晶間腐蝕的機(jī)理課件

1、核電設(shè)備奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn)2014.06上海核工程研究設(shè)計(jì)院什么叫晶間腐蝕晶間腐蝕的防止和消除常見晶間腐蝕試驗(yàn)方法問題交流與探討目錄一、晶間腐蝕的機(jī)理 晶間腐蝕是一種由微電池作用而引起的局部腐蝕現(xiàn)象，是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界產(chǎn)生的腐蝕。這種腐蝕主要是從表面開始，沿著晶界向內(nèi)部發(fā)展，直至成為潰瘍式腐蝕，整個金屬強(qiáng)度幾乎完全喪失。其腐蝕特征是，在表面還看不出腐蝕特征時，晶粒之間已喪失了結(jié)合力，失去金屬聲音，嚴(yán)重時，只要輕輕敲打就可破碎，甚至形成粉狀。因此，它是一種危害性很大的局部腐蝕。 晶間腐蝕定義一、晶間腐蝕的機(jī)理1)晶間區(qū)偏析雜質(zhì)或第二相選擇性溶解理論 非敏化態(tài)

2、晶間腐蝕機(jī)理主要是晶間區(qū)偏析雜質(zhì)或第二相選擇性溶解理論。 該理論認(rèn)為，偏析于晶界上的雜質(zhì)元素(如P和Si)或沉淀析出相(如相或亞顯微的相)的選擇性溶解是引起晶間腐蝕的原因。2)貧Cr理論 奧氏體不銹鋼敏化態(tài)晶間腐蝕的機(jī)理主要是貧Cr理論。 晶間腐蝕機(jī)理一、晶間腐蝕的機(jī)理貧Cr理論 對奧氏體不銹鋼而言其晶間腐蝕的原因是由于晶界區(qū)貧鉻所引起的。含碳量高于0.02%的奧氏體不銹鋼中，碳與鉻能生成碳化物(Cr23C6)。這些碳化物經(jīng)過高溫淬火，以固溶態(tài)溶于奧氏體中，鉻均勻分布，使合金各部分鉻含量均在鈍化所需值即12%以上。這種過飽和固溶體在室溫下雖然暫時保持這種狀態(tài)，但它是不穩(wěn)定的。如果加熱到敏化溫度

3、范圍內(nèi)，碳化物就會沿晶界析出，鉻便從晶界邊界的固溶體中分離出來。由于鉻的擴(kuò)散速度很慢，遠(yuǎn)低于碳的擴(kuò)散速度，不能從晶粒內(nèi)固溶體中擴(kuò)充到晶界，因而只能消耗晶界附近的鉻，造成晶粒邊界貧鉻區(qū)。 晶間腐蝕機(jī)理一、晶間腐蝕的機(jī)理貧Cr理論 貧鉻區(qū)的含鉻量遠(yuǎn)低于鈍化所需要的極限值，其電位比晶粒內(nèi)部的電位低。更低于碳化物的電位。貧鉻區(qū)和碳化物緊密相連，當(dāng)遇到一定腐蝕介質(zhì)時就會發(fā)生短路電池效應(yīng)。該情況下碳化鉻和晶粒呈陰極，貧鉻區(qū)呈陽極，迅速被侵蝕。 晶間腐蝕機(jī)理二、晶間腐蝕的防止和消除加熱溫度和加熱時間對奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響, 如圖1 所示。當(dāng)加熱溫度小于450或大于850時, 不會產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)闇囟?/p>

4、小于450時, 由于溫度較低, 不會形成碳化鉻。當(dāng)溫度超過850時, 晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力增強(qiáng), 有足夠的鉻擴(kuò)散至晶界和碳化合, 不會在晶界形成“貧鉻區(qū)”。所以產(chǎn)生晶間腐蝕的加熱溫度是在450 850 , 這個溫度區(qū)間就稱為產(chǎn)生晶間腐蝕的”危險(xiǎn)溫度區(qū)”(又稱”敏化溫度區(qū)”) , 其中尤以650最危險(xiǎn)。焊接時焊縫兩側(cè)處于”危險(xiǎn)溫度區(qū)”的地帶最易發(fā)生晶間腐蝕。即使是焊縫由于在冷卻過程中其溫度也要穿過”危險(xiǎn)溫度區(qū)”, 所以也會產(chǎn)生晶間腐蝕。 控制加熱溫度和時間二、晶間腐蝕的防止和消除 控制加熱溫度和時間二、晶間腐蝕的防止和消除隨著不銹鋼中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化鉻隨之增多, 結(jié)果就使得在晶界形

5、成“貧鉻區(qū)“的機(jī)會增多, 導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向增加, 所以碳是晶間腐蝕最有害的元素。一般認(rèn)為奧氏體不銹鋼中含碳量降低到0.020.03%以下，便可避免晶間腐蝕。控制含碳量二、晶間腐蝕的防止和消除在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb 等與碳的結(jié)合能力比鉻更強(qiáng)的元素, 能夠與碳結(jié) 合成穩(wěn)定的碳化物, 可以避免在奧氏體晶界形成貧鉻區(qū)。所以, 常用奧氏體不銹鋼及焊接材料中都含有Ti 或Nb 元素,如ER347等。 二、晶間腐蝕的防止和消除焊后, 將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至10501100, 此時碳又重新溶入奧氏體中, 然后急速冷卻, 便可得到穩(wěn)定的奧氏體組織, 消除貧鉻區(qū)。這種方法叫固溶處理。固

6、溶處理的缺點(diǎn)是, 如果焊接接頭需要在危險(xiǎn)的溫度區(qū)工作, 則仍不可避免地會形成貧鉻區(qū)。進(jìn)行固溶處理二、晶間腐蝕的防止和消除焊后, 將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至850900, 保溫2 h, 使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻有充分時間擴(kuò)散到晶界, 使晶界處的含鉻量又恢復(fù)到大于12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) , 貧鉻區(qū)得以消失, 這叫均勻化處理。進(jìn)行均勻化處理二、晶間腐蝕的防止和消除在相同碳含量時，含有5%的鐵素體組織的奧氏體不銹鋼將明顯改善其乃晶間腐蝕性能。 鐵素體含量的影響三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法(a) GB/T 4334 E法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法(b) ASTM

7、A262 E法 CopperCopper SulfateSulfuric Acid Test for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels(c) RCC-M-2007 MC1300 Accelerated Intergranular Corrosion Test of Austenitic Stainless 18-10 Chromium Nickel Steel三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)號ASTM A262EGB/T4334 ER

8、CC-M MC1300試樣尺寸5-13厚,9-25寬,最小75mm長80-100長，20mm厚,3-4mm厚長寬厚 70104mm試樣數(shù)量：3個，1個參考試樣，1個焊后熱處理態(tài)試樣(若產(chǎn)品需要焊后熱處理態(tài))，1個經(jīng)敏化處理后的試樣；敏化溫度675650700敏化時間1h2h加熱至700，加熱時間不超過5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷腐蝕介質(zhì)將硫酸銅(CuSO45H2O)溶解于700ml蒸餾水中，再加入100ml硫酸(比重1.84)，用蒸餾水稀釋至1000ml(質(zhì)量百分比：約6%無水硫酸銅，16%硫酸)將硫酸銅(CuSO45H2O)(GB/T 665 分析純)溶解于

9、700ml蒸餾水或去離子水中，再加入100ml純硫酸(GB/T 625 優(yōu)級)，用蒸餾水或去離子水稀釋至1000ml質(zhì)量百分比：10%結(jié)晶硫酸銅，10%硫酸(密度1.83)，80%蒸餾水三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)號ASTM A262EGB/T4334 ERCC-M MC1300腐蝕時間15h16h24h壓頭直徑等于試樣厚度如果雙方達(dá)成一致，彎曲半徑不小于ASME第IX卷的要求，且當(dāng)試樣厚度4.76時，彎曲半徑為試樣厚度的兩倍5mm2倍試樣厚度合格標(biāo)準(zhǔn)彎曲180，彎曲試樣在5-20倍下，觀測到外表面有裂紋，則存在晶間腐蝕；若存在疑問，則由金相法輔助提供判

10、定依據(jù)。彎曲180，彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面有無因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋；從試樣的彎曲部位棱角產(chǎn)生的裂紋以及不伴有裂紋的滑移線、皺紋和表面粗糙等都不能認(rèn)為是晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋；試樣不能進(jìn)行彎曲評定或彎曲的裂紋難以判定時.則采用金相法,允許的晶間腐蝕深度由供需雙方協(xié)商確定與鋼表面敲擊，有清脆的金屬敲擊聲彎曲90，無裂紋；若開裂，開裂邊緣沒有晶間腐蝕跡象。微觀金相：作為上述兩試驗(yàn)的補(bǔ)充，在上述兩試驗(yàn)存在爭議時，提供判定依據(jù)三、晶間腐蝕試驗(yàn)方法核電設(shè)計(jì)中常用的奧氏體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)敏化處理?xiàng)l件適用范圍RCC-M MC 1310加熱至650，加熱時間不超過5min，保溫

11、10min后，立刻水冷低碳(C0.06)18-10鋼加熱至675，加熱時間不超過5min，保溫10min后，立刻水冷含Mo低碳(C0.06)18-10鋼加熱至700，加熱時間不超過5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷超低碳(C0.03)18-10鋼；含穩(wěn)定化元素(Ti,Nb)的18-10鋼加熱至725，加熱時間不超過5min，保溫30min后，緩慢隨爐冷卻(60/h)至后，空冷含Mo超低碳(C0.03)18-10鋼；含穩(wěn)定化元素(Ti,Nb)以及Mo的18-10鋼GB/T 4334 E2h，空冷超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)，壓力加工試件1h，空冷

12、超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)，鑄件協(xié)議中另行規(guī)定焊后還要進(jìn)行以上熱加工的焊接件ASTM A262 E法敏化溫度；通常采用的敏化處理?xiàng)l件為：6751h超低碳(C0.03)鋼或穩(wěn)定化鋼(添加Ti或Nb)四、晶間腐蝕要求西屋設(shè)計(jì)中對晶間腐蝕的要求1 在后續(xù)的制造過程中，除了局部的焊接操作，材料不允許加熱超過427。焊接時，應(yīng)控制熱輸入以防止發(fā)生敏化。2 如在制造期間，不銹鋼不慎暴露于敏化溫度范圍，應(yīng)根據(jù)ASTM A262進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對晶間腐蝕不敏感。如果不能證實(shí)這種材料對晶間腐蝕不敏感，材料應(yīng)重新固溶處理或拒收。但以下情況不要求進(jìn)行試驗(yàn)： 1）鐵素體含量不低于5%

13、（對焊縫金屬，為5FN）的鑄造金屬或焊縫金屬； 2）碳含量小于等于0.03%的材料。3 反應(yīng)堆冷卻劑管道在經(jīng)歷彎曲或其它可能產(chǎn)生過量殘余應(yīng)力的制造工序后，應(yīng)盡可能的進(jìn)行消應(yīng)力處理。消應(yīng)力處理的溫度不應(yīng)導(dǎo)致材料敏化或產(chǎn)生其它有害的冶金反應(yīng)。6.4在制造過程中，應(yīng)編制所有熱處理活動的熱處理規(guī)程。熱處理規(guī)程應(yīng)明確熱電偶的測量位置。熱處理應(yīng)按ASME規(guī)范的要求進(jìn)行，并滿足有關(guān)材料技術(shù)條件的要求。熱處理報(bào)告應(yīng)至少包括整個熱處理周期中的升溫速率、保溫溫度和時間、降溫速率及進(jìn)爐和出爐的溫度等。要求同RG1.44-2011四、晶間腐蝕要求不銹鋼材料的焊接應(yīng)符合RG 1.44“敏化不銹鋼使用的控制”。當(dāng)母材是非

14、低碳、非穩(wěn)定的不銹鋼，對于每種焊接方法，在焊接工藝評定時，供應(yīng)商必需采用產(chǎn)品使用的最大熱輸入和最高碳含量的焊接材料，以證明符合RG 1.44的要求。具體要求如下：1）工藝評定焊件應(yīng)由兩塊最小厚度為13mm的SA240或SA182 304型材料拼接而成。最小焊縫長度為152mm。產(chǎn)品中待焊材料的最大含碳量不允許超過評定試件材料的碳含量。例如，如果碳含量為0.068%的304試件的評定通過，則允許所有碳含量比該值低的不銹鋼材料進(jìn)行產(chǎn)品焊接，如果碳含量超過該值，則要求重新評定。2）在工藝評定報(bào)告(PQR)上要求記錄焊接電流、焊接電壓和焊接速度，以及ASME第IX卷要求的補(bǔ)充信息。試驗(yàn)中的熱輸入應(yīng)采用

15、產(chǎn)品焊接時允許使用的最大熱輸入。3）工藝評定試件的焊接接頭應(yīng)根據(jù)ASTM A262 “E”法的要求進(jìn)行試驗(yàn)。試樣應(yīng)為取自焊縫中心的橫向試樣，并且焊縫每一側(cè)應(yīng)至少包含13mm的母材。4）應(yīng)對在生產(chǎn)中使用的每種焊接方法（SMAW、GTAW和SAW等）進(jìn)行上述試驗(yàn)。西屋AP1000設(shè)計(jì)中對晶間腐蝕的要求四、晶間腐蝕要求RG1.44對于工藝評定的要求四、晶間腐蝕要求如果碳含量0.035%和鉻含量18%則不要求晶間腐蝕試驗(yàn)。RCCM中對晶間腐蝕的要求四、問題探討結(jié)果判定的可操作性是否敏化的問題取樣位置彎曲直徑的問題四、問題探討結(jié)果判定的可操作性標(biāo)準(zhǔn)評定方法合格標(biāo)準(zhǔn)RCC-M MC 1310敲擊聲測試：將

16、試樣與金屬表面敲擊，并與未經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行比較與鋼表面敲擊，有清脆的金屬敲擊聲彎曲試驗(yàn)，壓頭直徑不超過試件厚度的2倍；對于對接接頭，沿焊縫中心線進(jìn)行彎曲，使焊縫的表面為凸面；并與未經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn)的試樣進(jìn)行比較彎曲90，無裂紋；若開裂，開裂邊緣沒有晶間腐蝕跡象。微觀金相試驗(yàn)作為上述兩試驗(yàn)的補(bǔ)充，在上述兩試驗(yàn)存在爭議時，提供判定依據(jù)GB/T 4334E彎曲試驗(yàn)，當(dāng)試樣厚度不大于1mm時，壓頭直徑為；當(dāng)試樣厚度大于時，壓頭直徑為；焊管舟型試樣沿垂直焊接方向進(jìn)行彎曲，焊接接頭沿熔合線進(jìn)行彎曲 (1)晶間腐蝕試驗(yàn)后用直徑5mm的壓頭進(jìn)行彎曲評定,彎曲后用10倍放大鏡觀察彎曲試樣外表面,判斷有無因

17、晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋(其中從試樣的彎曲部位棱角產(chǎn)生的裂紋,以及不伴有裂紋的滑移線、皺紋和表面粗糙等都不能認(rèn)為是晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。); (2)不能進(jìn)行彎曲評定或彎曲裂紋產(chǎn)生的原因難以判定時,則采用金相法,金相磨片應(yīng)取自試樣的非彎曲部位(焊接接頭和焊管除外),經(jīng)浸蝕后(不得過腐蝕),在顯微鏡下觀察(150500倍),允許的晶間腐蝕深度由供需雙方協(xié)商確定; (3)如果懷疑裂紋是由于延展性差而產(chǎn)生的,可以通過彎曲一個未經(jīng)晶間腐蝕的試樣進(jìn)行比較。ASTM A262 E法彎曲試驗(yàn)，等于試樣厚度如果雙方達(dá)成一致，彎曲半徑不小于ASME第IX卷的要求，且當(dāng)試樣厚度4.76時，彎曲半徑為試樣厚度的兩倍彎曲18

18、0，彎曲試樣在5-20倍下，觀測到外表面有裂紋，則存在晶間腐蝕；若存在疑問，則放大100-250倍由金相法輔助提供判定依據(jù)。四、問題探討結(jié)果判定的可操作性1.對比試樣的設(shè)置RCCM SI600中明確了設(shè)置一個對比樣，并且在MC1300的結(jié)果評判中也要求與對比樣進(jìn)行對比GB/T 4334 E中規(guī)定：如果懷疑裂紋是由于延展性差而產(chǎn)生的,可以通過彎曲一個未經(jīng)晶間腐蝕的試樣進(jìn)行比較。四、問題探討結(jié)果判定的操作性ASTM A262 E法未明確提到對比試樣，在彎曲試樣時針對“低延展性”材料，例如冷作材料時，提到了空白試樣，確定彎曲的最大角度。但是如何判斷低延展性材料？主管道316LN材料是否為低延展性材料？四、問題探討結(jié)果判定的可操作性2.金相法的操作性三種試樣方法都提到了在彎曲試驗(yàn)有爭議時采用金相法進(jìn)行判定，但是， 標(biāo)準(zhǔn)對于金相法如何操作和結(jié)果評定均未說明。只能針對金相組織按晶間腐蝕定義和晶間腐蝕機(jī)理進(jìn)行評定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的金相法所用放大倍數(shù)（GB/T4335 規(guī)定100500倍，ASTM A262E法規(guī)定100-250倍）太低,不易觀察且無法對成分進(jìn)行標(biāo)定。探討：不只限于100500倍的光學(xué)顯微鏡下觀察,根據(jù)需要,可在掃描電鏡下、甚至是在透射電鏡下進(jìn)行觀察分析;在高倍顯微鏡下準(zhǔn)確判斷出晶間腐蝕所致裂紋和非晶間腐蝕所致裂紋的特征