奥氏体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀试验指导书.doc

奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀试验汇报
课程名称：金属焊接性 班级： 焊接 学号： 姓名： 韩月明
组别：第 组 同组者： 尹英宝，马宝宇，于天洋，赵金哲，王志远 日期： ..6.20
一、试验目标：
1、观察和分析奥氏体不锈钢焊接接头显微组织。
2、了解奥氏体不锈钢焊接接头产生晶间腐蚀机理及晶间腐蚀区显微组织特征。
二、试验原理：
1—焊缝金属； 2—过热 区； 3—敏化区；4母材金属
图1 奥氏体不锈钢焊接接头各区示意图
晶间腐蚀是沿晶粒边界发生腐蚀现象。现以18—8型奥氐体不锈钢中最常见含稳定元素1Cr18Ni9Ti钢为例，来讨论晶间腐蚀问题。
1Cr18Ni9Ti钢含0.02%C和0.8%Ti。碳在室温奥氏体中最大溶解度低于0.03%，多出碳则经过固熔处理和钛结合形成稳定碳化物TiC。因为钛对碳固定作用，避免了在晶界形成碳化铬，从而预防了晶间腐蚀产生。故1Cr18Ni9Ti钢含有抗晶间腐蚀能力，通常不会产生晶间腐蚀现象。
然而在焊接接头中，情况有所不一样。奥氏体不锈钢焊接接头，通常可分为以下多个区域(见图1)
(一) 焊缝金属关键为柱状树枝晶。
(二) 过热区 加热超出1200℃近缝区，晶粒有显著长大。
(三) 敏化区 加热峰值温度在600℃—1000℃区域，组织无显著改变。对不含稳定化元素18—8钢，可能出现晶界碳化铬析出。产生贫铬层，有晶间腐蚀倾向。
(四) 母材金属 对于含稳定化元素18—8钢，如1Cr18Ni9Ti钢，峰值温度超出1200℃过热区发生TiC分解量愈大(图2)，从而使稳定化作用大为减弱，甚至完全消失。在随即冷却过程中，因为碳原子体积很小，扩散能力比钛原子强，碳原子趋于向奥氏体晶界扩散迁移，而钛原子则来不及扩散仍保留在奥氏体点阵节点上。所以，碳原子析集于晶界周围成为过饱和状态。当上述过热区再次受到600—800℃中温敏化加热或长久工作在上述温度范围时，碳原子优先以很快速度向晶界扩散。此时，铬原子扩散速度虽比碳原子慢，但比钛原子快，且浓度也远比钛高，所以易于在晶界周围形成铬碳化物(FeCr)23C6。温度愈高，TiC分解后合金元素碳和铬固溶量愈多，碳化物析出量愈大(图2)。上述碳化物铬、碳含量很高，但晶粒内部铬扩散速度比碳扩散速度慢，所以在形成铬碳化物时，富集在晶界碳，和晶粒表层铬结合以后，晶粒中铬不能立即均匀化，致使靠近晶界晶粒表面一个薄层严重缺铬，铬浓度低于临界值12%Cr(图3)。此时，奥氏体晶粒内和晶界碳化物(图3中1、2部分)因为含铬量高而带正电位，而贫铬层(图3中3部分)因为含铬量低于12%而带负电位。假如将这种含有电化学腐蚀条件焊接接头放入腐蚀介质中，带负电位贫铬层就会成为被消耗阳极而遭受腐蚀。
这么，因为“高温过热”和“中温敏化”这两个依次进行热作用过程，造成了含稳定化元素18-8钢特殊晶间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝过热区3—5个晶粒范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐步变窄，呈刀形，故又称“刀蚀”。
由此可见，“高温过热”和“中温敏化”是产生刀蚀必需条件。对于焊接接头，“高温过热”这一条件是
图2 18—8钢热影响区碳化物分布
(a) 敏化加热前；(b)敏化加热后。1—奥氏体晶粒；2—晶界处碳化物；3—贫铬层
图3 析出碳化物对晶界处铬浓度影响

由焊接热作用过程自然形成，所以只需要进行一次“中温敏化”处理，就可依据GB1223-75标准进行晶间腐蚀试验。
四、试验方法及步骤
方法：
依据国家标准GB1223-75试验晶间腐蚀倾向方法共有五种，对于18-8钢关键采取C法、T法和X法三种试验方法。
1、C法 草酸电解浸蚀试验，又称草酸阳极腐蚀试验，试验装置图4所表示图4中不锈钢容器接电源负极，若采取玻璃烧杯作容器，则负极端部接一厚度为1mm左右不锈钢薄板，并放置于杯底，腐蚀液采取10%草酸水溶液。
该试验简单，方便快速，通常不超出两分钟，但不如其它试验方法严格，常作为其它试验方法前筛选试验方法（不适适用于含钼钛不锈钢耐酸钢），也可作为独立无损试验。
2、T法铜屑、硫酸铜和硫酸沸腾试验
该试验方法是将要求试样放在加有铜屑硫酸铜和硫酸水溶液中沸腾二十四小时，然后弯曲成90度，用10倍放大镜观察，以不出现横向裂纹为合格，或在金相显微镜下观察，如发觉晶界有显著腐蚀痕迹，即为晶间腐蚀倾向。
3、X法：硝酸沸腾试验
该试验方法是将试片放在65%沸腾硝酸中，每七天期沸腾48小时，试验三个周期。每七天期试验后取出试样，刷洗洁净干燥，称重。然后按下式计算腐蚀速度，以其中最大者为准。

T法和X法分别为国际通用B法和E法，试验条件严格，需要一定专门装置，试验周期较长，所以通常常见C法进行试验。
当用C法试验评定认为有问题时，深入作T发或X法试验，并以T法和X法试验结果为准。
对于18-8钢焊接接头，因为母材通常已经过晶间腐蚀试验评定合格，故可采取C法和母材同时进行对比试验。
步骤：
1、试样制备
（1） 从同一钢板上取材，按表1要求制备试样。

试样数量
试样尺寸（mm）
说明
长
宽
厚
母材
2
40～60
20
≤5
沿轧制方向选择
单条焊缝
2
40～60
20
≤5
焊缝在试样中部
（2）“中温敏化”处理，加热至650~700℃，保温1~2小时。
（3）用砂轮或锉刀将试片进行表面加工，去掉棱角。
（4）按金相试片要求，用各号砂纸将试样检验表面磨平磨光，并用水冲洗洁净。
（5）抛光试样表面，表面粗糙度不低于▽10，用水冲净，再用棉花酒精或丙酮擦净检验表面，吹干。
（6）将试样检验表面浸入10%草酸溶液，将试件接电源“+”端，同时接通电路。电流密度按试样检验表面积计算，为1A/cm2,试验溶液温度为20～50℃，试验时间为1.5～2min。
（7）取出试样用水冲洗净，用酒精或丙酮擦净检验表面，吹干。
2、观察和评定
（1）用金相显微镜观察浸蚀表面，放大倍数为150～500倍。
（2）焊接试样浸蚀组织分为三级：
一级：近缝区及母材晶界清楚，无腐蚀沟，晶粒间呈台阶状，焊缝金属铁素体被显现，图5(a)所表示。
二级：近缝区或母材晶界有不连续腐蚀沟，晶界局部变宽，或焊缝金属铁素体被腐蚀，图5(b)所表示。
三级：近缝区或母材晶界有连续腐蚀沟，部分晶粒晶界被腐蚀沟完全包围，或焊缝金属铁素体严重腐蚀。
有试验条件时，可将二级和三级试样按T法进行试验以进行比较
（a）
(b)
图5 1Cr18Ni9Ti钢TIG焊熔全区周围显微组织 200

(a) 未敏化处理； （b） 焊后670°C保温一小时炉冷。

。
五、试验结果及分析
晶间腐蚀示意图
18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀出现，这取决和钢和焊缝成份[9]。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区腐蚀关键取决于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平能够确保焊缝区不会产生晶间腐蚀。晶间腐蚀形貌图1-1、1-2。

图1-1焊接件晶间腐蚀 图1-2晶间腐蚀微观示意

金相组织观察
1-3图到图1-17为焊接接头微观形貌。

图1-3 50倍焊接全貌 图1-4 100倍熔合线

图1-5 200倍熔合线 图1-6 500倍熔合线
图1-3能够看出焊缝组织展现铸造态组织形态，显著外延生长特征。
图1-4、1-5能够看出焊缝靠近母材处显微组织为等轴树枝晶，晶粒细小，次外层为柱状晶，中心为等轴树枝晶
图1-6能够看出晶间腐蚀是在晶粒边界发生有选择性腐蚀现象。

图1-7 200倍焊缝底部 图1-8 200倍焊缝中部

图1-9 200倍焊缝顶部 图1-10 500倍焊缝底部
从图1-7、1-8、1-9能够看出焊缝从底部到顶部腐蚀程度显著不一样，底部腐蚀程度较重，中部腐蚀较严重，顶部腐蚀最严重。
从图1-10能够看出有显著晶界边缘腐蚀外，另外还有局部点蚀。

图1-11 50倍热影响区 图1-12 200热影响区
从图1-11能够看出显著热循环影响下多个显著分区——熔合区、粗晶区 相变重结晶区，和清楚熔合线。另外焊缝晶间腐蚀较热影响区显著杂乱。
从图1-12能够看出热影响区晶间腐蚀关键是分布在晶界周围，且腐蚀深度较焊缝金属沿晶界处腐蚀更深。焊缝出现更多腐蚀点。

图1-13 200倍母材 图1-14 200倍不完全重结晶区
从图1-13和图1-14母材晶间腐蚀较不完全重结晶区含有显著晶界特征，且晶粒较不完全重结晶区较大，腐蚀较均匀。不完全重结晶区晶间腐蚀程度较母材要中。
在显微镜下能够清楚地看到焊缝组织展现铸造组织形态,有显著外延生长特征,焊缝中部晶粒方向几乎是平行。焊缝晶粒始于母材晶粒,止于焊缝中心。晶粒沿原晶粒方向生长,在向焊缝中心生长过程中生长方向趋于垂直焊缝上下表面,焊缝靠近母材处显微组织为等轴树枝晶，晶粒细小，次外层为柱状晶，中心为等轴树枝晶。焊缝金相组织为奥氏体+沿柱状晶和枝晶晶界分布铁素体。

分析
图1-3至1-6焊接时因为冷却速度快，焊缝组织是铸态组织，成份偏析较显著。受热金属处于过热状态并在动态下结晶，柱状树枝晶和等轴晶并存，而且很显著，因为柱状晶生成后，便以靠近熔合线即和原材料接触处联生长大起来，不过长大趋势各不相同，有柱状树枝晶一直长到焊缝中心，有则长到中途就停止了，这是因为晶体是沿着散热最快方向长大[14]，并沿着晶体本身[101]晶向方向成长，有晶体[101]晶向和散热最快方向一致，它就垂直熔合线一直长到焊缝中心，有不和散热方向一致形成夹角，于是就不垂直熔合线而和其成一定角度成长。
图1-7至1-10焊缝因为成份不均匀，发生严重成份偏析，所以发生晶间腐蚀较为杂乱无章。因为焊缝冷却速率不相同，顶部冷却最快，中部其次，底部最慢，发生晶间腐蚀程度也不一样。
因为热输入量大（I=80A），焊缝柱状树枝晶组织粗大，使柱状晶各向异性显著，同时结晶时成份偏析使柱状树枝晶晶界区成份不均匀，这将造成焊缝中心产生热裂纹危险。
图1-11至图1-14热影响区敏化区晶间腐蚀是焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间部位所发生晶间腐蚀。因为大线能量时在450℃-850℃敏化区停留时间延长，敏化倾向增加，更易形成贫铬层
预防方法
（1）-经过焊接材料使焊缝金属或成为超低碳情况或有足够稳定化学元素Nb。调整焊缝成份以取得一定量铁素体（σ）相。
（2）在焊接工艺上应采取小热输入，快速焊过程，以降低处于敏化加热时间。
（3）最好控制Wc《0.06%。焊接时尽可能降低过热，如尽可能避免交叉焊缝和采取小热输入。能够合适加入稀土元素如La，Ce。