塑性变形对奥氏体不锈钢焊接接头点腐蚀的影响

王慧娟

摘 要：奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，但是在氯离子环境中的点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀一直未得到彻底解决，尤其是成形加工后的焊接接头。本文对304和316L焊接接头在不同塑性变形后的点腐蚀电位进行了实验性研究，从而得出结论：奥氏体不锈钢焊接接头点腐蚀电位顺序为热影响区<焊缝<母材，即热影响区是最薄弱位置。在9%塑性变形范围内，随着变形的增加，点腐蚀电位逐渐降低。

关键词：奥氏体不锈钢;焊接接头;塑性变形;形变马氏体;点腐蚀电位

一、问题的提出

奥氏体不锈钢具有良好的塑性，因此常冷成型加工成杯状、盘状等餐具以及压力容器封头、膨胀节、波形补偿器等，并且随着变形的增大，塑性强度逐渐提高，利用其塑韧性好、耐低温、变形强化的特性，可以制造应变强化低温液体压力容器内胆[1]。但是随着塑性变形的增大，奥氏体会产生形变马氏体[2]，从而其机械性能、耐腐蚀性发生变化[3]，并由此引发了多起压力容器冷成型封头开裂损伤[4][5]。奥氏体不锈钢在氯离子环境中的应力腐蚀和晶间腐蚀研究已经比较丰富，并且曾有部分学者做过马氏体相变对304不锈钢点蚀影响的研究[6]，但是尚未发现与焊接接头有关马氏体相变对点蚀影响的研究。

二、实验试件制备

使用6mm厚的304和316L材料采用氩弧焊打底、焊条焊盖面的方法焊接试件，焊接时通过预变形手段，控制焊后试板的平直。焊后采用线切割并机加工成符合《金属材料拉伸试验》（GB/T 228）宽度为20mm的标准矩形拉伸试样，然后在拉伸机上常温拉伸，采用引伸计标记段内的平均应变控制拉伸终点，制作出塑性应变后的拉伸试件。用线切割、机加工和研磨加工出符合《不锈钢点蚀电位测量方法》（GB/T 17899）的实验试样，每种应变率加工出母材、热影响区和焊缝各3个平行试样，其中热影响区制作成5mm×20mm尺寸，母材和焊缝制作成10mm×10mm尺寸，按照标准要求制作引线、绝缘，并钝化、去钝化。

考虑到低温液体压力容器内胆应变强化标准规定的最大平均应变要求控制在9%或10%以内[1][8]，塑性应变率选择0、3%、6%、9%。

三、实验方法

按照《不锈钢点蚀电位测量方法》（GB/T 17899）进行实验，实验采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂，采用3.5%氯化钠溶液，实验温度为30℃±1℃，验开始前向溶液中通入N2进行预除氧，时间为30分钟，实验过程中保持通气速度约0.25L/min。以阳极极化曲线上对应于100μA/cm2的电位作为点蚀电位。

四、实验结果

取3个平行试样的算术平均值，304材料随塑性变形的点蚀点位测试结果如表1所示，316L材料随塑性变形的点蚀点位测试结果如表2所示。

五、结果分析

对照表1和表2的数据，两种材料点蚀电位随变形量的变化趋势。

从以上数据对比和变化趋势可以看出：

（1）焊接接头点腐蚀电位由高到低的顺序为：母材、焊缝、热影响区，说明热影响区的点腐蚀敏感性最高。

（2）母材、焊缝和热影响区点蚀电位均随着变形量增加而降低，其中热影响区的降低幅度最大，316L点蚀电位降低的幅度低于304。

（3）304的点腐蚀电位低于316L电位。

奥氏体不锈钢在常温下处于亚稳态，随着变形量在一定范围内的增加，形变诱导马氏体相的含量逐渐增多，马氏体相的存在增强了材料的电化学活性，既减小了点蚀发展过程中钝化膜孔隙内的欧姆电阻，又减小了孔隙内的反应极化电阻，从而促进了点蚀发展，点蚀优先在马氏体/奥氏体的相界上形核，钼、镍、氮、碳等是降低形变马氏体的元素[3][7]，这是316L点腐蚀电位高于304的重要因素。

六、结论

鉴于变形会降低奥氏体不锈钢抗点腐蚀性能，因此对制造过程中产生较大变形的部位，如冷成型封头直边段和过渡段、应变强化容器的中间筒节和接管部位，尤其是其焊缝热影响区部位，应加强酸洗钝化，并进行抛光，以减少点腐蚀源。对腐蚀敏感环境应采用316L或其他抗环境损伤性能更好的材料。

参考文献

[1]丁宝峰，吴荫顺，Abubakir等. AISI304奥氏体不锈钢的形变诱发马氏体相变及其电化学行为的研究——腐蚀科学与防腐蚀工程技术新进展[M].北京：化学工业出版社，1999，193–197.

[2]方智，吴荫顺，张琳等.形变诱发马氏体相变对304不锈钢在活化状态下电化学行为的影响[J].腐蚀科学与防护技术，1997，9（l）：75–78.

[3]胡钢，许淳淳，张新生.马氏体相变对304不锈钢点蚀发展过程的影响[J].腐蚀与防护，2004，12：507–509，512.

[4]杨卓越，王建，陈嘉砚. 304 奥氏体不锈钢热诱发马氏体相变研究[J].材料热处理学报，2008，1，98–101.

[5]翟金辉，鲍彬彬等.压力容器用304 不锈钢封头直边段开裂失效分析[J].压力容器，2011，12：54–58.

[6]中國国家标准化管理委员会. GB/T18442.7–2017固定式真空绝热深冷压力容器（第7部分）——内容器应变强化技术规定[S].中国标准化出版社，2017（第一版）.

[7]朱晓东，艾志斌，李蓉蓉. 1Cr18Ni9Ti 不锈钢封头失效分析[J].压力容器，2004，6：38–41，31.

[8] The European standard， BS EN 13458–2–2002 Cryogenic vessels Static vacuum insulated vessels Part 2： Design， fabrication， inspection and testing， Annex C （informative） Pressure strengthening of vessels from austenitic stainless steels[S]， 2002.