{首页主词},&

不銹鋼的敏化-晶間腐蝕（案例及概念）

2021-07-12 14:25:00 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

一、案例

1換熱器管箱不銹鋼復合層開裂

概況：某裝置檢修時發現一臺換熱器管箱內壁嚴重腐蝕。管程基本參數如下：

管程壓力：設計2.68MPa、操作壓≤2.34MPa；

管程溫度：設計186℃，操作≤166℃；

管程介質：中變氣（CH4：2.3%，CO2：13％，H2：80％，CO：1.1%，N2：2.5％）；

管程管箱材質：16MnR+304；

管箱焊后熱處理溫度為：620℃。

圖：不銹鋼復合層開裂

2失效原因

熱處理不當導致不銹鋼敏化，發生了CO2（碳酸）環境下的晶間腐蝕。

二、概念

1 損傷描述及損傷機理

a）敏化：普通的300系列不銹鋼（如304、316）含碳量較高，屬于非穩定態（即不含鈦或鈮等穩定化元素），室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%~0.03%，遠低于不銹鋼的實際含碳量，故過飽和的碳被固溶在奧氏體中，當溫度超過425℃并在425℃~815℃范圍內停留一段時間時，過飽和的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻元素化合、在晶間形成碳化鉻的化合物，如六碳化二十三鉻（Cr23C6）等。鉻在晶粒內擴散速度比沿晶界擴散的速度小，內部的鉻來不及向晶界擴散，在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來自晶界附近，使晶界附近的含鉻量大為減少。

當晶界的鉻質量分數低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”，貧鉻區和晶粒本身存在電化學性能差異，使貧鉻區（陽極）和處于鈍化態的基體（陰極）之間建立起一個具有很大電位差的活化-鈍化電池。貧鉻區的小陽極和基體的大陰極構成腐蝕電池，在腐蝕介質作用下，貧鉻區被快速腐蝕，晶界首先遭到破壞，晶粒間結合力顯著減弱、力學性能惡化，機械強度大大降低，然而變形卻不明顯。這種碳化物在晶界上的沉淀一般稱之為敏化作用。

對于含穩定化元素的奧氏體不銹鋼，在其焊接接頭區域經歷多次加熱和冷卻循環，會在狹窄的特定區域內導致原本溶解在碳化鈦（TiC）或碳化鈮（NbC）中的碳元素析出，并與鉻元素結合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如六碳化二十三鉻（Cr23C6）等，同樣形成貧鉻區，造成耐腐蝕能力下降。

b）晶間腐蝕：金屬材料發生敏化后，在腐蝕介質中晶界因耐腐蝕能力較低而發生優先腐蝕；或未發生敏化的材料在特定的腐蝕介質中晶粒邊界或晶界附近優先發生腐蝕，使晶粒之間喪失結合力的一種局部破壞過程。發生敏化的奧氏體不銹鋼非常容易發生晶間腐蝕。

2 損傷形態

a）發生敏化時，一般尺寸、外形無明顯變化且不會發生塑性變形；發生晶間腐蝕時如果晶粒脫落不明顯，目視檢測不太容易發現損傷。

b）僅敏化區域可見腐蝕痕跡，如果敏化區間較窄，比如焊接時形成的敏化區，一般出現窄腐蝕溝或裂紋。

c）敏化部位可能仍保持著明亮的金屬光澤，但塑性完全喪失，冷彎時易發生開裂，嚴重時出現脆斷和金屬晶粒脫落，落地時甚至沒有金屬碰撞聲。如果已出現晶間腐蝕，有時會出現明顯的晶粒脫落，使金屬表面光澤黯淡，局部可能出現明顯的減薄。

d）金相顯微鏡或掃描電鏡下可觀察到晶界明顯變寬，多呈網狀，嚴重時可觀察到明顯的晶粒脫落。

e）含穩定化元素的奧氏體不銹鋼的焊接接頭發生敏化和晶間腐蝕時，可在接頭區域觀察到獨有的“刀狀腐蝕”（或稱刃狀腐蝕）。

f）敏化后的材料在腐蝕介質作用下易發生晶間腐蝕，在高拉伸應力區還常導致沿晶應力腐蝕開裂。

3 受影響的材料

300系列不銹鋼（不含鈦或鈮等穩定化元素，或含有穩定化元素但未經穩定化處理），有時鎳基合金和鋁合金也有類似情況。

4 主要影響因素