏡觀察顯微組織, 可見不銹鋼護欄橫管母材及斷口處均存在大量非金 屬夾 雜 物,見 圖 ２ 和 圖 ３.將 試 樣 經(jīng) 體 積 分 數(shù) 為 １０％的草酸溶液浸蝕后觀察顯微組織,可見不銹鋼 護欄橫管母材的組織為奧氏體＋鐵素體[１],見圖４; 焊接接頭(斷口)中存在未焊透的焊接缺陷,見圖５; 焊接接頭熱影響區(qū)晶粒粗大,晶界變黑、變粗,斷口 處有晶粒脫落(晶間腐蝕)現(xiàn)象,見圖６. 

１．４ 掃描電鏡及能譜分析 

采用６６１０LA 型掃描電鏡分別對不銹鋼護 欄 橫管的母材和斷口進行形貌觀察.可見斷口熱影響區(qū)的組織較粗大,晶界存在凹坑,推測是晶界的 析出相脫落所致,見圖７.圖８~１０為母材組織中 存在的夾雜 物 形 貌,分 別 對 各 夾 雜 物 進 行 能 譜 分 析,結(jié)果如 表 ２ 所 示,可 見 夾 雜 物 包 含 了 氧 化 鋁、 硫化物和 硅 酸 鹽 夾 雜 物.圖 １１ 為 因 夾 雜 物 存 在引起的微裂紋形貌.

２ 分析與討論 

不銹鋼護欄橫管斷裂處焊接接頭表面粗糙且可 見氧化色,說明焊接熱輸入過大.材料中含有大量 非金屬夾雜物,根據(jù) GB/T１０５６１－２０１７«鋼中非金 屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法»對其 評級,級別評定為 B類細系大于２．５級,DS類大于 ３級,DS類高于標準規(guī)定的最高級別.非金屬夾雜 物的存在易破壞金屬基體的均勻性和連續(xù)性,造成 局部應力集中,促使微裂紋的產(chǎn)生,并在一定條件下 加速裂紋的擴展,造成材料的早期破壞.焊縫金屬 與母材間存在有未焊透的情況,在未焊透的端部和 缺口處易產(chǎn)生應力集中,在外力作用下將導致材料 開裂. 

由對不銹鋼護欄橫管的化學成分分析結(jié)果可 知,碳元素含量遠超出 GB/T２０８７８－２００７的要求. 當奧氏體不銹鋼組織中的碳含量大于其在室溫下的 溶解度(０．０２％)時,碳元素會向晶界擴散,在晶界附 近與鉻元素結(jié)合形成鉻的碳化物,而碳元素在奧氏 體中的擴散速度遠大于鉻元素的,晶界附近鉻元素 得不到補充,造成奧氏體晶界“貧鉻”,晶粒邊界區(qū)域 “貧鉻”是造成奧氏體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的主要原 因[２].結(jié)合金相檢驗結(jié)果可知,斷口附近出現(xiàn)晶間 腐蝕的特征.晶界變粗、變黑,部分區(qū)域晶界完全浸 蝕溶解,晶粒脫落,熱影響區(qū)發(fā)生“敏化”導致晶間腐 蝕,而焊接熱循環(huán)是造成敏化的直接原因[３].由于焊接過程中熱輸入過大,在護欄的熱影響區(qū)中富鉻 相沿晶粒邊界析出,由此產(chǎn)生了沿晶界的貧鉻區(qū),晶 粒內(nèi)部與晶界兩側(cè)鉻元素含量不同,構(gòu)成濃差原電 池,這就降低了熱影響區(qū)組織的局部耐腐蝕性,導致 其極易被侵蝕[４Ｇ５].富鉻相脫落后,在晶界上留下凹 槽,促使整個晶界腐蝕速度加快,最終造成護欄從該 區(qū)域斷裂.

３ 結(jié)論及建議 

３０４奧氏體不銹鋼護欄母材顯微組織中存在大 量非金屬夾雜物,非金屬夾雜物在焊縫內(nèi)及熔合線 附近引起微裂紋,降低了焊接強度.部分區(qū)域焊縫 金屬與母材間未焊透,在未焊透的端部和缺口處易 產(chǎn)生應力集中,外力作用下導致裂紋產(chǎn)生.護欄母 材碳含量較高,超出飽和溶解度的碳呈不穩(wěn)定狀態(tài), 在焊接熱循環(huán)作用下,活動能力強的碳原子與鉻化 合形成碳化物析出,使熱影響區(qū)晶界貧鉻,形成“敏 化”,增加了材料的晶間腐蝕傾向,降低了焊接接頭 的強度,腐蝕最嚴重區(qū)域晶粒間的結(jié)合強度幾乎完 全喪失,并最終造成護欄從該處斷裂. 

晶間腐蝕是不銹鋼焊件所有腐蝕方式中最嚴重 的一種.由于焊接是一個快速加熱、冷卻的過程,鉻 的碳化物沉淀析出需要較大的過熱度,因此熱影響 區(qū)的 敏 化 溫 度 范 圍 高 于 常 規(guī) (４５０~８５０ ℃),在 ６００~１０００ ℃.為了避免母材晶間腐蝕的發(fā)生,一 般可以從以下兩方面進行改進:

(１)材料方面:從合金元素入手,一方面可以選 擇碳含量較低的母材.對于奧氏體不銹鋼,碳含量 是決定焊接接頭是否產(chǎn)生晶間腐蝕的重要影響因 素,選擇低 碳 (質(zhì) 量 分 數(shù) 不 大 于 ０．０８％)或 超 低 碳 (質(zhì)量分數(shù)不大于０．０３％)的不銹鋼母材及焊材,能有效減少接頭組織中鉻的碳化物析出;另一方面可 以加入鎳或鈦穩(wěn)定母材金屬,因為鎳或鈦與碳的親 和力比鉻的要強,優(yōu)先形成 NbC,TiC;從母材組織 入手,使組織中存在少量δ鐵素體,且均勻分布在奧 氏體晶界時,Cr２３C６ 優(yōu)先在δＧγ界面析出(碳、氮原 子在鐵素體中比在奧氏體中擴散快);減少了碳化物 在奧氏體晶界沉淀的可能性,避免形成連續(xù)的貧鉻 區(qū)域[６],提高材料抵抗晶間腐蝕的能力. 

(２)工藝方面:焊接熱輸入過大將增加奧氏體 不銹鋼的腐蝕傾向,采用小電流、高焊速的方法能減 少焊接線能量;另外應設(shè)法加快焊件冷卻速度,可采 取焊件下墊銅板、焊件背面直接水冷等方式,避免母 材熱影響區(qū)在敏化區(qū)間停留時間過長,提高焊接接 頭耐腐蝕能力.對于不銹鋼薄壁管,建議采用鎢極 氬弧焊(TIG)焊接.相對于其他常用的焊接方式, TIG 焊熱輸入小,管內(nèi)的氬氣流除作為保護氣體外 還有一定的冷卻作用,能有效提高焊縫的抗裂能力. 

參考文獻: [１] 李炯輝．金屬材料金相圖譜[M]．北京:機械工業(yè)出版 社,２００６:９３３． [２] 張婧,李海新,殷子強,等．焊接接頭的腐蝕研究進展 [J]．腐蝕科學與防護技術(shù),２０１８,３０(６):６６１Ｇ６７０． [３] LIPPOLDJC,KOTECKIDJ．不銹鋼焊接冶金學及 焊接性 [M]．陳 劍 虹,譯．北 京:機 械 工 業(yè) 出 版 社, ２００８:１８５Ｇ１８７． [４] 麻春英．奧氏體不銹鋼的焊接缺陷分析及防治措施 [J]．熱加工工藝,２０１５,４４(１７):２４３Ｇ２４６． [５] 劉政軍,徐德昆．不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M]．北京: 化學工業(yè)出版社,２００８:１３１Ｇ１３２． [６] 農(nóng)琪,鄧開豪,趙永東,等．奧氏體不銹鋼焊接接頭晶 間腐蝕性能的研究[J]．輕工科技,２０１３,３０(９):２５Ｇ２６．