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奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀行为研究.doc
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1、目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 选题的背景及意义.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 奥氏体不锈钢的应用及特点.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3 奥氏体不锈钢腐蚀性能.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.1 奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.2 奥氏体不锈钢焊接接头的点蚀.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4 奥氏体不锈钢焊接性.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.1 奥氏体不锈钢焊的物理性能.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.2 焊接工艺要点.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.4.3 TIG 焊简介.错误错
2、误!未定义书签。未定义书签。1.5 极化曲线.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.1 概念.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.2 极化现象.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.5.3 极化因素.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.6 本文研究的重要内容.错误错误!未定义书签。未定义书签。第二章 实验方法、条件及原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 焊接方法、材料及规范.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.1 焊接材料.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.2 焊接方法的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.3 焊缝接头形式.错误错误!未定义书签。
3、未定义书签。2.1.4 焊接工艺参数的选取.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 金相组织观测实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.1 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.2 实验试样制备及观测.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3 显微硬度测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.1 显微硬度测量原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.2 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.3 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.4 显微硬度实验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4 焊接接头点腐蚀实验.
4、错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.1 点腐蚀机理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.2 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.3 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.4 实验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5 极化曲线与电化学腐蚀测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.1 极化曲线实验原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.2 电化学腐蚀原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.3 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.4 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.5.5 实
5、验过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6 X-射线测试.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.1 x-ray 简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.2 X-射线衍射方法.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.3 实验药品与设备.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.6.4 实验试样制备.错误错误!未定义书签。未定义书签。第三章 实验结果与分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 金相实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.1 金相组织观测.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.2 焊缝及 HAZ 组织特性分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2
6、 硬度实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.1 硬度曲线.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.2 数据分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 点腐蚀实验.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.1 实验结果.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.2 结果分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.3 防止点蚀的措施.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4 极化实验.错误错误!未定义书未定义书签。签。3.4.1 实验数据.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4.2 曲线分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5 X-射线实验.错误错误!未定义书签。未定义
7、书签。3.5.1 实验结果.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.5.2 结果分析.错误错误!未定义书签。未定义书签。第四章 结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。致 谢.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。第一章第一章 绪绪 论论 1.1.1 1 选题的背景选题的背景及意义及意义 不锈钢自 192023 发明以来,取得迅猛发展。至今全球仍以每年 3%5%的速度递增。我国正处在不锈钢生产和高速增长期,2023 年我国不锈钢的使用量已跃居世界第一1。不锈钢焊接也会经常碰到。不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常具有 Cr、Ni、Mn、Mo 等元素
8、,具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能,适于制造规定耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备,应用十分广泛,其焊接具有特殊性。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种,生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的 70%1。该类钢是一种十分优良的材料,有极好的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的应用。长春轨道客车公司配件厂生产的材质为 0Cr18Ni9 壁厚为 2.0mm 的贮水箱,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)经常发生渗漏,经由现场解决发现,渗漏点大部分为水箱防波板焊接处,小部分为供水管路渗漏,与水箱自身无关。渗漏点形
9、貌均为圆形小孔(如图 1-1),且周边失去钝化膜,已看到凹突不平的金属颗粒,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时焊接接头区形成贫铬层,同时由于水箱的介质为自来水因而具有大量的氯离子,贫铬层区域在氯离子及应力的作用下,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的圆形小孔,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,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
10、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的影响。图 1-1 水箱点蚀形貌 图 1-2 水箱裂纹形貌 铁路客车上的水箱是典型的薄壁箱型结构,其壳体承受内压载荷的能力很弱。由于在客车运营的过程中产生了内压载荷作用,无加强筋的薄壁箱型壳体将产生很大的变形。因此,水箱内设立主拉筋以承担来自壳体的水平方向的压力载荷,防止壳体过大的横向变形。不锈钢水箱的加强侧拉筋与模压板各折边采用氩弧焊连接。在水箱的受载时,由于壳体与各侧拉筋变形不协调,使得各侧拉筋既受到拉伸载荷,又受到弯曲载荷作用。使得侧拉筋的焊接接头成
11、为水箱的一个薄弱之处。并且在加强筋焊接接头易产生腐蚀,如图 1-3 所示。图 1-3 发生电化腐蚀的连接 本文通过在具有氯离子和铁离子的腐蚀溶液中对几种不同焊接线能量的试样进行点腐蚀实验,最终得出结论,焊接线能量太小或太大都不利于抗点腐蚀。本文的研究对延长薄板不锈钢水箱的使用寿命具有重要的意义。1.21.2 奥氏体不锈钢的应用及特点奥氏体不锈钢的应用及特点 不锈钢是在普通碳钢的基础上,加入一组铬的质量分数(WCr)大于 12%合金元素的钢材,它在空气作用下能保持金属光泽,也就是具有不生锈的特性。这由于在这类钢中具有一定量的铬合金元素,能使钢材表面形成一层不溶解于某介质的坚固的氧化薄膜(钝化膜)
12、,使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。常用的奥氏体型不锈钢根据其重要的合金元素 Cr 和 Ni 的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,这类钢的钢号有 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的是 18Cr-8Ni,它是不锈钢中用量最多,使用范围最广的优秀耐腐蚀材料,在大气、淡水、中性盐、有机酸、氧化能力很强的硝酸以及碱性环境中具有很强的耐腐蚀性,不仅如此,并且也具有在高温下抗氧化的优点,所以
13、合用性很强。但是奥氏体不锈钢焊接时由于热影响的部位容易产生铬碳化合物晶界析出现象,这样在晶界附近的铬含量就减少了,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,因而具有良好的耐腐蚀性能,同时它又具有较好的低温韧性等力学性能,因此被广泛的用于石油、化工、能源、海洋及各种车辆的加工制造上。特别是在轨道车辆上的运用,不锈钢车辆有相称大的优点:不锈钢对能量的吸取优于铝或碳钢;有高的屈服强度;高的加工硬化率;高的延展性。同时,不锈钢重量比碳钢轻 20%可减少车体的重量;且与碳钢相比更耐腐蚀。因而现在不锈钢被越来越多的用在了汽车火车的制造上,增长了车辆的
14、使用寿命,进而减少了车辆运营的成本。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蚀、刀口腐蚀、点蚀、应力腐蚀等腐蚀现象2。因此不锈钢焊接性问题是十分重要的。1940年,Hodge 和 Miller 一方面提出了不锈钢的腐蚀与氯化物有关3。随着工业上的大量使用及不锈钢品种的增长、产量的增长和使用范围的扩大,腐蚀断裂事故的不断发生4,不锈钢,特别是大量使用的 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂问题才成为许多部门的重要问题。文献6最早总结了化工、石油、动力等工业部门中 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的腐蚀破坏的实例。目前,不锈钢,特别是 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的腐蚀问题成了不锈
15、钢领域中最重要而又急待解决的实际工程问题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的漏水问题,仅此项事例就引起高达数百万元的经济损失。为了解决奥氏体不锈钢焊后产生的缺陷,在 18-8 的基础上有了以下几方面的重要发展。(1)加 Mo 改善了钢的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,减小焊接材料的晶间腐蚀倾向;(3)加 Ni 和 Cr 改善高温抗氧化性和强度;(4)加 Ni 改善了抗应力腐蚀性能;(5)加 S、Se 改善了切削性和构件表面精度。由于奥氏体不锈钢具有全面、良好的综合性能,在工业上获得了越来越广泛的应用。1.1.3 3 奥氏体不锈钢奥氏体
16、不锈钢腐蚀腐蚀性性能能 1.1.3 3.1 1 奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性 (1)晶间腐蚀 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的出现,这取决与钢和焊缝的成分9。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀重要取决于焊接材料。在正常情况下,现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。晶间腐蚀的形貌如图 1-4、1-5。图 1-4 焊接件的晶间腐蚀 图 1-5 晶间腐蚀的微观示意图 焊缝区晶间腐蚀:根据贫铬理论,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情况,或者具有足够的稳定化元素 N
17、b,一般希望 Nb8WC或 Nb1%;二是调整焊缝成分获得一定数量的铁素体相10。假如母材不是超低碳不锈钢,采用超低碳焊接材料未必可靠,由于熔合比的作用会使母材向焊缝增碳。焊缝中 相的有利作用如下:可打乱单一奥氏体相柱状晶的方向不至于形成连续贫铬层。相富 Cr,有良好的共 Cr 条件,可减少奥氏体晶粒形成贫 Cr 层。因此,常希望焊缝中存在 4%12%的铁素体相。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的不锈钢,如含 Mo 的 18-8 钢,焊缝最佳不含 相,否则易产生 相的选择腐蚀。为了获得 相,焊缝成分必然不会与母材完全相同,一般须适当提高铁素体化元素
18、的含量,或者说提高 Creq/Nieq的值。Creq称为铬当量,为把每一铁素体化元素,按其铁素体化的强烈限度折合成相称若干铬元素后的总和。已知 Creq及 Nieq即可拟定焊缝金属的室温组织。如图 1-6 是应用最广的焊缝组织图。图 1-6 不锈钢舍夫勒组织图 热影响区敏化区晶间腐蚀:所谓的热影响区(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的部位(故称敏化区)所发生的晶间腐蚀11。显然只有 18-8 钢才有敏化区存在,含 Ti 和 Nb 的 18-8Ti 或 18-8Nb,以及超低碳 18-8钢不易有敏化区出现。对于 WC=0.5%和 0Cr18Ni9 不锈钢来说,
19、Cr23C6的析出温度为600850,TiC 的则高达 1100。可见,假如冷却速度快,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、快速焊接过程,以减少处在敏化加热的时间。刀状腐蚀:在熔合区产生的晶间腐蚀,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,逐步扩展到 1.01.5mm。刀状腐蚀只发生在含 Nb 或 Ti 的 18-8Ti 和 18-8Nb 钢的熔合区,其实指也是与 M23C6沉淀而形成贫 Cr 层有关。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。
20、通过焊接后,在焊态下的熔合区,由于经历了 1200以上的高温过热作用,发生的变化是 TiC 将大部分固溶,峰值温度越高,TiC 固溶量越大,TiC 溶解时分离出来的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。冷却时活泼的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自射线照相所证实。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。越靠近熔合区,贫 Cr 越严重,因此可形成“刀状腐蚀”。显然,高温过程和中温敏化相继作用,是刀口腐蚀的必要条件,但不含
21、Ti 或 Nb 的 18-8 钢不应有刀状腐蚀发生。超低碳不锈钢不仅不发生敏化区腐蚀,也不会有刀状腐蚀。18-8Ti 和 18-8Nb 钢,最佳控制 WcFe2+2e 还原(阴极)反映:2H+2e H2 Fe3+e Fe2+,两个反映在不锈钢表面同时发生,且速度相同,保持着电荷守恒。凡可提成两个或更多个氧化、还原分反映的腐蚀过程,都可叫做电化学反映。钢铁、铝等在酸中的腐蚀反映均属于电化学反映。如腐蚀电池的阳极反映可写成通式:MeMen+ne 每个反映中单个原子产生的电子数(n)等于元素的价数。腐蚀原电池的阴极反映可写成通式:D+neDne 2.5.2.5.3 3 实验实验药品与设备药品与设备
22、(1)实验设备:LK9805-电化学分析仪、烧杯、天平、玻璃棒、砂轮机、砝码、量筒(2)实验药品:FeCl3、浓 HCl、NaCl、酒精、丙酮、砂纸(3)腐蚀液配方:30gFeCl3+15gNaCl+7.5ml 浓 HCl+600mlH2O 2.5.2.5.4 4 实验实验试样制备试样制备 从焊接电流分别为35A、70A、80A,焊接接头为角焊缝的样板上截取20mm20mm20mm六块试样,然后用砂轮机进行粗磨,再用砂纸将其中电流不同的三块试样的焊缝磨光,再将剩下的三块试样用砂纸将HAZ区磨光。然后用水冲洗,在用酒精冲洗,最后用丙酮去表面油污。然后将做好的每一个试样钻个孔,再将六个试样用铜丝拧
23、紧,最后在前三个试样的焊缝处留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好,在将后三个试样的HAZ区留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好。同样焊接接头为平焊缝试样制备亦如此。2.2.5.5.5 5 实验实验过程过程 电化学实验采用常规的三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pn 电极,电解质为100ml的30gFeCl3+15g NaCl+7.5m浓lHCl+600mlH2O腐蚀液室温(20)测量。采用电化学腐蚀设备LK9805-电化学分析仪,以50 mV/min 的扫描速率;电位范围从-3mV 到+3mV,测示电流的变化;并进行电流、电位的数据采集,然后通过数据解决得到电流与电
24、位变化的Tafel 曲线。(装置如图2-6)图 2-6 恒电流法测量极化曲线的装置示意图 1-待测电极;2-辅助电极;3-直流电源;4-可变电阻;5-换向开关 6-电流表;7-电位差计;8-参比电极;9-盐桥;10-毛细管 2.6 X2.6 X-射线测试射线测试 2.6.1 x2.6.1 x-rayray 简介简介225 5 衍射又称为绕射,光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。假如采用单色平行光,则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后,因位相不同,互相之间产生干涉作用,引起互相加强或减弱的物理现象。衍射的条件,一是相干波(点光源发出的波),二是光栅。衍射的结果是产生明暗相
25、间的衍射花纹,代表着衍射方向(角度)和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光珊的情况。为了使光能产生明显的偏向,必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。用于可见光谱的光栅每毫米要刻有约 500 到 500 条线。192023,劳厄想到,假如晶体中的原子排列是有规则的,那么晶体可以当作是 X 射线的三维衍射光栅。X 射线波长的数量级是 10-8cm,这与固体中的原子间距大体相同。果然实验取得了成功,这就是最早的 X 射线衍射。显然,在 X 射线一定的情况下,根据衍射的把戏可以分析晶体的性质。但为此必须事先建立 X 射线衍射的方向和强度与晶体结构之间的相应关系(如图2-7)。图 2-7 X
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