雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能及機(jī)理

1.1、耐應(yīng)力腐蝕性能

關(guān)于雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能，最早是從對18—8 Ti 奧氏體不銹鋼中δ鐵素體相作用研究開始的。研究指出，由于18—8鋼中δ鐵素體的存在而大大改善了它們的耐應(yīng)力腐蝕性能。隨后，人們研究了δ鐵素體相的含量對不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能的影響。研究結(jié)果綜合表明，雙相不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能，而且還具有良好耐一般腐蝕性能，以及高強(qiáng)度、高韌性、低膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性能等。

（1）在高濃氯化物溶液中

高濃氯化物常以MgCl2、NaCl溶液作為加速試驗(yàn)介質(zhì)。在MgCl2溶液實(shí)驗(yàn)中，雙相鋼在高應(yīng)力下的破斷時(shí)間是很短的;但是在低應(yīng)力下，破斷時(shí)間大大延長，也就是說，雙相不銹鋼具有較高的臨界應(yīng)力。在NaCl點(diǎn)滴應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)中，同樣可以看出雙相不銹鋼具有比18—8單相奧氏體不銹鋼高得多的臨界應(yīng)力。

另外，在25%NaCl溶液中試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)即使在U形試樣這樣高應(yīng)力水平下，18—5—Nb型雙相不銹鋼和25—5型雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能也要比18—8奧氏體不銹鋼高得多，在此條件下，兩種雙相鋼1000小時(shí)試驗(yàn)期間內(nèi)均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，而18—8不銹鋼在不足20小時(shí)試驗(yàn)期間內(nèi)就產(chǎn)生了斷裂，這就表明，如果在酸性MgCl2溶液、恒載荷試驗(yàn)條件下雙相不銹鋼的優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能表現(xiàn)的還不十分明顯的話，那么在中性NaCl溶液中的恒應(yīng)變試驗(yàn)條件下，雙相不銹鋼優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能就顯得十分清楚了。

（2）高溫水條件

在高溫水條件下，對雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能的研究目前還并不十分充分。研究者在200℃500ppm CLˉ、飽和氧條件下所進(jìn)行的試驗(yàn)表明，18—5—Nb 和25—5 雙相不銹鋼與18—8單相不銹鋼相比，具有高得多的耐應(yīng)力腐蝕性能。Spahm 的試驗(yàn)結(jié)果指出，在200℃、100 ppm CLˉ、5—9 ppm O2條件下長期試驗(yàn)后雙相不銹鋼也沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕。同樣，在295℃、5 ppm CLˉ、PH=5的高溫水中，雙相不銹鋼也具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能。

Wilson 研究了各種材料在電站鍋爐水條件下的應(yīng)力腐蝕問題。結(jié)果指出，3RE60(00Cr18Ni5Mo3Si2)雙相不銹鋼無論是固態(tài)還是475℃×300小時(shí)脆化處理態(tài)，在磷酸處理或全揮發(fā)處理的電站鍋爐水中，均未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，單脆化處理的樣品卻在10% NaOH和含100 ppm CLˉ、10 ppm 、200 ppm 氧的高溫純水中產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕。因此，雙相不銹鋼不宜推薦在300℃以上的高溫水介質(zhì)中使用，這是由于長期使用在300℃以上就會(huì)有可能出現(xiàn)所謂的475℃脆性，從而惡化鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能。

盡管雙相不銹鋼在某些條件下也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但是，一般來說它的破裂時(shí)間要比18—8奧氏體不銹鋼長得多。也就是說，雙相鋼具有較低應(yīng)力腐蝕敏感性。

1.2、雙相不銹鋼的應(yīng)力腐蝕機(jī)理

雙相不銹鋼在氯化物、高溫水、連多硫酸等介質(zhì)中具有較高的耐應(yīng)力腐蝕性能，其應(yīng)力腐蝕破裂行為與鋼種成分、熱處理狀態(tài)、介質(zhì)條件等許多因素有關(guān)。應(yīng)力腐蝕裂紋形態(tài)千差萬別，有的應(yīng)力腐蝕裂紋只在奧氏體中傳播，裂紋遇到鐵素體相則受到阻滯作用;有的裂紋又只在鐵素體中傳播，遇到奧氏體時(shí)，反而受到阻礙;還有的應(yīng)力腐蝕裂紋，既可穿過鐵素體相，又可穿過奧氏體相;而另一些有時(shí)又僅沿晶界擴(kuò)展。這樣，對于這些應(yīng)力腐蝕裂紋傳播特征所進(jìn)行的機(jī)理解釋自然也有所不同。迄今為止，對雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的原因還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。在分析研究了國內(nèi)外一些研究工作后，對α+γ雙相 不銹鋼具有優(yōu)良的耐氯化物應(yīng)力腐蝕的原因簡單地歸結(jié)為：

1、α+γ雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度較18—8奧氏體不銹鋼的高。因而，在相同的應(yīng)力作用下，較難發(fā)生粗大的滑移。因此，表面膜不易破裂，應(yīng)力腐蝕裂紋難以形成。

2、在中性含CLˉ的介質(zhì)中，18—8奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂多為以孔蝕為起點(diǎn)，而雙相不銹鋼由于其成分和組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其耐孔蝕性能較18—8鋼為優(yōu)越?？孜g既不易形成，且一旦形成，由于第二相的屏障作用，又不易擴(kuò)展為應(yīng)力集中系數(shù)較大的尖角形孔坑。

3、α+γ雙相不銹鋼中的第二相(α或γ)的存在，對應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展亦起到機(jī)械屏障作用。它可以阻止裂紋向前發(fā)展，也可以使擴(kuò)展中的裂紋改變方向。從而大大延長了應(yīng)力腐蝕的擴(kuò)展期。

4、當(dāng)α+γ雙相不銹鋼系以奧氏體為基體而在基體上存在著一定數(shù)量的鐵素體時(shí)，在介質(zhì)作用下，鐵素體對奧氏體起到電化學(xué)防護(hù)作用。在實(shí)際事故中觀察到的α相優(yōu)先溶解就是例證。另外有些學(xué)者在研究了25Cr—Ni雙相不銹鋼在MgCl2溶液中的應(yīng)力腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)裂紋只在鐵素體相中擴(kuò)展，因此，他們認(rèn)為雙相不銹鋼之所以具有較高的耐應(yīng)力腐蝕性能可以用以下4種機(jī)理模型加以解釋：

（1）電化學(xué)保護(hù)作用。由于α和γ兩相成分不同，因而其電化學(xué)行為也不同。在MgCl2介質(zhì)條件下，α相為陽極，γ相為陰極，通過陽極溶解使γ相受到保護(hù)。

（2）α相和γ相的應(yīng)變行為不同。由機(jī)械性能的滑移變形行為不同的α和γ兩相組成的鋼，在應(yīng)力作用下，兩相中的應(yīng)力分配以及變形行為均不同，α相為高應(yīng)力區(qū)，γ相為低應(yīng)力區(qū)，因而使γ相的應(yīng)力腐蝕敏感度降低。

（3）兩相中殘余應(yīng)力分布不同。由于α相和γ相的膨脹系數(shù)不同，在固溶處理后，膨脹系數(shù)大的γ相收縮量也大，因而在α/γ相界附近產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在α相中產(chǎn)生壓應(yīng)力。一般說來，在殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的情況下，對應(yīng)力腐蝕有抑制的作用。因此，在α相中擴(kuò)散的應(yīng)力腐蝕裂紋當(dāng)遇到島狀分布的γ相時(shí)，由于殘余應(yīng)力狀態(tài)不同而受到阻礙。

（4）當(dāng)裂紋擴(kuò)展到γ相時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力場使γ相中的位錯(cuò)排列發(fā)生變化，或者使其生成應(yīng)變馬氏體，從而使γ相的應(yīng)力腐蝕腐蝕敏感性降低。

在進(jìn)一步分析研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為，電化學(xué)保護(hù)在提高雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能方面的作用是較小的，而其余三點(diǎn)是主要的。也即是說，雙相不銹鋼的較高的耐應(yīng)力腐蝕性能歸因于兩相混合組織所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)。

當(dāng)然，這種解釋也不是完美無缺的。它只使用于裂紋在α相中傳播，γ相有機(jī)械阻礙作用的情況下。而對于裂紋在γ相中傳播，α相有機(jī)械作用的情況就不適合。因此，機(jī)理的解釋還有待進(jìn)一步的完善。