不锈钢拦污栅栅条断裂失效的原因

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(1. 新冶高科技集团有限公司，北京 100081； 2. 钢铁研究总院 分析测试所，北京 100081)

奥氏体不锈钢因其优异的综合性能如耐全面腐蚀性能、焊接性能等而被广泛运用于各领域[1-2]。然而，奥氏体不锈钢在使用过程中容易因处理工艺不当而发生敏化现象[3]；在某些服役环境中，点蚀和缝隙腐蚀会造成严重安全隐患[4-6]，特别是存在静拉伸应力的条件下，铬镍奥氏体不锈钢的应力腐蚀往往是导致事故的重要原因[7]。

1 来样及检测方法说明

为拦截水草、漂木等漂浮物，水电站进水口处主要使用不锈钢拦污栅[8]，如图1(a)所示。拦污栅主要由边框、横隔板和栅条组成，根据进水口处的水文情况，栅条以一定间距平行排列，并与横隔板和边框连接固定。某水电站进水口拦污栅使用6 a后，检修发现有栅条发生断裂。

图1 拦污栅示意图Fig. 1 Schematic diagram of trash rack

为分析栅条断裂失效的原因，对失效栅条进行了宏观检查、化学成分分析和力学性能测试，此外通过扫描电子显微镜观察了栅条的断口，用能谱分析检测了断口表面的腐蚀产物，用金相显微镜分析了裂纹的剖面扩展形态和材料微观组织。

2 理化检验与分析

2.1 宏观检查

栅条试样的宏观形貌如图2所示。由图2(a)可见：裂纹起始于边缘，沿图中箭头向内扩展，在扩展交汇处形成台阶状断口，在整个扩展过程中没有形成宏观塑性变形，属于脆性断裂。由图2(b)可见：栅条边缘及附近表面存在许多横向小裂纹，栅条表面同时存在抓斗形成的纵向损伤沟痕，这表明栅条在服役过程中受到了应力作用。

(a) 断裂横截面

(b) 栅条表面 图2 断裂栅条的宏观形貌Fig. 2 Macrographs of fractured trash rack paling: (a) cross section; (b) surface

2.2 化学成分分析

从断裂栅条上取样进行化学成分分析并与GB/T 4237-2007《不锈钢热轧钢板和钢带》标准中1Cr18Ni9不锈钢的化学成分进行对比，结果见表1。由表1可知，断裂栅条中Cr、Ni含量偏低，Mn含量偏高，其化学成分不符合标准要求。增加1Cr18Ni9不锈钢中Mn含量并不能显著提高其耐蚀性，这主要是由于Mn元素在酸性环境中形成不溶化合物的能力有限[9]。而Cr元素是构成奥氏体不锈钢表面钝化膜的主要合金元素，Ni元素是稳定钝化膜的重要元素。当钢中Cr和Ni含量偏低时，钝化膜被破坏后不能及时修复，从而形成点蚀并成为裂纹萌生源[10-11]。

2.3 力学性能测试

从断裂栅条上纵向截取φ5 mm的拉伸试棒和10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样，分别进行室温拉伸试验和冲击试验，结果见表2。并与GB/T 4237-2007标准中固溶处理状态1Cr18Ni9不锈钢的拉伸力学性能要求进行比较。由表2可见:试样的拉伸力学性能均满足标准要求，试样的冲击吸收功较高，材料韧性较好。

表1 断裂拦污栅栅条的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of fractured trash rack paling (mass) %

表2 断裂拦污栅栅条的力学性能Tab. 2 Mechanical properties of fractured trash rack paling

2.4 微观形貌观察及能谱分析

从断裂栅条的断口(图2中圆圈所示位置)和表面截取试样，在扫描电镜(SEM)下观察断口微观形态，并采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对腐蚀产物进行成分分析，结果如图3所示。由断口的显微形貌可见：裂纹起始区虽然有腐蚀产物覆盖，但仍可观察到较清晰的沿晶断口和少量解理断口形态；裂纹扩展区域为沿晶断口和穿晶准解理断口；栅条表面存在许多网状沿晶裂纹以及腐蚀凹坑，且表面划痕较深。能谱分析结果表明：裂纹起始区的腐蚀产物以铁的氧化物为主，同时还存在S元素；栅条表面的腐蚀产物中含有O，S和Cl元素。由以上分析可见，含S2-,Cl-的腐蚀性介质作用是栅条发生腐蚀开裂的重要原因之一[12]。Cl-的尺寸极小，能够穿透膜层，与钝化膜下方的金属基体发生反应，生成可溶性金属氯化物，使金属基体活化，进而大大加快了蚀坑的电化学反应速率和裂纹扩展速率，而S2-能够促进腐蚀进程，对腐蚀失效行为起推动作用[13]。

2.5 剖面金相分析和硬度测试

在断裂栅条上沿垂直于表面裂纹的剖面制取金相试样，裂纹附近的金相组织形貌如图4所示。由图4可见：裂纹由外侧起始，向内侧弯曲扩展，扩展时产生细小分叉，如图4(a)所示；表面存在较多的沿晶腐蚀微裂纹，如图4(c)所示。这是由于腐蚀环境中存在的S2-和Cl-等腐蚀性离子破坏了钝化膜，使蚀坑前端出现应力集中，导致材料发生应力腐蚀；另外，蚀坑内溶液呈酸性，为析氢反应提供了条件，氢会引起滑移线塞积并形成滑移台阶，促进局部塑性变形，当局部塑性变形发展到临界状态时，缺口前端就出现微裂纹，随着微裂纹的扩展和贯穿，在材料表面产生沿晶裂纹[14-15]。基体材料为奥氏体晶粒组织，晶粒比较粗大，部分表面存在冷变形组织，如图4(b)所示，参照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》，评定该材料的晶粒度级别为3.0级。

(a) 断口裂纹起始区的SEM形貌，低倍 (b) 断口裂纹起始区的SEM形貌，高倍 (c) 断口裂纹起始区腐蚀产物的EDS谱

(d) 断口裂纹扩展区的SEM形貌 (e) 表面的SEM形貌 (f) 表面腐蚀产物的EDS谱 图3 断裂栅条断口和表面的SEM形貌及其腐蚀产物的EDS谱Fig. 3 SEM morphology of fracture and surface of fractured trash rack paling and EDS spectra of their corrosion products: (a,b) SEM morphology of crack source in fracture at low and high magnifications; (c) EDS spectrum of corrosion products on crack source in fracture; (d) SEM morphology of crack propagation in fracture; (e) SEM morphology of surface; (f) EDS spectrum of corrosion products on surface

(a) 纵向裂纹 (b) 基体 (c) 横向裂纹 图4 栅条断裂表面金相检测Fig. 4 Metallographic examination of fracture surface of trash rack paling: (a) longitudinal cracks; (b) substrate; (c) transverse cracks

在金相试样的不同位置测试其显微硬度，结果见表3。由表3可知：试样的表层硬度高于基体的；基体的硬度平均值为259 HV0.2，超出GB/T 4237-2007标准中规定值(210 HV0.2)。这主要是由于塑性变形在奥氏体不锈钢的加工成型过程中普遍存在，发生塑性变形后，材料的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，对应力腐蚀性能也会产生显著的影响[16]。

表3 显微硬度测试结果Tab. 3 The test results of micro-hardness HV0.2

3 结论

(1) 断裂栅条中Cr、Ni含量偏低，基体晶粒粗大以及表面没有形成钝化层，是材料耐蚀性降低的原因。

(2) 栅条在腐蚀性离子和应力的共同作用下发生应力腐蚀开裂。材料耐蚀性较低以及水中的S2-,Cl-等腐蚀性离子富集在材料表面，是导致栅条发生开裂的主要原因。

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