以EBSD技术表征奥氏体不锈钢形变及焊接后抗有害元素迁移

2023-01-14王昊郑先伟赵利孙秀慧况敏

材料研究与应用 2022年6期

王昊,郑先伟,赵利,孙秀慧,况敏*

（1.广东省科学院新材料研究所/现代材料表面工程技术国家工程实验室/广东省现代表面工程技术重点实验室，广东广州 510650；2.广东联塑科技实业有限公司/广东省塑料成型加工技术企业重点实验室，广东佛山 528318）

不锈钢输水管在日、美、英、德等主要工业国家使用40余年已有，为目前世界各国在给水、排水、消防等领域中优选产品［1］。不锈钢在我国供水系统使用的金属管材中仅占1%，虽然我国出台了二次加压调蓄供水管道优先选用不锈钢管材的相关规定，但在实践中发现不锈钢中的金属元素向水的迁移量是不稳定的，时常超出《GB/T17219-1998生活饮用水设备及防护材料的安全性评价标准》要求。

广东联塑公司是全国最大输水管线生产企业，其计划生产304、316等奥氏体不锈钢管作为输水管线，为解决304、316不锈钢在作为输水管线使用时存在的金属有害元素迁移量超标问题，需梳理不锈钢管生产工艺流程，确定有害元素迁移的节点和主因。鉴于不锈钢管为该公司自己生产，由外购板材经机械卷管后氩弧焊焊接而成，故提出重点监测方向：（1）原材料是否符合《GB/T17219-1998生活饮用水设备及防护材料的安全性评价标准》要求，以及是否存在有害元素迁移；（2）在弯管过程中，管的主要形变部分的形变情况，以及是否存在因机械形变而导致的有害元素迁移；（3）氩弧焊直缝焊接后，经历高温热循环的焊接区域及热影响区的内表面状态对有害元素迁移的影响。

1 原料及方法

1.1 原料

实验研究对象为304（316L）奥氏体不锈钢板，在制管过程中经历数次机械冷变形卷曲，从平板直至形成圆形管，圆管成型完成后对对接部位施以氩弧焊焊接。

1.2 方法

1.2.1 有害元素迁移量的测定

依据《GB/T17219-1998生活饮用水设备及防护材料的安全性评价标准》，将不锈钢原材料、机械卷曲形变后、焊接后的试样浸泡在水中，采用ICP法分析浸泡水中有害元素的含量，以确定有害元素的迁移量。

1.2.2 组织结构分析

利用FEI NNS 450扫描电镜和EDAX HIKARI SERIES背散射电子衍射仪，分析材料原始、机械形变后、焊接后状态的试样内部相结构。

由于背散射电子衍射技术对被测试样要求较高，为了准确表征被测试样内部组织结构，被测试样需经传统金相技术磨样后再进行适当的电解抛光。为了评估所有样品的EBSD晶体学参数，使用TSL-OIM系统进行定向成像显微镜（OIM）扫描，该系统配备了在电压20 kV下工作的扫描电子显微镜（型号FEI NNS450）。对于取向成像，根据晶粒尺寸考虑用0.5 μm的步长。考虑到统计意义，从特定样本的各个区域进行了3—4次EBSD扫描，每次扫描选择的区域范围约为1000 μm×1000 μm或更高，随后在TSL OIM（7.2版）软件的帮助下分析提取的数据。超过2 °的取向差被认为是晶界，Brandon的标准被用于具体表征CSL晶界，在计算晶粒尺寸时将孪晶界视为晶界。

2 结果与讨论

2.1 不锈钢原材料的内部组织结构及有害元素迁移量分析

利用背散射电子衍射仪，测试不锈钢板材的纵向和横向的组织结构、晶粒尺寸分布、奥氏体、高温铁素体、马氏体等相的含量，以及材料形变程度等参数，其结果见图1和表1。

图1 不锈钢原材料的EBSD检测结果图Figure 1 Test result diagram of stainless steel raw material EBSD

金属的腐蚀的本质是金属本身与其周围介质发生化学或电化学反应而发生破坏的现象，此时金属基体元素脱离基体（逸出至环境中），这也是金属有害元素迁移的本质。不锈钢的耐腐蚀性是由不锈钢表面一层非常薄的保护膜提供的，称此膜为钝化膜。不锈钢表面钝化膜特点是在各种环境中受损时可自我修复，使其恢复抵御外界腐蚀的能力［4］。

从图1和表1可见：奥氏体不锈钢本身为低层错能金属材料，不锈钢管基体为带孪晶的固溶态奥氏体，结合织构参数可知此处的孪晶应为退火孪晶；当晶粒尺寸为25.44 μm、奥氏体相含量为99.1%时，高温铁素体含量为0.9%；当形变程度为6.691时，不锈钢本身未产生马氏体相。表明，奥氏体板的有害元素迁移均满足《GB/T17219-1998生活饮用水设备及防护材料的安全性评价标准》要求，同时也说明满足此条件的钝化膜是可以满足抵御外界腐蚀能力的。

表1 不锈钢原材料EBSD测试结果Table 1 EBSD test results table for stainless steel raw materials

按照《GB/T17219-1998生活饮用水设备及防护材料的安全性评价标准》测量不锈钢板金属元素含量，检测结果列于表2。由表2可知，不锈钢板的各金属元素含量符合要求。

表2 不锈钢板金属元素迁移分析结果表Table 2 Metal element migration analysis table for stainless steel plates

2.2 不锈钢板材弯管的内部组织

针对工厂提供的直径22 mm不锈钢管基体，采用EBSD法详细检测管材横截面各弯曲部分形变的情况，检测部位如图2所示。检测结果列于表3，以及见图3和图4。

图2 EBSD检测位置示意图Figure 2 EBSD detection position

由表3及图3—图4可知，不锈钢板材经曲卷变型后，高温铁素体含量未超出原材料的含量，织构最大值低于原材料，表明未产生形变马氏体相。

图3 不锈钢管焊缝对侧EBSD检测结果图Figure 3 Detection result of EBSD on opposite side of stainless steel pipe weld

图4 不锈钢管90°处EBSD检测结果图Figure 4 EBSD results at 90 ° degrees for stainless steel tubes

表3 不锈钢弯曲形变后EBSD测试结果表Table 3 EBSD results of stainless steel after bending

不锈钢板材在卷曲制管的冷加工过程中，奥氏体不锈钢塑性变形超过一定程度后将产生大量位错，位错增殖将使马氏体形核，使部分奥氏体组织转变为马氏体组织，即发生马氏体相变，此时单一的奥氏体相中会出现马氏体相。相变后不锈钢中奥氏体转变量与冷加工变形量呈正相关［2-3］。相变后，马氏体中的位错、空位等缺陷会作为不锈钢的点蚀源，使其发生点蚀的概率增加，应力腐蚀开裂的倾向性也明显增加［5-6］，有害元素的迁移概率也增大。

整个管径横截面上，反应其组织形变程度的织构值未超出原材料时状态，既没检测出马氏体相，晶粒度也没有超出原材料时大小。综合以上指标，说明不锈钢制管过程的曲卷变形量，内部组织结果未发生显著变化。奥氏体不锈钢本身为低层错能金属材料，其抗抗晶间腐蚀性能本身就优异，故可认为不锈钢板材在卷曲制管后抗有害元素能力与板材原始状态一致。不会发生有害元素迁移超标。