奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀行为研究应用.doc
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1、目 录第一章 绪论11.1选题背景及意义11.2奥氏体不锈钢应用及特点21.3奥氏体不锈钢腐蚀性能41.3.1奥氏体不锈钢焊接接头耐蚀性41.3.2奥氏体不锈钢焊接接头点蚀71.4奥氏体不锈钢焊接性101.4.1奥氏体不锈钢焊物理性能101.4.2焊接工艺要点101.4.3 TIG焊简介111.5极化曲线121.5.1概念121.5.2极化现象131.5.3极化因素141.6本文研究重要内容15第二章 实验办法、条件及原理162.1焊接办法、材料及规范162.1.1焊接材料162.1.2焊接办法选取162.1.3焊缝接头形式162.1.4焊接工艺参数选用172.2 金相组织观测实验172.2.
2、1实验药物与设备172.2.2实验试样制备及观测182.3 显微硬度测试182.3.1显微硬度测量原理182.3.2实验药物与设备192.3.3实验试样制备192.3.4显微硬度实验过程192.4焊接接头点腐蚀实验202.4.1点腐蚀机理202.4.2实验药物与设备212.4.3实验试样制备212.4.4实验过程212.5 极化曲线与电化学腐蚀测试212.5.1 极化曲线实验原理212.5.2电化学腐蚀原理232.5.3实验药物与设备232.5.4实验试样制备232.5.5 实验过程242.6 X-射线测试242.6.1 x-ray简介242.6.2 X-射线衍射办法252.6.3实验药物与设
3、备262.6.4实验试样制备26第三章 实验成果与分析273.1 金相实验273.1.1金相组织观测273.1.2焊缝及HAZ组织特性分析293.2硬度实验303.2.1硬度曲线303.2.2数据分析323.3点腐蚀实验333.3.1实验成果333.3.2成果分析343.3.3防止点蚀办法353.4极化实验353.4.1实验数据353.4.2曲线分析383.5 X-射线实验383.5.1实验成果383.5.2成果分析41第四章 结论42致 谢43参照文献44第一章 绪 论1.1选题背景及意义 不锈钢自19创造以来,获得迅猛发展。至今全球仍以每年3%5%速度递增。国内正处在不锈钢生产和高速增长期
4、,国内不锈钢使用量已跃居世界第一1。不锈钢焊接也会经常遇到。不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢统称。不锈钢普通具有Cr、Ni、Mn、Mo等元素,具备良好耐腐蚀性、耐热性和较好力学性能,适于制造规定耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温零部件和设备,应用十分广泛,其焊接具备特殊性。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要钢种,生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量70%1。该类钢是一种十分优良材料,有极好抗腐蚀性和生物相容性,因而在化学工业、船舶、食品、生物医学、石油化工等领域得到了广泛应用。长春轨道客车公司配件厂生产材质为0Cr18Ni9壁厚为2.0mm贮水箱,应用在铁路客车上,在设计使用寿命内(设计使用寿命为七年)经常发
5、生渗漏,经由现场解决发现,渗漏点大某些为水箱防波板焊接处,小某些为供水管路渗漏,与水箱自身无关。渗漏点形貌均为圆形小孔(如图1-1),且周边失去钝化膜,已看到凹突不平金属颗粒,由此推断为腐蚀所致,形式为点蚀,在其附近尚有许多细微裂纹存在(如图1-2)。通过研究发现,在水箱生产过程中,由于飞溅和不对的焊接参数(重要是电流),不锈钢箱体表层钝化膜被破坏同步焊接接头区形成贫铬层,同步由于水箱介质为自来水因而具有大量氯离子,贫铬层区域在氯离子及应力作用下,便会引起腐蚀和开裂。渗漏点重要集中在水箱防波板和箱体焊接处。渗漏点形貌为贯穿板厚圆形小孔,用立式显微镜放大至20倍观测,发现小孔周边已失去了钝化膜,
6、其边沿和内表面凸凹不平,十分粗糙。此外,在水箱防波板和箱体焊接处附近还发现多处裂纹。实验就0Cr18Ni9 不锈钢列车贮水箱点蚀与开裂问题展开研究与分析。测试两种焊接接头形式及三种不同焊接参数(不同电流)对不锈钢接头腐蚀性能影响。图1-1水箱点蚀形貌 图1-2水箱裂纹形貌铁路客车上水箱是典型薄壁箱型构造,其壳体承受内压载荷能力很弱。由于在客车运营过程中产生了内压载荷作用,无加强筋薄壁箱型壳体将产生很大变形。因而,水箱内设立主拉筋以承担来自壳体水平方向压力载荷,防止壳体过大横向变形。不锈钢水箱加强侧拉筋与模压板各折边采用氩弧焊连接。在水箱受载时,由于壳体与各侧拉筋变形不协调,使得各侧拉筋既受到拉
7、伸载荷,又受到弯曲载荷作用。使得侧拉筋焊接接头成为水箱一种薄弱之处。并且在加强筋焊接接头易产生腐蚀,如图1-3所示。图1-3发生电化腐蚀连接本文通过在具有氯离子和铁离子腐蚀溶液中对几种不同焊接线能量试样进行点腐蚀实验,最后得出结论,焊接线能量太小或太大都不利于抗点腐蚀。本文研究对延长薄板不锈钢水箱使用寿命具备重要意义。1.2奥氏体不锈钢应用及特点不锈钢是在普通碳钢基本上,加入一组铬质量分数(WCr)不不大于12%合金元素钢材,它在空气作用下能保持金属光泽,也就是具备不生锈特性。这由于在此类钢中具有一定量铬合金元素,能使钢材表面形成一层不溶解于某介质结实氧化薄膜(钝化膜),使金属与外界介质隔离而
8、不发生化学作用。 惯用奥氏体型不锈钢依照其重要合金元素Cr和Ni含量不同可分为如下三种1:18-8型奥氏体不锈钢,重要钢号有1Cr18Ni9和0Cr18Ni9;18-12Mo型奥氏体不锈钢,此类钢钢号有0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等;25-20型奥氏体不锈钢,牌号有0Cr25Ni20等。 奥氏体不锈钢中最有代表性是18Cr-8Ni,它是不锈钢中用量最多,使用范畴最广先进耐腐蚀材料,在大气、淡水、中性盐、有机酸、氧化能力很强硝酸以及碱性环境中具备很强耐腐蚀性,不但如此,并且也具备在高温下抗氧化长处,因此合用性很强。但是奥氏体不锈钢焊接时由于热影响部位容易产生铬碳化合物晶
9、界析浮现象,这样在晶界附近铬含量就减少了,也就减少了耐腐蚀性能,在焊接部位周边易产生晶界腐蚀裂纹。由于奥氏体不锈钢其表面可以形成一层钝化膜,因而具备良好耐腐蚀性能,同步它又具备较好低温韧性等力学性能,因而被广泛用于石油、化工、能源、海洋及各种车辆加工制造上。特别是在轨道车辆上运用,不锈钢车辆有相称大长处:不锈钢对能量吸取优于铝或碳钢;有高屈服强度;高加工硬化率;高延展性。同步,不锈钢重量比碳钢轻20%可减少车体重量;且与碳钢相比更耐腐蚀。因而当前不锈钢被越来越多用在了汽车火车制造上,增长了车辆使用寿命,进而减少了车辆运营成本。 但是在车辆加工制造过程中需要进行焊接,不锈钢焊接接头区常发生晶间腐
10、蚀、刀口腐蚀、点蚀、应力腐蚀等腐蚀现象2。因而不锈钢焊接性问题是十分重要。1940年,Hodge和Miller一方面提出了不锈钢腐蚀与氯化物关于3。随着工业上大量使用及不锈钢品种增长、产量增长和使用范畴扩大,腐蚀断裂事故不断发生4,不锈钢,特别是大量使用Cr-Ni奥氏体不锈钢应力腐蚀断裂问题才成为许多部门重要问题。文献6最早总结了化工、石油、动力等工业部门中Cr-Ni奥氏体不锈钢腐蚀破坏实例。当前,不锈钢,特别是Cr-Ni奥氏体不锈钢腐蚀问题成了不锈钢领域中最重要而又急待解决实际工程问题5,例如长春轨道客车厂热水箱箱体设备因腐蚀开裂而导致漏水问题,仅此项事例就引起高达数百万元经济损失。为理解决
11、奥氏体不锈钢焊后产生缺陷,在18-8基本上有了如下几方面重要发展。(1)加Mo改进了钢点蚀和耐缝隙腐蚀性;(2)减少碳含量或加Ti或Nb、Ta稳定化元素,减小焊接材料晶间腐蚀倾向;(3)加Ni和Cr改进高温抗氧化性和强度;(4)加Ni改进了抗应力腐蚀性能;(5)加S、Se改进了切削性和构件表面精度。由于奥氏体不锈钢具备全面、良好综合性能,在工业上获得了越来越广泛应用。1.3奥氏体不锈钢腐蚀性能1.3.1奥氏体不锈钢焊接接头耐蚀性(1)晶间腐蚀18-8钢焊接接头有三个部位能浮现晶间腐蚀现象,在同一种接头并不能同步看到这三种晶间腐蚀浮现,这取决与钢和焊缝成分9。浮现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊
12、缝区腐蚀重要取决于焊接材料。在正常状况下,当代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。晶间腐蚀形貌如图1-4、1-5。图1-4焊接件晶间腐蚀 图1-5晶间腐蚀微观示意图焊缝区晶间腐蚀:依照贫铬理论,为防止焊缝发生晶间腐蚀:一是通过焊接材料,使焊缝金属或者成为超低碳状况,或者具有足够稳定化元素Nb,普通但愿Nb8WC或Nb1%;二是调节焊缝成分获得一定数量铁素体相10。如果母材不是超低碳不锈钢,采用超低碳焊接材料未必可靠,由于熔合比作用会使母材向焊缝增碳。焊缝中相有利作用如下:可打乱单一奥氏体相柱状晶方向不至于形成持续贫铬层。相富Cr,有良好共Cr条件,可减少奥氏体晶粒形成贫Cr层。因而,常但愿
13、焊缝中存在4%12%铁素体相。过量铁素体存在,多层焊时易促使形成相,且不利于高温工作。在尿素之类介质中工作不锈钢,如含Mo18-8钢,焊缝最佳不含相,否则易产生相选取腐蚀。为了获得相,焊缝成分必然不会与母材完全相似,普通须恰当提高铁素体化元素含量,或者说提高Creq/Nieq值。Creq称为铬当量,为把每一铁素体化元素,按其铁素体化强烈限度折合成相称若干铬元素后总和。已知Creq及Nieq即可拟定焊缝金属室温组织。如图1-6是应用最广焊缝组织图。图1-6不锈钢舍夫勒组织图热影响区敏化区晶间腐蚀:所谓热影响区(HAZ)敏化区晶间腐蚀是指焊接热影响区中加热峰值温度处在敏化加热区间部位(故称敏化区)
14、所发生晶间腐蚀11。显然只有18-8钢才有敏化区存在,含Ti和Nb18-8Ti或18-8Nb,以及超低碳18-8钢不易有敏化区浮现。对于WC=0.5%和0Cr18Ni9不锈钢来说,Cr23C6析出温度为600850,TiC则高达1100。可见,如果冷却速度快,铬碳化物就不会析出。为防止18-8钢敏化区腐蚀,在焊接工艺上应采用小热输入、迅速焊接过程,以减少处在敏化加热时间。 刀状腐蚀:在熔合区产生晶间腐蚀,有如刀削切口形式,故称为“刀状腐蚀”,简称刀蚀,腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒,逐渐扩展到1.01.5mm。刀状腐蚀只发生在含Nb或Ti18-8Ti和18-8Nb钢熔合区,其实指也是与M23C
15、6沉淀而形成贫Cr层关于。以18-8Ti为例焊前为10501150水淬固溶解决态,M23C6所有固溶,TiC则呈现沉淀游离态。通过焊接后,在焊态下熔合区,由于经历了1200以上高温过热作用,发生变化是TiC将大某些固溶,峰值温度越高,TiC固溶量越大,TiC溶解时分离出来碳原子插入到奥氏体点阵间隙中,Ti则占据奥氏体点阵节点空缺位置。冷却时活泼碳原子越向奥氏体周边运动,Ti来不急扩散而保存在原地,因而碳将析集于晶界附近而成为过饱和状态,这已为示踪原子C14自射线照相所证明。这种状态如在经450850中温敏化加热,将发生M23C6沉淀,与之相相应地形成了晶界贫Cr区。越接近熔合区,贫Cr越严重,
16、因而可形成“刀状腐蚀”。显然,高温过程和中温敏化相继作用,是刀口腐蚀必要条件,但不含Ti或Nb18-8钢不应有刀状腐蚀发生。超低碳不锈钢不但不发生敏化区腐蚀,也不会有刀状腐蚀。18-8Ti和18-8Nb钢,最佳控制Wc0.06%。焊接时尽量减少过热,如尽量避免交叉焊缝和采用小热输入。面向腐蚀介质一面无法放在最后施焊时应调节焊缝尺寸和焊接参数,使令一面焊缝焊接时所产生实际敏化加热热影响区不落在第一面表面过热区上。此外,稀土元素如La、Ce可加速碳化物在晶内沉淀,可有效地防止刀状腐蚀。(2)应力开裂腐蚀(SCC)腐蚀介质影响:应力腐蚀最大特点之一是腐蚀介质与材料组合上选取性,在此特定组合之外不会产
17、生应力腐蚀。如在Cl-环境中,18-8不锈钢应力腐蚀不但与溶液中Cl-离子关于,并且还与溶液中氧含量关于。Cl-离子浓度很高、氧含量较少或Cl-离子浓度较低、氧含量较高时,均不会引起应力腐蚀。焊接应力作用:应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介质共同作用成果12。应力腐蚀开裂形貌如图1-7。由于低热导率及高膨胀系数,不锈钢焊后经常产生较大残存应力。应力腐蚀开裂拉应力中,来源于焊接残存应力超过30%,焊接拉应力越大,越易发生应力腐蚀开裂。在含氯化物介质中,引起奥氏体钢SCC临界拉应力th,接近奥氏体钢屈服点s,即th约等s。在高温高压水中,引起奥氏体钢SCCth远不大于s。而在H2SxO6介质中,由于晶间腐
18、蚀领先,应力则起到了加速作用,此时可以为th约等0。为了防止应力开裂腐蚀,从主线上看,退火消除残存应力最为重要。残存应力消除限度与“回火参数”LMP关于,即 LMP=T(Lgt+20)10-3式中 T加热温度(K); t保温时间(h),LMP越大,残存应力消除限度越大。如18-8Nb钢管,外径为125mm,壁厚为25mm,焊态时焊接残存应力R=120MPa。消除应力退火后,LMP18时才开始使R减少,当LMP23时,R0。应指出为消除应力加热温度T作用效果远不不大于加热保温时间t作用。图1-7应力腐蚀开裂形貌合金元素作用:应力腐蚀开裂大多发生在合金中,在晶界上合金元素偏析引起合金晶间开裂腐蚀是
19、应力腐蚀开裂重要因素之一。对于焊缝金属,选取焊接材料具备重要意义。从组织上看焊缝中具有一定量相有助于提高氯化物介质中耐SCC性能,但却不利于HEC型SCC,因而在高温水或高压加氢条件下工作就也许有问题。在氯化物介质中,提高Ni可提高抗应力腐蚀能力。Si能使氧化膜致密,因而是有利;加Mo则会减少Si作用。但是如果SCC根源是点蚀坑,则因Mo而有助于防止点蚀,则会提高耐SCC性能。超低碳有助于提高抗应力腐蚀开裂性能。综上所述,引起应力开裂腐蚀开裂须具备三个条件:一方面是金属在该环境中具备应力腐蚀开裂倾向;另一方面是由这种材质构成构造接触或处在选取性腐蚀介质中;最后具备高于一定水平拉应力。1.3.2
20、奥氏体不锈钢焊接接头点蚀点腐蚀简称点蚀,又叫做小孔腐蚀或孔蚀,是一种腐蚀集中于金属表面很小范畴内,并进一步到金属内部蚀孔状腐蚀形态,普通是直径小而深,蚀孔最大深度和金属平均腐蚀深度比值,称为点蚀系数。点蚀系数越大表达点蚀越严重。不锈钢点蚀是在特定腐蚀介质中发生。普通发生在具有卤素阴离子溶液中,其中以氯化物、溴化物侵蚀性最强,是不锈钢常用局部腐蚀之一13。点腐蚀是一种破坏性和隐患较大腐蚀形态之一,是化工生产及海洋事业中经常遇到问题4。奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向14,其实即耐点蚀性优秀双相钢有时也会有点蚀产生。但含Mo钢耐点蚀性能比不含Mo要好,如18-8Mo就比18-8耐点蚀性能好。现已几乎将点
21、蚀视为首要问题,由于点蚀更难控制,并常成为应力腐蚀裂源。点蚀指数PI越小钢,点蚀倾向越大。最容易产生点蚀部位是焊缝中不完全混合区,其化学成分与母材相似,但却经历了溶化和凝固过程,应属焊缝一某些。焊接材料选取不当时焊缝中心部位也会有点蚀产生,其重要因素应归结为耐点蚀成分Cr和Mo偏析。例如,奥氏体钢Cr22Ni25Mi中WMo=2%5%,在钨极氩弧焊(TIG)时,枝晶晶界Mo量与其晶轴Mo量之比(即偏析度)达1.6,Cr偏析度达1.25。因而晶轴负偏析部位易于产生点蚀易形成点蚀,甚至填送同质焊丝时也是如此,仍不如母材。 为提高耐点蚀性能,一方面须减少Cr、Mo偏析;一方面采用较母材更高Cr、Mo
22、含量所谓“超合金化”焊接材料。提高Ni含量,晶轴中Cr、Mo负偏析明显减少,因而采用高Ni焊丝应当有利。常采用所谓“临界点蚀温度”CPT来评价耐点蚀性能。能引起点蚀最低加热温度,称为CPT。由此可以得到结论14:1)为提高耐腐蚀性能不能进行自熔焊接。2)焊接材料与母材必要“超合金化”匹配。3)必要考虑母材稀释作用,以保证足够合金含量。4)提高Ni量有助于减少微观偏析,必要时可考虑采用Ni基合金焊丝。点蚀形貌是各种各样,如图1-8所示,随材料与腐蚀介质不同而不同,它有半球形、平壁形、不定形、开口形、闭口形等。当前尚不清晰必要满足那些条件,才干形成某种形状小孔。但从实验和现场失效实物材料分析点腐蚀
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