一起奥氏体不锈钢封头开裂的分析

摘 要：奥氏体不锈钢在亚稳定状态，进行加工成型过程中会由奥氏体相向马氏体相转变，马氏体相的存在会促使材料电化学和耐腐蚀性的改变，容易产生腐蚀，由于腐蚀进而发展到应力腐蚀开裂。

关键词：奥氏体不锈钢；马氏体；应力腐蚀开裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.043

1 基本情况

在对我市某化工有限公司一台自动加压锅进行检验过程中，经渗透探伤发现该设备下封头处存在多处裂纹，该设备为无锡力马化工机械有限公司生产于2003年3月，期间一直未投入使用，2011年5月移装至我市某化工有限公司投入使用，该设备为304不锈钢材料厚10mm，使用压力0.25MPa，使用温度138℃，介质为8%硝化棉、水蒸汽、水。

经检测发现下椭圆封头过渡段发生多处开裂（见图1），现场用磁铁对该设备进行铁磁性检测，发现该设备下封头处具有极强的铁磁性，筒体和上封头侧无磁性。奥氏体不锈是一种无磁性的材料，经了解该设备封头冷旋压成型，未经固溶处理。GB/T25198-2010规定冷成型的奥氏体不锈钢制半球形封头、椭圆封头、碟形封头以及平底封头，成型后可不进行热处理。

2 分析

304不锈钢是一种常温下具有奥氏体组织的不锈钢，其钢中含Cr约18%、Ni 8%～10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。

冷旋压封头成形是利用两模具的挤压作用，在旋压轮和成形辊之间，毛坯产生局部的塑性变形。该变形以螺旋形方式从中心向边缘“流动”，使钢板产生连续弯曲变形。毛坯的外侧金属纵向纤维受拉而伸长，靠近成形辊一侧金属纵向纤维受压而缩短。随着向板坯中心的靠近，伸长和缩短的程度逐渐减小。在板坯上画上等间距的同心圆和径向线，在旋制过程中发现，靠近旋压辊一侧的毛坯外侧径向辐射线的网格被拉长了，而内侧网格变化不明显。

304不锈钢是一种耐蚀性很好的材料，但使用中经常发生开裂、孔蚀等严重的缺陷。经查阅相关资料发现许多研究者在这一方面进行了大量的研究工作，发现奥氏体不锈钢在亚稳定状态，进行加工成型过程中会由奥氏体相向马氏体相转变，如冷旋压封头等加工过程，会发生形变诱发马氏体相转变，焊接和其他热加工会造成晶界贫铬，促使马氏体相的生成，在氢介质中，会发生氢致马氏体相变。马氏体相的存在会促使材料电化学和耐腐蚀性的改变，容易产生腐蚀，由于腐蚀进而发展到应力腐蚀开裂。

马氏体转变属于低温转变，转变产物与马氏体。马氏体具有很高的硬度和强度，由于马氏体转变是在较低温度下进行的，此时，奥氏体不锈钢中的原子不能进行扩散。有研究表明在室温下（23℃），变形量小于10%，304不锈钢仅有少量有马氏体相变，当变形量在10%-40%时，马氏体相会由0.7%增加到6%以上。当变形量大于60%以上时，材料发生马氏体相变的同时，另一个微观变化就是错位的增加（见图2），当发生大量位错的纠缠时，由于材料的变形量越大，位错密度增大，首先位错增值在材料内产生很高的应力，使材料的自由能增大，促成的马氏体相变的形核，进而发生马氏体相的转变。由于面心立方的奥氏体是顺磁性材料，稳定化的奥氏体是无磁性的，当转变为体心立方马氏相时是铁磁性的，随着材料的微观组织发生的变化，奥氏体304不锈钢由无磁性材料变成了有磁性材料，由于马氏体的增加304不锈钢的磁性逐渐增强。另外由于位错的增加也相应的造成了材料的应力集中，应力的集中又进一步促进了马氏体的形成，应力集中程度越大，马氏体相变量越多，材料表面的磁场波幅值越高，利用磁铁可以方便快捷的检测出奥氏体304不锈钢材料的马氏体变化。

3 总结

面心立方的奥氏体是不带磁的，马氏体的出现使旋压封头机械性能迅速恶化，在多次应变的作用下，强度、硬度增加，塑性降低。这是多次应变使马氏体产生数量增多的缘故。由于马氏体与奥氏体组织共存，奥氏体是面心立方结构（fcc），一个晶胞含有4个原子，致密度比较大，而马氏体是体心立方结构（bcc），一个晶胞含有2个原子，致密度小，因而马氏体的比容比奥氏体大，所以奥氏体转变为马氏体是一个体积膨胀的过程。再由于奥氏体和马氏体延伸率不同，极易导致局部高应力区如加工应力、焊接残余应力等，高应力的区域形成显微裂纹，在设备载荷的作用下裂纹不断扩展导致设备最终的开裂、泄漏，对人身、设备和经济造成很大的损伤、损失。

作者简介：徐丹辉（1985-），男，河南淇县人，本科，助理工程师，研究方向：特种设备使用管理。endprint