研究了316L不銹鋼在650℃時效處理24~96h后耐晶間腐蝕性能,利用光學顯微鏡觀察不同晶粒尺寸及時效熱處理的316L不銹鋼的顯微組織及腐蝕形貌的演變。結果表明,在相同的時效處理條件下,晶粒尺寸大的試樣腐蝕質量損失小。隨著時效時間延長,試樣的耐晶間腐蝕能力首先下降,經過48h時效后再上升,試樣的敏化規律與晶粒尺寸無關。在650℃時效48h以后的試樣已經較好地脫敏。

316L奧氏體不銹鋼由于具有優良的耐腐蝕性能和綜合力學性能而被廣泛應用在石油、化工、核電等領域,其工作環境一般是高溫、高壓且有強烈腐蝕介質,這對316L不銹鋼的性能提出了很高的要求。在實際應用中,晶間腐蝕問題是影響316L不銹鋼服役壽命的最主要原因。因此,研究如何提高316L不銹鋼的耐晶間腐蝕性能很有意義。一般認為,富Cr的碳化物在晶界處析出造成晶界貧Cr是導致奧氏體不銹鋼耐晶間腐蝕能力下降的主要原因之一。很多學者研究了不同時效熱處理后奧氏體不銹鋼晶界處碳化物析出與貧Cr區演化規律及其對材料耐晶間腐蝕性能的影響。適當的時效熱處理可以緩解因晶界碳化物析出而導致的晶界貧Cr問題。316L不銹鋼在實際生產過程中一般要經過固溶處理與時效處理,時效熱處理過程中首先經歷敏化階段,隨著時效時間的延長,試樣會脫敏,只有脫敏后的材料耐晶間腐蝕能力才不會顯著下降。另外,在實際生產的不銹鋼材料中,晶粒尺寸是不固定的。有研究表明,晶粒尺寸對材料耐晶界腐蝕性能有較大影響。但是,晶粒尺寸對材料的脫敏規律是否有影響尚未明確。本課題通過浸泡晶間腐蝕的方法,研究了不同晶粒尺寸的316L不銹鋼試樣在不同時效熱處理工藝處理后的耐腐蝕性能,并且觀察和分析材料在晶間腐蝕過程中試樣表面腐蝕形貌的演變,綜合分析了晶粒尺寸對316L不銹鋼試樣脫敏規律與耐晶間腐蝕性能的影響。

1試驗方法

試驗316L不銹鋼的成分見表1。將片狀316L不銹鋼試樣放進箱式爐中,在1100℃固溶處理1h,水淬,獲得均勻固溶態試樣。再將試樣冷軋50%,然后在1100℃再結晶退火0.5h和2h獲得晶粒尺寸不同的試樣,通過平均線截距法測定兩種試樣的晶粒尺寸,分別約為32μm和50μm。在650℃分別時效處理24、48、72、96h。再用數控電火花線機將板材切割成20mm×20mm×1mm的晶間腐蝕試樣,然后經400~1200號砂紙逐級打磨,最后對表面進行機械拋光與電解拋光,獲得干凈無應變的試樣表面。電解拋光液為20%的HClO4+80%的CH3COOH(體積分數),在40V直流電流下拋光約1min。電解拋光后試樣再吹干稱量(精確到μg)及測量表面積(精確到μm2)。最后將試樣在室溫浸泡于體積分數10%的HF+10%的H2O2的水溶液中進行晶間腐蝕試驗,晶間腐蝕時間為40h,每隔2h將試樣取出,并分別用去離子水和酒精沖洗,吹干并稱量,計算腐蝕量。采用KEYENCEVH-S1型光學顯微鏡觀察晶間腐蝕試驗每周期后的試樣的腐蝕形貌。依據平均線截距法測定試樣的平均晶粒尺寸,每個試樣隨機選?。硞€區域做平均值,每個區域晶粒數大于100個。

2結果與討論

圖1為兩種晶粒尺寸試樣在650℃下時效不同時間,再經40h的晶間腐蝕后的腐蝕量隨時效時間變化的曲線??梢钥闯?,經過時效熱處理后,小晶粒試樣的腐蝕量明顯大于大晶粒的,這種差異與時效熱處理時間無關;兩種試樣腐蝕量都是隨著時效時間的延長而腐蝕量首先明顯增加,當時效時間大于48h時,試樣的腐蝕量隨著時效時間的延長而降低。

圖2為晶粒尺寸約為32μm的試樣經不同的時效熱處理后再腐蝕10h的腐蝕形貌。由圖2可以看出,各個試樣晶界處都已出現腐蝕痕跡,試樣的晶粒已經被晶界處半連續的腐蝕溝痕包圍。其中,在650℃時效48h的試樣晶間腐蝕最為嚴重,晶間腐蝕寬度達5μm左右,時效24h和72h的試樣腐蝕寬度在2μm左右,而時效96h的試樣晶間腐蝕最不明顯,還有很多晶界尚未出現晶間腐蝕痕跡。試樣表面的腐蝕形貌隨時效時間的變化規律與腐蝕量隨時效時間的演化規律有密切的對應關系。對于奧氏體不銹鋼來說,熱處理后試樣中會存在較多的退火孿晶,而在圖2中孿晶晶界的腐蝕不多,這說明板條狀的退火孿晶與基體之間形成的孿晶晶界的耐腐蝕能力都遠好于隨機晶界。這主要是由于孿晶晶界處雜質原子的偏聚與富Cr碳化物的析出遠輕于隨機晶界處,尤其是共格孿晶處幾乎沒有雜質原子偏聚與碳化物析出,因此孿晶晶界的耐晶間腐蝕能力遠好于隨機晶界。

圖3為晶粒尺寸約為50μm的試樣經不同時效熱處理后再腐蝕10h的腐蝕形貌。由圖3可以看出,試樣經10h腐蝕后的表面形貌與小尺寸晶粒試樣經相同時間腐蝕后的形貌相似,晶粒已經被晶界處半連續的腐蝕溝痕包圍。其中,在650℃時效48h的試樣晶間腐蝕最嚴重,晶間腐蝕的寬度也與小尺寸晶粒試樣相近,時效24h和72h的試樣腐蝕寬度均在2μm左右,而時效96h的試樣晶間腐蝕最不明顯,還有很多晶界尚未出現晶間腐蝕痕跡。在大尺寸晶粒試樣中,孿晶晶界的耐腐蝕能力也遠好于隨機晶界。這說明在大尺寸晶粒試樣中孿晶晶界處雜質原子的偏聚與富Cr碳化物的析出也遠輕于隨機晶界處,尤其是共格孿晶處幾乎沒有雜質原子偏聚與碳化物析出,因此孿晶晶界的耐晶間腐蝕能力好于隨機晶界。

晶界處耐腐蝕能力低于基體的主要原因是由于晶界處原子排布混亂,自由能高于基體,且雜質原子在晶界處的偏聚以及碳化物析出導致的晶界處貧Cr,使得晶界處電位與基體不同,形成微區原電池,導致在腐蝕環境中形成沿晶界的優先腐蝕。晶界處Cr濃度演化的一般規律為時效初期晶界處Cr濃度越來越低,達到最低點后,Cr濃度會隨著時效時間的延長而逐漸恢復。Cr濃度越低,晶界的耐腐蝕性能越差。因此,兩種晶粒尺寸的試樣都是在650℃時效48h后晶界處Cr濃度最低。試樣耐晶間腐蝕能力隨時效時間的演化與晶粒尺寸無關,表明了晶界處貧Cr區的演化規律與試樣的晶粒尺寸無關。這主要是由于晶界處貧Cr區是由晶界處碳化物析出引起的,碳化物在晶界處析出的熱力學與動力學條件與晶粒尺寸無關??梢钥闯?,當在650℃時效48h以后,試樣開始逐漸脫敏,這種時效工藝可以在不考慮晶粒尺寸的條件下使用。從圖1中還可以看出,雖然兩種晶粒尺寸的試樣耐晶間腐蝕能力的演化規律相近,但是小尺寸晶粒試樣的耐腐蝕能力差一些,而對比兩種試樣的晶間腐蝕形貌卻差別不大。這主要是由于晶粒尺寸小的試樣中單位表面積內含有的晶界多,那么其腐蝕量就會較大,這也在其他材料中得到了證實。

3結論

(1)在相同的時效處理條件下,316L不銹鋼晶粒尺寸大的試樣腐蝕量小。

(2)無論晶粒尺寸大小,試樣都是隨著時效時間的延長,316L不銹鋼試樣的耐晶間腐蝕的能力首先下降,經過48h時效后再上升,試樣的敏化規律與晶粒尺寸無關。