如何防止不銹鋼出現(xiàn)晶間腐蝕縫隙腐蝕點腐蝕和應(yīng)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(hù)膜，也稱為鈍化膜，在一般的腐蝕環(huán)境下能較好的保護(hù)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(xué)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(hù)不當(dāng)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(yīng)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(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，均勻受到腐蝕。這種腐蝕可以測量其進(jìn)行速度，也可以預(yù)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(dāng)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(dān)心，因為，這種腐蝕通?？梢酝ㄟ^簡單的浸泡試驗或查閱腐蝕方面的文獻(xiàn)資料而預(yù)測它。所以事先知道正確的使用環(huán)境、選擇適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)和厚度，事先可以充分預(yù)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(yán)重。

一、晶間腐蝕與防止

  晶粒間界是結(jié)晶學(xué)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(dǎo)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(guān)，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(dǎo)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(shè)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(yán)重喪失，冷彎時不僅出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時常常出現(xiàn)脆斷和晶粒脫落且落地?zé)o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(fù)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(jìn)行腐蝕，嚴(yán)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(yán)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(dāng)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(yīng)力腐蝕開裂（SCC）與防止

  不銹鋼的應(yīng)力腐蝕是在靜拉伸應(yīng)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(yīng)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(kuò)展大致與拉應(yīng)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(kuò)圖的裂紋稱為沿晶裂紋，當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂擴(kuò)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(yīng)力腐蝕開裂而失效的零件的斷面，將包含有應(yīng)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(dǎo)致各類不銹鋼應(yīng)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(yīng)力集中處吸附并形成裂紋源，產(chǎn)生微裂紋。

  3. 靜拉伸應(yīng)力：冷加工引起的殘留應(yīng)力、焊接和反復(fù)加熱冷卻引起的熱應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂，但在含有氯離子的水溶液中抵抗SCC的能力遠(yuǎn)高于奧氏體系不銹鋼，而且在負(fù)荷應(yīng)力不大的情況下不會引起開裂。

  應(yīng)力腐蝕開裂的防止措施：

  1. 冷加工或焊接后進(jìn)行熱處理，消除或減少殘余應(yīng)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(guān)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(shè)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。縫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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(kuò)展有關(guān)。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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(kuò)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。