如何防止不銹鋼出現(xiàn)晶間腐蝕縫隙腐蝕點腐蝕和應力腐蝕疲勞

   不銹鋼耐腐蝕的原因在于其表面能形成一層薄而致密的保護膜，也稱為鈍化膜，在一般的腐蝕環(huán)境下能較好的保護不銹鋼不受氧化和腐蝕，提供今人滿意的耐蝕性能。但是如果鈍化膜由于外界機械因素、苛刻的化學侵蝕等原因遭到破壞，而且來不及再生或者再生能力不足，不銹鋼也會發(fā)生腐蝕，腐蝕的原因多數(shù)是因為選擇材料和使用維護不當造成的。按照腐蝕形態(tài)分類，不銹鋼的腐蝕可以分為全面腐蝕（也稱為均勻腐蝕或一般腐蝕）和局部腐蝕。局部腐蝕又包括應力腐蝕開裂（SCC）、點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞等。

  全面腐蝕是指裸露在腐蝕環(huán)境的金屬表面全部發(fā)生化學或電化學反應，均勻受到腐蝕。這種腐蝕可以測量其進行速度，也可以預測以后的腐蝕程度，是在眾多腐蝕種類之中，相對最不危險的腐蝕。當發(fā)生全面腐蝕時，材料由于腐蝕而逐漸變薄，直至腐蝕失效。全面腐蝕所引起的失效問題并不怎么令人擔心，因為，這種腐蝕通常可以通過簡單的浸泡試驗或查閱腐蝕方面的文獻資料而預測它。所以事先知道正確的使用環(huán)境、選擇適當?shù)牟馁|(zhì)和厚度，事先可以充分預防問題。局部腐蝕發(fā)生在某些局部范圍。局部腐蝕是不銹鋼腐蝕的主要形式，破壞性最為嚴重。

一、晶間腐蝕與防止

  晶粒間界是結(jié)晶學取向不同的晶粒間紊亂錯合的界域，它們是鋼中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和δ相）沉淀析出的有利區(qū)城。因此，在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間界較其他區(qū)域可能先行被腐蝕，這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕。大多數(shù)的金屬和合金在特定的腐蝕介質(zhì)中都可能呈現(xiàn)晶間腐蝕。

  不銹鋼晶間腐蝕的發(fā)生機理主要是晶界貧鉻理論。以奧氏體不繡鋼為例，通常在450~850℃，碳與Cr的親合力很強，在晶界形成主要為Cr23C6形態(tài)的碳化物，所以晶界附近發(fā)生鉻的貧化，貧鉻區(qū)鉻量不足導致鈍化能力降低，甚至消失，而晶粒本身仍具有足夠的耐蝕能力，因此，在腐蝕介質(zhì)作用下，連成網(wǎng)狀的晶界貧鉻區(qū)便優(yōu)先溶解而產(chǎn)生晶間腐蝕。

  奧氏體不銹鋼晶間腐蝕與鋼種含碳量、熱處理制度以及時間有關，常出現(xiàn)在焊接構(gòu)件的焊縫熱影響區(qū)或者構(gòu)件經(jīng)過450-850℃加熱的部位，在介質(zhì)作用下導致這些部位的泄漏或破損。

  鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕與奧氏體鋼不同，它一般出現(xiàn)在高于900~950℃加熱后(或焊接后)，甚至在水淬等急冷條件下也無法避免；而經(jīng)過750~850℃短時間加熱處理，鐵素體不銹綱的晶間腐蝕敏感性可減輕，甚至消除。

  產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼設備和部件具有以下特征，其尺寸、外形幾乎沒有變化且無任何塑性變形；除受腐蝕的區(qū)域外，其它部位沒有任何腐蝕的跡象，仍具有明顯的金屬光澤；局部取樣檢查，受腐蝕部位的強度、塑性已嚴重喪失，冷彎時不僅出現(xiàn)裂紋，嚴重時常常出現(xiàn)脆斷和晶粒脫落且落地無金屬聲。

 防止晶間腐蝕的方法：

 1. 防止奧氏體不銹鋼晶間腐蝕，要避免在450~850℃溫度區(qū)間長時間停留，以及優(yōu)先選擇低碳或含鈦、鈮等元素的不銹鋼，如304L、316L、321等鋼種，可以有效減少和避免晶間腐蝕。

 2. 防止鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕，主要是選用含有鈦，鈮等穩(wěn)定化元素的鐵素體不銹鋼。即使采用高純(C+N≤150ppm)鐵素體不銹鋼，只要用于焊接或使用前經(jīng)900℃的加熱條件下，也必須加入穩(wěn)定化元素鈦或鈮，或鈦、鈮復合加入。因為，高純鐵素體不銹鋼中含C+N≤150ppm也無法完全避免晶間腐蝕的產(chǎn)生。

二、點腐蝕與防止

 點蝕一般發(fā)生在特定腐蝕介質(zhì)中，特別是在含有氯離子的介質(zhì)中產(chǎn)生。使不銹鋼產(chǎn)生點蝕的常見介質(zhì)有大氣、水及水蒸汽、海水、漂白液、各種有機和無機氯化物等。點蝕是一種很危險的局部腐蝕，發(fā)生小孔然后急劇進行腐蝕，嚴重時會貫穿鋼板。點蝕可在室溫下出現(xiàn)并隨腐蝕介質(zhì)溫度升高而更易產(chǎn)生并更趨嚴重。

 點蝕發(fā)生的機理：由于鋼中存在缺陷、雜質(zhì)和溶質(zhì)等的不均一性，當介質(zhì)中含有某些活性陰離子（如氯離子）時，這些陰離子首先被吸附在金屬表面某些點上，從而使不銹鋼表面鈍化膜發(fā)生破壞。一旦這層鈍化膜破壞又缺乏自鈍化的能力時，不銹鋼表面就發(fā)生腐蝕。這是因為在金屬表面缺陷處易顯露基體金屬，使其呈活化態(tài)，而鈍化膜處為鈍態(tài)。這樣就形成活性-鈍性腐蝕電池，由于陽極面積比陰極面積小得多，陽極電流密度很大，所以腐蝕往深處發(fā)展，金屬表面很快就被腐蝕成小孔。

防止點腐蝕的措施：

  1. 選擇鈍化和再鈍化能力強的材料：由于鉻，鉬，氮等元素對提高不銹鋼的耐點蝕性非常有效，為了提高不銹鋼的鈍化和再鈍化能力，就要選用高鉻，鉬含量的奧氏體、奧氏體+鐵素體雙相鋼和鐵素體不銹鋼；選用高鉻，鉬且含氮的奧氏體和奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼。

  2. 提高不銹鋼的純度并降低鋼的不均勻性。提高不銹鋼的純度可通過爐外精煉等手段，降低鋼中氣體和非金屬夾雜物的含量；降低不銹鋼的不均勻性要防止M23C6等碳化物和σ、χ等金屬間相的析出，因為他們周圍鉻、鉬等耐點蝕元素的貧化容易使它們成為點蝕的敏感位置。

三、應力腐蝕開裂（SCC）與防止

  不銹鋼的應力腐蝕是在靜拉伸應力與特定的工作介質(zhì)共同作用下而發(fā)生的一種破壞。它是不銹鋼局部腐蝕破壞中最常見、危害最大的一種腐蝕形式。

  應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但它也可能發(fā)生于韌性高的材料中。裂紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。在微觀上，穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋，而沿晶界擴圖的裂紋稱為沿晶裂紋，當應力腐蝕開裂擴展至某一深度時，材料將按正常的裂紋（在韌性材料中，通常是通過顯微缺陷的聚合）而斷開。因此，由于應力腐蝕開裂而失效的零件的斷面，將包含有應力腐蝕開裂的特征區(qū)域以及與顯微缺陷的聚合相聯(lián)系的“韌窩”區(qū)域。

  SCC的發(fā)生需要滿足三個條件：

  1.  敏感的材料：SCC主要發(fā)生在奧氏體不銹鋼中。奧氏體不銹鋼在包括氯化物水溶液的高溫環(huán)境下，容易開裂；在冷卻水、水蒸汽中的氯離子大約在50ppm以上，使用溫度大約在50℃以上的情況下容易發(fā)生；

  2. 特定的介質(zhì)：導致各類不銹鋼應力腐蝕的最常見介質(zhì)是含有氯離子的自來水、工業(yè)水和海水等?；钚月入x子半徑很小且穿透力極強，很容易在貧鉻區(qū)和應力集中處吸附并形成裂紋源，產(chǎn)生微裂紋。

  3. 靜拉伸應力：冷加工引起的殘留應力、焊接和反復加熱冷卻引起的熱應力等。馬氏體系、鐵素體系不銹鋼根據(jù)不同的條件會引起應力腐蝕開裂，但在含有氯離子的水溶液中抵抗SCC的能力遠高于奧氏體系不銹鋼，而且在負荷應力不大的情況下不會引起開裂。

  應力腐蝕開裂的防止措施：

  1. 冷加工或焊接后進行熱處理，消除或減少殘余應力；

  2. 選擇鉬含量高的不銹鋼如316L，或者含鉬且為高純鐵素體不銹鋼的444，或者抗SCC優(yōu)良的雙相不銹鋼；

  3. 注意使用環(huán)境，盡量避免過多的氯離子存在，避免長期靜水環(huán)境中使用（氯離子容易積聚）。

 四、縫隙腐蝕與防止

  在電解液中，金屬與金屬或金屬與非金屬表面之間構(gòu)成狹窄的縫隙，縫隙內(nèi)有關物質(zhì)的移動受到了阻滯，形成濃度差電池從而產(chǎn)生局部腐蝕，這種腐蝕被稱為縫隙腐蝕。這種腐蝕常發(fā)生在不銹鋼設備中法蘭的連接處，墊圈、襯板、纏繞與金屬重疊處。

  研究表明，幾乎所有的腐蝕介質(zhì)均可引起不銹鋼的縫隙腐蝕，而沒有特定介質(zhì)的選擇，但是在含氯離子環(huán)境中的縫隙腐蝕則最為常見?？p隙腐蝕對縫隙尺寸有一定的要求，既要使縫隙內(nèi)外溶液之間的物質(zhì)遷移發(fā)生困難，還要能允許溶液進入縫隙內(nèi)。不銹鋼產(chǎn)生縫隙腐蝕的縫隙寬度一般在0.025~0.1mm范圍內(nèi)。

   材料選擇：

  1. 鋼種的選擇：

   不銹鋼的縫隙腐蝕主要是因為縫隙內(nèi)的溶液酸化、缺氧而引起表面鈍化膜破壞。因而，提高不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性和鈍化、再鈍化能力同樣是提高不銹鋼耐縫隙腐蝕能力的重要措施。因此，選用耐點蝕材料的一些措施同樣適用于耐縫隙腐蝕材料的選擇。

  2. 結(jié)構(gòu)上的改良：

   減少機械儀器上的縫隙。例如盡可能的避開使用對接接手，選擇插入式接手，并將高出的部分磨光滑。另外襯墊部位和襯墊避免使用吸濕性材料，同時盡可能的避免與腐蝕液直接接觸。

六、腐蝕疲勞與防止

  在介質(zhì)與交變應力共同作用下所引起的不銹鋼的破壞稱為腐蝕疲勞。由于不銹鋼多在腐蝕環(huán)境中使用，因此在交變應力作用下產(chǎn)生的不銹鋼破壞多為腐蝕疲勞，例如在高溫腐蝕性環(huán)境下使用的泵容易發(fā)生腐蝕疲勞。

  與一般機械疲勞相比，不銹鋼的腐蝕疲勞表面上常見明顯的腐蝕和點蝕。腐蝕疲勞既可以是僅有一條裂紋，也可以有多條裂紋并存，這與不銹鋼的腐蝕疲勞既可以在一點又可以在多處生核并擴展有關。腐蝕疲勞裂紋微觀上一般沒有分支且裂紋尖端較鈍。

  腐蝕疲勞與應力腐蝕開裂不同的是，不銹鋼在任何腐蝕介質(zhì)中均可產(chǎn)生腐蝕疲勞，而沒有介質(zhì)的選擇?？梢愿鶕?jù)斷口特征把應力腐蝕和腐蝕疲勞區(qū)分開來。

  防止腐蝕疲勞的選材：

  1. 由于不銹鋼的腐蝕疲勞多以點蝕為起源，因此，為了防止腐蝕疲勞可選擇耐點蝕性好的各種不銹鋼。例如含鉻、鉬較高的不銹鋼。

  2. 選擇具有α+γ復相結(jié)構(gòu)的雙相不銹鋼。由于一些雙相不銹鋼不僅鉻、鉬較高，且多含有氮，因此耐點蝕性能好。同時，由于其組織具有復相結(jié)構(gòu)、不僅顯著提高鋼的腐蝕疲勞強度，而且疲勞裂紋的擴展也較單相組織結(jié)構(gòu)困難。所以，選用雙相不銹鋼是解決不銹鋼腐蝕疲勞破壞的重要途徑。