分析22Cr雙相不銹鋼的氫致應(yīng)力開裂敏感性

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對雙相不銹鋼微觀組織結(jié)構(gòu)與氫脆敏感性的關(guān)系開展了較多研究。奧氏體和鐵素體相比例、晶粒度均會影響22Cr雙相不銹鋼的氫擴(kuò)散和氫富集行為，氫容易在奧氏體和鐵素體相界面積累，甚至可能形成氫鼓泡口；應(yīng)力能夠加速氫的擴(kuò)散和富集寫，變形過程中雙相不銹鋼的氫致馬氏體轉(zhuǎn)變也會影響材料的氫致開裂敏感性。但關(guān)于雙相不銹鋼在陰極保護(hù)和應(yīng)力協(xié)同影響下的氫脆行為，目前研究相對較少，特別是對于二者協(xié)同影響下的臨界門檻，還未形成統(tǒng)一認(rèn)識。研究認(rèn)為，海洋用鋼施加的陰保電位為- 700~一850mV時，氫致斷裂敏感性最低。但在實(shí)際應(yīng)用中，為了整體控制水下結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕,雙相不銹鋼的陰保電位往往較負(fù)，需要根據(jù)實(shí)際服役過程中的陰保電位和載荷進(jìn)行氫脆風(fēng)險(xiǎn)評估，以保證其服役安全。

因此，本工作通過給定電位下的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，氫含量測試等研究了22Cr 雙相不銹鋼氫致開裂與陰保電位、應(yīng)力和氫含量的關(guān)系，以期為該材料的服役安全評估提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為雙相不銹鋼UNS S31803(國內(nèi)牌號00Cr22Ni5Mo3N,以下簡稱22Cr)，其化學(xué)成分見表1。22Cr雙相不銹鋼基體組織由奧氏體和鐵索體組成，如圖1所示。淺色相為奧氏體相(γ相),深色相為鐵素體相(a相)。可以通過顯微組織中襯度差異判斷奧氏體和鐵素體的相比例。試驗(yàn)用22Cr雙相不銹鋼含43. 3%(體積分?jǐn)?shù),下同)奧氏體和56.7%鐵素體。

采用線切劌技術(shù)將試驗(yàn)材料加工成10 mmX10 mmX3 mm的試樣(用于電化學(xué)試驗(yàn)),試樣工作面平行于不銹鋼板軋制方向。采用電化學(xué)方法測試試樣的動電位極化曲線,測試儀器為CHI660D電化學(xué)工作站。首先測量試樣的開路電位(OCP),待開路電位的波動小于士0.005 V時,進(jìn)行動電位極.化曲線測量。極化曲線測試范圍為0.03~-1.22 V(相對于SCE,下同),掃描速率為0.000 5 V/s,測.試溫度為(3士1) C和(20士1) C。試驗(yàn)環(huán)境為模擬海水溶液,成分參考南海海域冬季海水[1],離子含量見表2。

使用CORTEST慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)。試樣為棒狀，尺寸如圖2所示。為保證試樣絕緣性良好,試驗(yàn)前將標(biāo)距段以外的部分用704硅膠密封,保證僅有標(biāo)距部分暴露于溶液中,同時為了減小誤差,需使用游標(biāo)卡尺測量標(biāo)距段的長度和直徑并記錄。

在SSRT的自制電解池中,采用三電極系統(tǒng),試樣為工作電極(WE),鉑電極為輔助電極(CE),SCE為參比電極(RE);設(shè)有氣體引人和排出的管口及連接溫度測量和控制的接口，然后用CHI660D電化學(xué)工作站施加陰保電位。試驗(yàn)選用恒定的應(yīng)變速率4X10-*/s.溫度為(20土1) C,分別在空氣和模擬海水溶液中進(jìn)行測試,同時,模擬海水溶液中的試樣分別處于自腐蝕電位(開路電位E。)條件和施加不同陰保電位(-1 050 mV和一1 150 mV)條件。

為了進(jìn)一步研究應(yīng)力載荷與陰保電位的耦合作用對22Cr雙相不銹鋼氫脆敏感性的影響,采用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行22Cr雙相不銹鋼的氫致應(yīng)力開裂試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14452-1993《金屬彎曲性能試驗(yàn)方法》和JB/T 7716- 1995《焊接接頭四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法》,試樣加工(沿軋制方向)尺寸為90 mmX8mmX6mm。采用PS-1恒電位儀對加載試樣施加恒電位,電化學(xué)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，試驗(yàn)過程中需保證試樣與陽極的距離相等,施加電位(陰保電位)為-1150 mV。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15970. 2-2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第二部分彎梁試樣的制備和應(yīng)用》，加載應(yīng)力分別為70%σo.2.80% 0.2.85% 0n.2.90% 0.2、95% 0o.2、98%o.2,試驗(yàn)溶液為模擬海水溶液,試驗(yàn)時間為1440 h,溫度為(3土1)C。試驗(yàn)結(jié)束后，使用ZessisLEO1450掃描電子顯微鏡觀察試樣表面形貌。在一850mV和一1150mV陰保電位下對加載應(yīng)力為98%.z的多組四點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行不同時長的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后在最大應(yīng)力處取樣,尺寸為中3 mmX5mm,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T223.82-2007,使用惰氣脈沖紅外法測試殘余氫<被氫陷阱捕獲的無法自由擴(kuò)散的氫)含量。

2、結(jié)果與討論

2.1、雙相不銹鋼在模擬海水中的極化曲線：

試樣在未除氧環(huán)境中的自腐蝕電位為- 330 mV ,在除氧環(huán)境中的為一560 mV,兩者相差較大。在未除氧環(huán)境中,陰極極化曲線存在兩個明顯的拐點(diǎn),a點(diǎn)電位約為一450 mV,表明陰極反應(yīng)由氧活化控制向氧擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變,隨著陰極極化程度的增加，析氫反應(yīng)速率逐漸加快,b點(diǎn)之后陰極反應(yīng)逐漸變?yōu)闅淙O化控制。在除氧溶液中,試樣在陰極極化時僅發(fā)生析氫反應(yīng),不存在由吸氧反應(yīng)向析氫反應(yīng)過渡的階段,可以認(rèn)為兩條陰極極化曲線的交點(diǎn)為試樣在模擬海水溶液中發(fā)生顯著析氫反應(yīng)的電位?？梢钥闯?該電位位于術(shù)除氧曲線的第二個拐點(diǎn)附近，即兩種陰極反應(yīng)的過渡區(qū),約為-990mV。

2.2、雙相不銹鋼在不同陰保電位和應(yīng)力加載條件下的氫脆敏感性：

22Cr雙相不銹鋼在空氣中的屈服強(qiáng)度(σ2)為627.8MPa,該值作為四點(diǎn)彎曲法加載應(yīng)力的參考值。與在空氣中的試樣相比,在白腐蝕電位下試樣的斷后伸長率無明顯變化,施加陰保電位后試樣彈性階段無明顯變化，塑性階段斷后伸長率大幅降低,且電位越負(fù),斷后伸長率越小。由圖5可見:在空氣中和白腐蝕電位條件下,試樣斷口有明顯的韌窩,沒有明顯的脆性斷裂現(xiàn)象;隨著陰保電位的負(fù)移,斷口表面出現(xiàn)河流狀花樣,為準(zhǔn)解理的脆性斷裂特征。由圖6可見:在一1050 mV和一1 150 mV陰保電位下,試樣斷口側(cè)面觀察到二次裂紋,隨著電位負(fù)移,二次裂紋深度和長度增加。

2.3、氫含量對雙相不銹鋼氫致開裂敏感性的影響

在一850 mV陰保電位條件下，試樣中的氫含量始終處于較低水平(<5 mg/L)，尚未發(fā)生顯著析氫反應(yīng)。在一1 150 mV陰保電位下，試樣中的氫含量提高，顯示較高的氫脆敏感性。在浸泡384 h后,氫含量超過10.0 mg/L，浸泡576 h后，氫含量為10.6 mg/L，試樣表面尚未觀察到明顯裂紋。這一階段氫含量增加較為緩慢，說明大部分氫陷阱已經(jīng)被填滿，氫可能在某些位置富集,形成氫壓；浸泡720 h后,氫含量為12. 6 mg/L，試樣表面觀察到明顯裂紋，此時氫壓已經(jīng)超過原子鍵合力，引起開裂。因而，在該應(yīng)力加載條件下，當(dāng)氫含量為10.6 ~12.6 mg/L時,可能會誘發(fā)氫致裂紋。

3、結(jié)論

（1）深水水下設(shè)施常用22Cr雙相不銹鋼的氫脆敏感性隨陰保電位負(fù)移而增大，當(dāng)陰保電位負(fù)于-1050mV時，具有較高的氫脆敏感性。

（2）在3C模擬海水中，當(dāng)陰保電位為-1150 mV，拉應(yīng)力超過95% σu.2 時，22Cr雙相不銹鋼可能會出現(xiàn)氫致裂紋。

（3）在3 C模擬海水中，當(dāng)陰保電位為-1150 mV，載荷為98% on.:條件下，22Cr雙相不銹鋼誘發(fā)氫致裂紋的氫含量為10. 6~12.6 mg/L。