（材料加工工程专业论文）不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究.pdf

t h er e s e a r c ho fc o r r o s i o nr e s i s t a n tp r o p e r t i e so fs t a i n l e s ss t e e l 眙i d e dj o i n t b y z h a n ga nm i n g at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m t h eg r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gr u i c h e n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：影纱童佩 日期：山f 年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：黼、 刷噬辄拍钞心 6 0 h 。s 0 , 8 0 h 2 s 0 4 。在h c l 溶液中，其腐蚀严重的大小顺序为：1 0 h c l 3 h c l l h c l 。在n a 0 h 溶液中，由于各焊接接头的腐蚀非常轻微，且同时存在失 重与增重的情况，因此无法对其做简单的评价。对于这四种不锈钢焊接接头在不同腐蚀 介质中的腐蚀严重的大小顺序为：h c l f e c l 。 1 t ：s 0 , n a o h 。 通过在室温下对四种不锈钢焊接接头在不同浓度的h ：s 0 , 、h c l 、n a 0 h 和6 f e c l 。溶 液中进行浸泡腐蚀试验，计算其腐蚀速率和观察其腐蚀形貌并与其在相应腐蚀介质溶液 中的电化学腐蚀结果做对比，发现其浸泡腐蚀试验的结果与电化学腐蚀试验基本保持一 致。采用盐雾腐蚀和膏剂腐蚀对四种不锈钢焊接接头进行腐蚀试验，两种腐蚀方法的试 验结果与电化学腐蚀试验结果基本保持一致。 关键词：不锈钢焊接接头；成分梯度；组织梯度；电化学腐蚀行为；晶问腐蚀；盐雾腐 蚀；膏齐i 麝百a 不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 a b s t r a c t t h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o na n di n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o no ft h r e ez o n e so fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e l3 0 4a n df e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l4 0 9 l 、410 sa n d4 3 0h a db e e nr e s e a r c h e di nt h e d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o nh 2 s 0 4 ，h c l ，n a o ha n d6 f e c l 3 t h ed i f f e r e n c ei nc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo ft h r e ez o n e s ( ( b m ) 、( h a z ) a n d ( ) o ft h ew e l dj o i n t sh a db e e na n a l y s i s e d c o m b i n e d 谢mi t sc o m p o s i t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n de l e c t r o c h e m i c a lg r a d i e n t s t h ew e a k n e s s o ft h e s ew e l dj o i n t sh a df o u n do u t a tt h es a m et i m e ，也ef o u rk i n d so fw e l dj o i n t sh a db e e n c o m p a r e da n da n a l y s i s e db yt h ei m m e r s i o nc o r r o s i o nt e s t , s a l ts p r a yc o r r o s i o nt e s ta n d o i n t m e n tc o r r o s i o nt e s t t h a to f f e r st h e o r i e sf o rp r e c a u t i o n i n ga n dr e l i e v i n gt h ec o r r o s i o no f t h es t a i n l e s ss t e e lw e l dj o i n t sa n de x p e r i m e n t a ld a t aa n dg u i d ef o rt h eu s i n go fs t a i n l e s ss t e e l p r o d u c t i o n su n d e rt h ec o r r o s i v ee n v i r o n m e n t t h ec o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eg r a d i e n t so ft h ew e l dj o i n to fs t a i n l e s ss t e e lh o t r o l l e dp l a t e s 、析t ht 【gw e r ea n a l y z e db yu s i n ge l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) s c a n t h ec o n t e n to fc ra n dn io ft h ew e l dj o i n ta n da d o p t i n gm e t a l l u r g i em i c r o s c o p et oc h e c ki t s m i c r o s t r u c t u r e t h e nt h em e t h o do ft i ga n di t sc h a r a c t e r i s t i cw e r ec o m p a r e da n da n a l y s i s e d 硼1 ec o n t e n to fc ra n dn io ft h ew e l dj o i n td i s t r i b u t e si nt h ew a yo fg r a d i e n t ，t h ec o n t e n to f c ra n dn ii nt h ez o n eo fw m i sh i g h e rt h a nb ma n dh a z t h em i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c o ft h r e ez o n e so ft h ew e l dj o i n ta r ef o l l o w i n g ：乃em i c r o s t r u c t u r e so f 掰a r ec o m p o s e do f a u s t e n i t ea n d8 - f e r r i t i cw i t l lb r a n c hs h a p e ；o w i n gt ot h el e n g h t ho ft h es a m p l ei sl i m i t e d , t h e m i c r o s t r u c t u r e so fb m c o m p a r i n gw i t ht h em i e r o s t r u c t u r e so f h o tr o l l e dp l a t e sa r ea f f e c t e db y h e a t i n g t os o m ee x t e n ti n t h e p r o c e s s o fw e l d i n g ，t h e g r a i no fb ma r em o r e e q u i d i m e n s i o n a l ，u n i f o r ma n db i g g e r ；t h em i c r o s t r u c t u r e so fh a zb e c o m em u c hc o a r s ed u et o h e a th e a v i l yi nt h ep r o c e s so fw e l d i n g 1 1 1 ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nb e h a v i o r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ez o n e so ft h ef o u r k i n d so fs t a i n l e s ss t e e l 、耽l dj o i n t sh a db e e nr e s e a r c h e di nd i f f e r e n tc o r r o s i v em e d i ab yu s i n g t h em e t h o do fe l e c t r o c h e m i c a l n l ea n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e so ft h ew e l dj o i n ti n 1 0 h 2 s 0 4 、6 0 h 2 s 0 4 、8 0 h 2 s 0 4 、1 h c l 、3 h c l 、1 0 h c l 、1 0 n a o h 、2 0 n a 0 h 、 3 0 n a o ha n d6 f e c l 3w e r em e a s u r e d t h r o u g t hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gc o r r o s i v e p o t e n t i a l ，c o r r o s i v ec u r r e n t ，p a s s i v a t i o np o t e m i a l ，c r i t i c a lp a s s i v a t i o nc u r r e n t ，p a s s i v a t i o n c u r r e n ta n do v e rp a s s i v a t i o np o t e n t i a lt oa s s e s st h ea b i l i t yo fc o r r o s i o nr e s i s t a n c e b ya n a l y s i s t h ee l e c t r o c h e m i c a lp a r a m e t e r so ft h r e ez o n e s ( ( b m ) 、( h a z ) a n d ( 啪) i nd i f f e r e n t s o l u t i o n , w ec a nd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ea b i l i t yo fc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei nw m i sb e t t e r t h a nb ma sw e l la st h eb m si sb e t t e rt h a nh a z n es e q u e n c e so ft h ea b i l i t yo fc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo ft h ew e l dj o 缸f r o mh i 曲t ol o wi nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nc o r r o s i v es o l u t i o n s h 硕卜学位论文 a l ef o l l o w i n g ：i nh 2 s 0 4s o l u t i o n sa r e10 h 2 s 0 4 6 0 h 2 s 0 4 8 0 h 2 s 0 4 ；i nh c l s o l u t i o n sa r e10 h c i 3 h c i l h c l ；t h e r ei sh a v i n gn o ts a m p l e dc o m p a r a t i v e a s s a s s m e mi nn a o hs o l u t i o nb e c a u s et h ew e l dj o i n t sh a sd e c a l ds l i g h t l y , a ts a m et i m eb o t h l o s i n gw e i g h t ha n di n c r e a s i n gw e i g h t ho c c u r r e di nt h a tc a s e t h es e q u e n c e so ft h ea b i l i t yo f c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ew e l dj o i n t sf r o mh i 曲t ol o wi nd i f f e r e n tc o r r o s i v es o l u t i o n sa l e h c i f e c l 3 h 2 s 0 4 n a o h w ec a l lr e a c hac o n c l u s i o nt h a tt h e r e a r et h es a m er e s u l t sb e t w e e nt h ei m m e r s i o n c o r r o s i o nt e s ta n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s tt h r o u g t h a d o p t i n gt h ei m m e r s i o n c o r r o s i o nt e s ta tr o o mt e m p e r a t u r et oa s s e s st h ea b i l i t yo fc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ew e l d j o i n t si nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n sh 2 s 0 4 ，h c l , n a o ha n d6 f e c l 3a n dc a l c u l a t i n g t h e i re r o s i v er a t ea n dc h e c k i n gt h ec o r r o s i v em a c r o g r a p hm e a n w h i l ec o m p a r i n gw i t l lt h e r e s u l to ft h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s ti nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n s t h es a l ts p r a y c o r r o s i o nt e s ta n dt h eo i n t m e n tc o r r o s i o nt e s th a v eb e e nu s e df o rt e s t i n gt h ea b i l i t yo f c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ew e l dj o i n t s ，t h er e s u l to fb o t ht h et w oc o r r o s i v em e t h o d sh a v e a g r e e m e n t 、丽t l lt h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t k e y w o r d s ：w e l d e dj o i n to fs t a i n l e s ss t e e l ；c o m p o n e n t 伊a d i e m ；m i c r o s t r u c t u r e 孕a d i e m ； e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nb e h a v i o r ；i n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n ；s a l ts p r a yc o r r o s i o n ；o i n t m e n t i i ! 硕一 二学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的、来源及意义 不锈钢通常是指一系列在空气、水、盐的水溶液、酸以及其他腐蚀介质中具有高度 化学稳定性的钢种【l 】。 不锈钢自上世纪初问世，到现在已有近1 0 0 年的历史。由于石油、化工、能源及原 子能、宇航、海洋开发等尖端技术的迅速发展，对不锈钢提出了更高的综合性能要求， 不仅要求有良好的耐蚀性，还要求有高强度、耐高温高压、防辐射、耐低温等性能，使 不锈钢的品种类型得到进一步的开拓。特别是从上世纪7 0 年代以来，不锈钢的工业精 炼技术普遍采用a o d ( 氩氧脱碳) 和v o d ( 真空氧脱碳) 法，为新型钢种的开发提供了 良好的工艺条件。在过去的1 0 年，中国不锈钢消费量以年平均超过2 0 的速度增长。 然而，我国人均不锈钢消费量仅有4 1 k g ，仍然非常低，这表明我国不锈钢消费量仍有 很大的增长空间。目前，中国已经成为世界不锈钢市场发展的中心【2 】。由于不锈钢有良 好的物理化学性能，它的生产和应用在深度和广度上不断发展和扩大。不锈钢的使用范 围十几年来向轻工和家庭生活方面迅速扩展。由于不锈钢的使用过程中，很大一部分都 要通过焊接的方式将构件进行连接，因此焊接质量的好坏直接影响着不锈钢构件的性 能。在不锈钢构件的腐蚀失效分析中，焊接接头所受到的腐蚀是整个构件腐蚀当中最严 重的。因此深入研究焊接接头的耐蚀性能对不锈钢构件的安全使用和寿命评估起着相当 重要的作用。 本课题是国内某大型钢铁( 集团) 企业技术创新项目课题“不锈钢产品性能对比与 分析”的主要内容之一。研究的四种不锈钢的主要特点和用途为： 3 0 4 ( 0 6 c r l 9 n i1 0 ) 是奥氏体不锈钢最典型的钢种，由于其耐腐蚀性、耐热性、低温 强度、机械性能良好。深冲压、弯曲等常温加工性能较好，广泛应用于家庭用品( 餐具 类、热水器、橱柜、锅炉、室内管线、浴缸) 、医疗器具、汽车配件、建材、食品工业、 化学和农业等行业。 4 0 9 l ( 0 2 2 c r l l t i ) 是一种超低碳不锈钢，由于不含或少含贵金属镍，使其原料成本 低廉。铁素体不锈钢热膨胀系数小，还具有很好的抗点蚀和抗高温氧化性。汽车用4 0 9 系铁素体不锈钢具有质量轻，性能稳定，抗大气腐蚀性强，较好的成形性能和焊接性能 等优点，铁素体不锈钢这些特有的性能，可以很好地满足汽车排气系统用钢的要求，从 环保及节能的角度出发，目前仍在使用的铸铁、碳钢排气系统的车型最终将采用不锈钢 排气系统。 4 1 0 s ( 0 6 c r l 3 ) 由于强度高，相对重量比较轻，特别是受到冲击后，吸收能量比其他 金属材料少，安全性能好。机械加工性以及耐腐蚀性好，强度高，是汽车运输业使用的 重点材料。 不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 4 3 0 ( 1 0 c r l 7 ) 铁素体不锈钢的代表钢种，由于基体中不含镍，价格相对便宜，又具 有优良的耐氯化物应力腐蚀性能，因此广泛应用于建筑、装饰、食品机械、家电等行业， 其应用领域还在不断的扩展1 3 】。 综合而言，不锈钢具有多种其它金属没有的优异性能，是一种具有优异耐蚀性和 再循环性的材料，从节能和资源再循环等环保的观点看，不锈钢的需求有望进一步扩大， 将广泛应用于各种领域。不锈钢越来越广泛应用的同时，对其焊接接头耐蚀性能将提出 越来越高的要求。本课题不锈钢焊接接头耐腐蚀性能的研究结果是在实验室条件下得出 的，能够较好地将理论和实践相结合，为不锈钢构件的选材和使用具有一定的现实指导 意义。一方面，给企业以准确的定位，无论对于后续加工，还是指导用户的合理应用， 都是很有意义的，不仅提高了企业和用户的生产效率和使用安全性，也增加了钢材的附 加经济效益。另一方面，可以将研究方法和结论推广到更多新开发的钢种上，对企业的 发展具有重要的前瞻作用。 1 2 不锈钢的焊接性和焊接特点 由于不锈钢在使用过程中，很大一部分都要焊接，因此焊接质量的好坏直接影响着 不锈钢件的性能。焊接性是指同种金属材料或异种金属材料在焊接加工条件下，能够形 成具备一定使用性能的焊接接头的特性。焊接性受到材料、焊接方法、构件类型及使用 要求等因素的影响。焊接性包括两个方面的意义：一是结合性，即一定的金属材料在指 定的焊接工艺条件下，对焊接缺陷的敏感性，即工艺焊接性：二是使用性能，是金属材 到左始牵的帽垃筮胜卞昕形酷的障撑侏i ；壬田佶田纽肚的秤詹帕敌脑田根垃牲【4 】系 锈钢焊接接头由焊缝金 了不锈钢焊接接头的细 i i t * c 泽 k 入 i ) t ) 7 7 2 11 lc j 塑札仃i ff iiiia f ：由 焊缁热影响区毡本金属 网 - 2 硕l 学位论文 曼- - i ii ii_i , , 量曼曼曼曼! 皇曼曼鼍曼量 图1 1不锈钢焊接接头的组织和性能变化示意图 l 一半熔化区：2 一过热区：3 一正火区：4 一部分相变区：5 一再结晶区 ( 1 ) 焊缝金属区( w m ) ：焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，基本金属和填充金属 共同形成熔池，冷凝后成为铸态组织。焊缝金属区由于冷却速度较快，晶粒较细小，再加 上焊条药皮的保护作用和合金化作用，其强度一般不低于母材区。 ( 2 ) 热影响区( h a z ) ：是指焊缝两侧因局部加热而产生组织和性能变化的区域，以下着 重讨论半熔化区和过热区对焊接接头的不利影响。半熔化区：位于焊缝与基本金属的交 界处，加热温度约为1 4 9 0 - 1 5 3 0 。部分金属加热到熔化状态，结晶后成为铸态组织： 另一部分金属为严重过热的奥氏体，冷却后成为粗晶粒，故该区域的塑性和冲击韧性很 差。过热区：紧靠半熔化区，加热温度约为1 1 0 0 - - - 1 4 9 0 ，在如此高温作用下，奥氏体晶 粒急剧长大，形成过热组织，使塑性和韧性大大降低【5 】。 ( 3 ) 母材区( b m ) ：由于焊接接头试样取样长度有限，母材区在焊接过程中也不同程度的 受到焊接热输入的影响。因此，母材区的晶粒与原热轧板材有些区别：等轴化比较明显、 组织相对均匀一些，晶粒尺寸有所长大。 1 2 1 奥氏体不锈钢的焊接特点 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，由于其在高温、极低温度( 一1 9 6 ) 下 均具有优良的塑韧性、冷热加工性能和耐腐蚀性能，因而广泛的应用于各行各业中。晶 间腐蚀由表面沿晶界深入到内部，它使材料的强度急剧下降，稍受外力即沿晶界断裂，而 表面却仍然光亮完好，因此晶间腐蚀是一种具有极大的危险性的腐蚀破坏现象。奥氏体 不锈钢在氧化和弱氧化介质中易产生晶间腐蚀。当其焊缝金属中含有少量的6 铁素体( 5 - - 1 0 ) 时，可防止热裂纹，提高抗晶间腐蚀能力，但6 铁素体含量较高时，抗应力 腐蚀裂纹倾向则会降低，6 铁素体对低温韧性很不利。因此，要求在采用奥氏体不锈钢 制作设备时，母材和焊接接头都应有足够的抗晶间腐蚀性能。在对奥氏体不锈钢进行焊 接时，其工艺要点为【6 】： ( 1 ) 焊接接头的坡口形式应尽可能选择v 形坡口，以减少焊缝金属的填充量，降低焊缝 的收缩应力，防止热裂纹的产生。 ( 2 ) 尽可能地采用固定夹具，尤其是焊薄板时，避免角焊缝。 ( 3 ) 先从中间开始焊而后向两边焊或采用分段退焊技术。 ( 4 ) 由于焊丝的电阻率大、导热系数小，所以熔化系数大，焊丝伸出长度要短一些。 ( 5 ) 尽量采用短弧焊并不做摆动，以防止合金元素不必要的烧损。 ( 6 ) 为了防止焊缝中产生气孔，应尽量限制气体来源并改善气体逸出条件。 1 2 2 铁素体不锈钢的焊接特点 铁素体不锈钢一般都是在室温下具有铁素体组织，强度不高，塑性、韧性良好；若 将其加热到高温，也有可能出现少量的奥氏体组织( 对含铬量较低的钢) 或者根本不会 3 不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 出现奥氏体组织，所以在焊接过程的热循环作用下有可能出现少量或根本不出现马氏体 组织。这种钢经焊接后不会出现强度显著下降或淬火硬化问题，即使出现了少量马氏体 组织也可通过焊后热处理来解决。可以说这种焊接接头的室温强度不是焊接的主要矛 盾；又由于其焊接热膨胀问题远比奥氏体型不锈钢轻微，而其焊接热裂纹和冷裂纹的问 题也不很突出1 7 】。因此铁素体不锈钢的焊接工艺及特点为： ( 1 ) 高铬铁素体不锈钢在室温时韧性较低，焊接时焊接接头易形成高温脆化，在一 定条件下可能产生裂纹。通过预热，使焊接接头处于富有韧性的状态下施焊，能有效地 防止裂纹的产生。但是焊接时的热循环又会使焊接接头接近焊缝区的晶粒急剧长大粗 化，而引起脆化。为此，预热温度的选择要慎重，一般控制在1 0 0 2 0 0 ( 2 ，随着母材金 属中含铬量提高，预热温度可相应提高。但预热温度过高，也会使焊接接头过热而脆化。 ( 2 ) 对于可以焊前预热或焊后进行热处理的焊接构件，可选用与母材金属相同化学 成分的焊接材料；对于不允许预热或焊后不能进行热处理的焊接构件，应选用奥氏体不 锈钢焊接材料，以保证焊缝具有良好的塑性和韧性。 ( 3 ) 4 7 5 脆性是高铬铁素体不锈钢焊接时的主要问题之一。杂质对4 7 5 脆性有 促进作用，因此，需要提高母材金属和熔敷金属的纯度，缩短铁素体不锈钢焊接接头在 这个温度区间的停留时间，以防止4 7 5 c 脆性的产生。一旦出现4 7 5 脆性，可以在6 0 0 以上温度短时间加热，再以较快的速度冷却，给予消除。 ( 4 ) 对于同质材料焊成的铁素体不锈钢焊接接头，热处理的目的是使焊接接头组织 均匀化，从而提高其塑性及耐蚀性。焊后热处理温度为7 5 0 8 0 0 ，空冷。用奥氏体焊 材所焊成的焊缝可免除焊前预热、焊后热处理。 ( 5 ) 焊接过程中，尽量减少焊接接头在高温的停留时间，有助于焊接接头的热影响 区铁素体组织的晶粒不致很快长大，从而提高焊接接头塑性。可采取焊后强制冷却的方 式以减少高温脆化和4 7 5 脆化，防止裂纹的形成。 为防止热影响区晶粒粗大，引起塑性降低以及焊接接头耐蚀性能下降，一般采取的 措施如下。 ( 1 ) 无论采用何种焊接方法，都应采用小的热输入的焊接参数，选用小直径的焊接材料。 ( 2 ) 采用窄焊缝技术和快的焊接速度进行多层多道焊。焊接时不允许进行摆动施焊。 ( 3 ) 多层焊时，要严格控制层间温度在1 5 0 左右，不易连续施焊。 ( 4 ) 采用强制冷却焊缝的方法，以减少焊接接头的高温脆化和4 7 5 脆性，同时还可以 减少焊接接头的热影响区过热。其方法是通氩冷却或通水冷却、加铜垫板等 1 3 国内外不锈钢焊接接头研究现状 不锈钢在各个行业越来越广泛的应用，促使人们对不锈钢以及不锈钢焊接接头的耐 腐蚀性能进行更深入的研究。近些年来，对不锈钢以及不锈钢焊接接头的研究主要有以 下四个方面：( 1 ) 焊接工艺对不锈钢焊接接头的性能的影响；( 2 ) 不锈钢焊接接头抗晶 4 硕十学位论文 间腐蚀和点蚀的研究；( 3 ) 不锈钢焊接接头的腐蚀微区电化学研究；( 4 ) 不锈钢焊接接 头的微观结构和组织与性能的关系。目前，国内外对奥氏体不锈钢焊接接头的研究文献 较多，对铁素体不锈钢的研究文献较少，更没有系统的针对铁素体不锈钢焊接接头的耐 腐蚀性能进行研究。通过查阅文献，国内外的相关研究者所做的相关研究工作如下： 龚利华，戚霞【8 】研究了不同焊接工艺和热处理工艺对o c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢的 抗晶间腐蚀性和耐点蚀性的影响。结果表明：固溶处理可以明显的改善焊后不锈钢抗晶 间腐蚀以及耐点蚀的性能，并增大钝化膜的稳定性。 骆鸿，魏丹，董超芳等【9 1 0 】介绍了电化学扫描探针显微镜的基本原理，重点对微 区电化学技术在金属腐蚀研究中的应用进行了阐述，研究发现：在金属一电解质溶液界 面，阳极区和阴极区可能会表现出不同的特征，常规的电化学方法无法深入研究其腐蚀 行为和机理，微区电化学技术正好弥补了这方面的不足。 c g a r c i a 等【l l 】运用动态交流阻抗谱方法和动电位阳极极化方法对奥氏体不锈钢焊 接构件在海水中的抗点蚀性能进行了评估。结果表明：焊接热影响区是不锈钢构件发生 点蚀的最严重的部分，这与其成分和微观组织特征有着直接的关系。 金维松，郎宇平，荣凡等【1 2 】利用电化学动电位再活化( 即e p r ) 法检测了奥氏体不 锈钢晶间腐蚀敏感性的程度研究了不同条件对敏化度的影响，特别是不同敏化时间、 敏化温度、扫描速度、溶液温度对奥氏体不锈钢晶间腐蚀性能的影响。结果表明：双环 e p r 法能定量、定性的检测不锈钢的晶间腐蚀敏感性。对3 0 4 l 不锈钢而言，敏化时间 越长，温度越高，其晶间腐蚀敏感性越强。扫描速度越快，溶液温度越低，同一材料的 r a 值越小。 张俊旺，王文先，黄延平等【l3 1 4 】通过运用晶间腐蚀实验和电化学腐蚀测试分析方 法，对采用了钨极氩弧焊( t i g ) 、熔化极钨极氩弧焊( m i g ) 和钨极氩弧焊加填丝( t i g + m ) 等焊接方法的奥氏体不锈钢的化学成分、显微组织和抗腐蚀性能进行了分析研究。 结果表明：抗晶间腐蚀能力的大小顺序为：母材 t i g + m m i g t i g ，焊缝区在硫酸 溶液中抗电化学腐蚀性能依次为：t i g + m m i g t i g 。不锈钢焊接接头在盐酸溶液比 在硫酸溶液中的抗腐蚀性能差。 陈志林，陈国强，李军等【l5 】通过电化学方法研究了钎料为6 0 b n i ：+ 4 0 b n i 。( 质量 分数) 和b n i ：的3 1 6 l 不锈钢钎焊接头在人造海水中的耐腐蚀性能。结果表明：母材、 6 0 b n i ：+ 4 0 b n i 。钎料和b n i ：钎料这三者的钝化电流相近，进入钝化的电位依次增加，表 明母材的耐腐蚀性最好，6 0 b n i ：+ 4 0 b n i 。钎料次之，b n i ：钎料最差。c r 含量的不同是造 成三者耐腐蚀性存在差异的主要原因。 罗宏，龚敏【1 6 】介绍了奥氏体不锈钢晶问腐蚀的机理，并讨论了c 、c r 、p 等元素以 及冷加工、铸造、焊接、热作成型等热加工方法对晶间腐蚀的影响。研究发现：降低奥 氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的主要途径是进行固溶处理和限制不锈钢中c 和n 的含量分 别不超过0 0 3 和0 1 0 。 5 不锈钢焊接接头耐腐蚀件能研究 林晓云等【1 7 ，l 列介绍了1 8 - 8 奥氏体不锈钢焊接接头抗晶间腐蚀能力的检验和评定 方法，对焊接接头晶间腐蚀产生的原因进行了分析，阐述了在焊接过程中实施的有效控 制方法，以提高不锈钢焊件抗晶间腐蚀的能力。结果表明：不锈钢焊接接头的晶间腐蚀 是由于在4 5 0 8 5 0 这一危险温度范围内，碳化物在晶界沉淀，因而在晶界及邻近区 域形成贫铬区，从而大大的降低了晶界的耐蚀性能。 陈冰泉【1 9 】以1 8 - 8 不锈钢为研究材料，采用t i g 焊焊接方法，仅改变焊接速度来观 察焊接接头组织形态的变化。研究发现：在固态相变区中，焊接速度越大，该区残留的6 一 铁素体愈多且在晶内按一定方向平行分布。 a a r u t u n o w 和k d a r o w i c k i1 2 0 i 运用动态交流阻抗谱方法在存在晶间腐蚀的情况 下，对a i s l 3 0 4 的相对有效表面积的溶解过程进行了分析。结果表明：在不同的再活化 电位下，将引起a i s l 3 0 4 的相对有效表面积的改变，活化电流随着时间的延长而增大。 m d a d f a r 等1 2 l 】分析了钨极氩弧焊( t i g ) 对奥氏体不锈钢腐蚀行为的影响。研究 发现：热影响区的腐蚀速率比其他区域要大得多，采用焊后热处理工艺能够明显的减缓 奥氏体不锈钢的腐蚀。 陈小芹等【2 2 】讨论了线性扫描法和电化学动电位再活化( e p r ) 法在材料评估方面的 应用原理、方法以及它在实际中的一些成功运用。同时，分析了应用电化学方法在评价 材料性能方面进行研究的一些不足和未来的发展方向。研究发现：用e p r 检测奥氏体不 锈钢的敏化比用化学测定方法更灵敏和准确。 秦丽雁等幽】用电化学阻抗谱( e i s ) 方法研究了固溶态、敏化态3 0 4 不锈钢在 0 5 m o l lh 2 s 0 4 + 0 o l m o l l 氰化钾溶液中的阻抗谱特征研究表明：不锈钢在不同 极化电位下的阻抗谱呈现活性溶解、活化一钝化、钝化及再活化的特征。 雷阿利等【2 4 l 针对1 8 8 型不锈钢在焊接时焊缝金属区的组织和耐蚀性与填充金 属的成分、焊接方法及焊接工艺参数等诸多因素的关系进行了分析。利用恒电位极化曲 线法及金相显微分析方法，研究了奥氏体不锈钢焊接接头在含n a z s 溶液中的腐蚀行为， 为奥氏体不锈钢在含硫介质中的合理使用提供了理论数据。结果表明：在2 0 c 的条件下， n a 2 s 质量分数的增加将加速腐蚀反应的阴、阳极过程；在n a 2 s 质量分数一定的情况下， 温度升高n 8 0 时，在阳极极化区有钝化现象。 梁成浩【2 5 】采用电化学方法和浸泡实验，研究了n i 对3 0 4 不锈钢焊接接头的均匀腐 蚀、小孔腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等性能的影响。研究发现：n i 的加入，可减少均 匀腐蚀率、活化状态时的晶间腐蚀率和提高孔蚀电位磊值，抑制阳极活性溶解，然而加 剧钝化状态时的晶间腐蚀倾向，并对应力腐蚀无改善作用。 孙齐磊等1 2 6 研究了管线钢焊接接头各个微观区域在土壤模拟溶液中的电化学行 为。成功地实现了对焊接接头上各不同热经历微区域的电化学行为测量，包括极化曲线 测量、零电流电位及自腐蚀电流密度、塔菲尔常数等电化学参数的测定。结果表明：各 区域的自腐蚀电位e 一由低至高和自腐蚀电流i 肼由大到小的顺序依次为：熔合线，不 6 硕i j 学位论义 i ii_ii_ii i i_ii i i i_ 完全正火区，过热区，正火区，母材区，焊缝区。同一个焊接接头的七个不同热经历区 暴露在同一电解质中时，也将构成一个多电极体系。其中，熔合线和不完全正火区将成 为复杂多电极体系形成的原电池中的阳极，最可能遭受到优先的腐蚀溶解；母材区和焊 缝区则是原电池中的阴极，腐蚀敏感性低且在一定程度上受到阴极保护。 1 4 课题研究内容、技术路线和拟解决的关键性问题 1 4 1 研究内容 本文研究的具体内容包括： ( 1 ) 从宏观上分析，运用电化学测试技术，测量焊接接头三个区域的极化曲线和 相关的电化学参数，对其耐腐蚀性能进行分析。对四种不锈钢焊接接头进行盐雾腐蚀、 膏剂腐蚀、晶间腐蚀和浸泡腐蚀的腐蚀速率和腐蚀形貌进行计算和检查。 ( 2 ) 从微观上分析，用金相显微镜、扫描电镜和电子探针等现代测试技术对奥氏 体( 3 0 4 ) 和铁素体( 4 0 9 l 、4 1 0 s 、4 3 0 ) 不锈钢焊接接头的金相组织、晶间腐蚀微观形 貌和化学成分梯度作对比研究，分析焊接接头上三个区域的成分梯度、组织特征、腐蚀 性质和腐蚀形貌。 1 4 2 技术路线 确定不锈钢焊接接头所需测试的耐腐蚀性能指标一试样准备、加工一了解和熟悉各 试验操作规程及注意事项一进行电化学试验、盐雾腐蚀试验、膏剂腐蚀试验、晶问腐蚀 试验和浸泡腐蚀试验- 数据的测试、采集一性能数据的分析与处理叶微观组织结构的针 对性分析数据综合分析与处理。 1 4 3 拟解决的关键性问题 ( 1 ) 对比不锈钢焊接接头上三个区域的成分梯度和组织梯度的差异，找出焊接接 头的薄弱环节并分析其影响因素。 ( 2 ) 通过相应的腐蚀试验和电化学试验，研究不锈钢焊接接头在室温下不同浓度 腐蚀介质中的腐蚀速率、电化学行为及其腐蚀机理。 1 5 本章小结 现阶段我国正处在工业化和城镇化加速发展的时期，对不锈钢的需求将会逐年上 升，而且我国是一个镍、铬资源匮乏的国家，因此如何减少不锈钢产品在使用过程中的 腐蚀，不仅关系到不锈钢用户的经济效益和不锈钢产品的使用安全性，而且对我国的经 济建设也有着重要的意义。目前，我国在不锈钢产品的生产和使用中仍存在很多问题。 因此，本课题重点通过采用阳极极化曲线研究不锈钢焊接接头在不同介质中的腐蚀机 理、腐蚀速率以及影响因素，同时将化学浸泡腐蚀和电化学腐蚀试验结果相结合，用电 7 不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 化学腐蚀理论解释浸泡腐蚀的结果，研究结果对如何评定不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能 和不锈钢产品的安全、经济的使用具有重大的意义。 硕士学位论文 曼皇量曼曼曼兽曼量曼曼詈皇寡曼鼍皇曼i 一。 i ii ii i i i1 i i i i i i i ! 第二章试验材料与试验方法 2 1 试验材料 试验材料取自国内一大型钢铁企业采用氩氧脱碳( a o d ) 精炼工艺生产的奥氏体 和铁素体不锈钢热轧板，经测试其主要化学成分( 质量分数) 见表2 1 。试验所用钢的 冶炼工艺采用二步法：电炉一转炉一l f 精炼一氩氧脱碳一连铸；轧制工艺：出炉3 0 4 ( 1 0 8 5 。c ) 、4 0 9 l ( 1 0 6 0 。c ) 、4 1 0 s ( 1 0 8 0 2 ) 、4 3 0 ( 1 0 7 0 ( 2 ) 一除磷( 降温8 0 - - 1 0 0 c ) 一初轧1 0 0 0 一终轧8 0 0 ( 2 ，轧制过程中不进行退火处理。 表2 13 0 4 、4 0 9 l 、4 1 0 s 、4 3 0 的化学成分( 质景分数w t ) 不锈钢热轧板采用手工钨极氩弧焊进行焊接。根据焊接试验用材的成分和性质，填 充金属用e r 3 0 8 l ( 用于3 0 4 ) 、e r 3 0 9 l ( 用于4 0 9 l 、4 1 0 s 、4 3 0 ) 二种焊丝，其化学 成份见表2 2 和2 - 3 ： 表2 2e r 3 0 8 l 的化学成份( ) 和机械性能 0 0 1 60 0 0 20 0 1 9 0 4 l1 8 4 2 3 2 81 3 6 8 5 9 04 5 在保证焊接质量的情况下，优先选择输入较小的线能量的焊接方法【2 7 1 。其试板焊 接坡口形式如图2 1 所示。 鼻 图2 1 试板坡口的形式图2 2 焊丝与焊接熔池的相对位置 在焊枪结构固定以后，涉及保护效果的主要有喷嘴距工件距离和喷嘴流量。图2 2 9 不锈钢焊接接头耐腐蚀性能研究 为焊丝与焊接熔池的相对位置。焊接取样后的不锈钢焊接接头实物照片如图2 3 所示。 图2 3 不锈钢焊接接头实物照片 通过焊接工艺试验，确定了如下焊接工艺规范参数( 见表2 4 ) 。焊接过程中使用 氩气作为保护气体，焊接区颜色亮白，证明保护效果良好。保护气体的组成与含量如表 2 5 所示。 表2 4 焊接工艺规范参数 板厚钨极直焊丝直氩气流量 焊接电流a焊接电压焊接速度 m m 径m m 径蚰 l m i n 1 ( 直流正接) vc m m i n 1 42 42 o8 1 09 0 - 1 2 0 1 6 3 0 表2 5 保护气体组成与含量( l ) 材料 纯度 n 20 2h 2 h 2 0露点 氩气 9 9 9 9 l o o p p m15ppm5ppm30ppm - - 5 0 c 2 2 试验方法 2 2 1 不锈钢焊接接头的电化学腐蚀试验 厂一一_ 7 厂一驾 髟f ” 锈 图2 4 电化学分析仪 1 0 硕十