雙相不銹鋼的耐應力腐蝕性能及機理

1.1、耐應力腐蝕性能

關于雙相不銹鋼的耐應力腐蝕性能，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力腐蝕性能的影響。研究結果綜合表明，雙相不銹鋼不僅具有優(yōu)良的耐應力腐蝕性能，而且還具有良好耐一般腐蝕性能，以及高強度、高韌性、低膨脹系數和良好的導熱性能等。

（1）在高濃氯化物溶液中

高濃氯化物常以MgCl2、NaCl溶液作為加速試驗介質。在MgCl2溶液實驗中，雙相鋼在高應力下的破斷時間是很短的;但是在低應力下，破斷時間大大延長，也就是說，雙相不銹鋼具有較高的臨界應力。在NaCl點滴應力腐蝕實驗中，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力。

另外，在25%NaCl溶液中試驗時發(fā)現即使在U形試樣這樣高應力水平下，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小時試驗期間內均未出現應力腐蝕，而18—8不銹鋼在不足20小時試驗期間內就產生了斷裂，這就表明，如果在酸性MgCl2溶液、恒載荷試驗條件下雙相不銹鋼的優(yōu)良的耐應力腐蝕性能表現的還不十分明顯的話，那么在中性NaCl溶液中的恒應變試驗條件下，雙相不銹鋼優(yōu)良的耐應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、飽和氧條件下所進行的試驗表明，18—5—Nb 和25—5 雙相不銹鋼與18—8單相不銹鋼相比，具有高得多的耐應力腐蝕性能。Spahm 的試驗結果指出，在200℃、100 ppm CLˉ、5—9 ppm O2條件下長期試驗后雙相不銹鋼也沒有發(fā)生應力腐蝕。同樣，在295℃、5 ppm CLˉ、PH=5的高溫水中，雙相不銹鋼也具有優(yōu)良的耐應力腐蝕性能。

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

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

1.2、雙相不銹鋼的應力腐蝕機理

雙相不銹鋼在氯化物、高溫水、連多硫酸等介質中具有較高的耐應力腐蝕性能，其應力腐蝕破裂行為與鋼種成分、熱處理狀態(tài)、介質條件等許多因素有關。應力腐蝕裂紋形態(tài)千差萬別，有的應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，反而受到阻礙;還有的應力腐蝕裂紋，既可穿過鐵素體相，又可穿過奧氏體相;而另一些有時又僅沿晶界擴展。這樣，對于這些應力腐蝕裂紋傳播特征所進行的機理解釋自然也有所不同。迄今為止，對雙相不銹鋼耐應力腐蝕的原因還沒有一個統(tǒng)一的認識。在分析研究了國內外一些研究工作后，對α+γ雙相 不銹鋼具有優(yōu)良的耐氯化物應力腐蝕的原因簡單地歸結為：

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

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

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

4、當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量的鐵素體時，在介質作用下，鐵素體對奧氏體起到電化學防護作用。在實際事故中觀察到的α相優(yōu)先溶解就是例證。另外有些學者在研究了25Cr—Ni雙相不銹鋼在MgCl2溶液中的應力腐蝕行為，發(fā)現裂紋只在鐵素體相中擴展，因此，他們認為雙相不銹鋼之所以具有較高的耐應力腐蝕性能可以用以下4種機理模型加以解釋：

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

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

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

（4）當裂紋擴展到γ相時，裂紋尖端產生的應力場使γ相中的位錯排列發(fā)生變化，或者使其生成應變馬氏體，從而使γ相的應力腐蝕腐蝕敏感性降低。

在進一步分析研究的基礎上認為，電化學保護在提高雙相不銹鋼耐應力腐蝕性能方面的作用是較小的，而其余三點是主要的。也即是說，雙相不銹鋼的較高的耐應力腐蝕性能歸因于兩相混合組織所產生的機械效應。

當然，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相有機械阻礙作用的情況下。而對于裂紋在γ相中傳播，α相有機械作用的情況就不適合。因此，機理的解釋還有待進一步的完善。