奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀行为研究[精校版本]

1、目 录第一章 绪论11.1选题的背景及意义11.2奥氏体不锈钢的应用及特点21.3奥氏体不锈钢腐蚀性能41.3.1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性41.3.2奥氏体不锈钢焊接接头的点蚀71.4奥氏体不锈钢焊接性101.4.1奥氏体不锈钢焊的物理性能101.4.2焊接工艺要点101.4.3 TIG焊简介111.5极化曲线121.5.1概念121.5.2极化现象131.5.3极化原因141.6本文研究的主要内容15第二章 试验方法、条件及原理162.1焊接方法、材料及规范162.1.1焊接材料162.1.2焊接方法的选择162.1.3焊缝接头形式162.1.4焊接工艺参数的选取172.2 金相组织观察

2、实验172.2.1实验药品与设备172.2.2实验试样制备及观察182.3 显微硬度测试182.3.1显微硬度测量原理182.3.2实验药品与设备192.3.3实验试样制备192.3.4显微硬度实验过程192.4焊接接头点腐蚀实验202.4.1点腐蚀机理202.4.2实验药品与设备212.4.3实验试样制备212.4.4实验过程212.5 极化曲线与电化学腐蚀测试212.5.1 极化曲线实验原理212.5.2电化学腐蚀原理232.5.3实验药品与设备232.5.4实验试样制备232.5.5 实验过程242.6 X-射线测试242.6.1 x-ray简介242.6.2 X-射线衍射方法252.6

3、.3实验药品与设备262.6.4实验试样制备26第三章 实验结果与分析273.1 金相实验273.1.1金相组织观察273.1.2焊缝及HAZ组织特征分析293.2硬度实验303.2.1硬度曲线303.2.2数据分析323.3点腐蚀实验333.3.1实验结果333.3.2结果分析343.3.3防止点蚀的措施353.4极化实验353.4.1实验数据353.4.2曲线分析383.5 X-射线实验383.5.1实验结果383.5.2结果分析41第四章 结论42致 谢43参考文献44优异品+第一章 绪 论1.1选题的背景及意义 不锈钢自1912年发明以来，取得迅猛发展。至今全球仍以每年3%5%的速度递

4、增。我国正处于不锈钢生产和高速增长期，2001年我国不锈钢的使用量已跃居世界第一1。不锈钢焊接也会经常遇到。不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊性。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%1。该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、船舶、食品、生物医学、石油化工等领域得到了广泛的应用。长春轨道客车公司配件厂生产的材质为0Cr18Ni9壁厚为2.0mm的

5、贮水箱，应用在铁路客车上，在设计使用寿命内（设计使用寿命为七年）经常发生渗漏，经由现场处理发现，渗漏点大部分为水箱防波板焊接处，小部分为供水管路渗漏，与水箱本身无关。渗漏点形貌均为圆形小孔（如图1-1），且周边失去钝化膜，已看到凹突不平的金属颗粒，由此推断为腐蚀所致，形式为点蚀，在其附近还有许多细微裂纹存在（如图1-2）。经过研究发现，在水箱生产过程中，由于飞溅和不正确焊接参数（主要是电流），不锈钢箱体表层钝化膜被破坏同时焊接接头区形成贫铬层，同时由于水箱的介质为自来水因而含有大量的氯离子，贫铬层区域在氯离子及应力的作用下，便会引起腐蚀和开裂。渗漏点主要集中在水箱防波板和箱体焊接处。渗漏点形貌

6、为贯穿板厚的圆形小孔,用立式显微镜放大至20倍观察,发现小孔周边已失去了钝化膜,其边缘和内表面凸凹不平,十分粗糙。此外,在水箱防波板和箱体焊接处附近还发现多处裂纹。实验就0Cr18Ni9 不锈钢列车贮水箱点蚀与开裂问题展开研究与分析。测试两种焊接接头形式及三种不同焊接参数（不同电流）对不锈钢接头腐蚀性能的影响。图1-1水箱点蚀形貌 图1-2水箱裂纹形貌铁路客车上的水箱是典型的薄壁箱型结构，其壳体承受内压载荷的能力很弱。由于在客车运行的过程中产生了内压载荷作用，无加强筋的薄壁箱型壳体将产生很大的变形。因此，水箱内设置主拉筋以承担来自壳体的水平方向的压力载荷，防止壳体过大的横向变形。不锈钢水箱的加

7、强侧拉筋与模压板各折边采用氩弧焊连接。在水箱的受载时，由于壳体与各侧拉筋变形不协调，使得各侧拉筋既受到拉伸载荷，又受到弯曲载荷作用。使得侧拉筋的焊接接头成为水箱的一个薄弱之处。而且在加强筋焊接接头易产生腐蚀，如图1-3所示。图1-3发生电化腐蚀的连接本文通过在含有氯离子和铁离子的腐蚀溶液中对几种不同焊接线能量的试样进行点腐蚀实验，最终得出结论，焊接线能量太小或太大都不利于抗点腐蚀。本文的研究对延长薄板不锈钢水箱的使用寿命具有重要的意义。1.2奥氏体不锈钢的应用及特点不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数（WCr）大于12%合金元素的钢材，它在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈

8、的特性。这由于在这类钢中含有一定量的铬合金元素，能使钢材表面形成一层不溶解于某介质的坚固的氧化薄膜（钝化膜），使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。 常用的奥氏体型不锈钢根据其主要的合金元素Cr和Ni的含量不同可分为如下三种1：18-8型奥氏体不锈钢，主要钢号有1Cr18Ni9和0Cr18Ni9；18-12Mo型奥氏体不锈钢，这类钢的钢号有0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti等；25-20型奥氏体不锈钢，牌号有0Cr25Ni20等。 奥氏体不锈钢中最有代表性的是18Cr-8Ni，它是不锈钢中用量最多，使用范围最广的优秀耐腐蚀材料，在大气、淡水、中性盐、有机酸、氧化能力很强的硝

9、酸以及碱性环境中具有很强的耐腐蚀性，不仅如此，而且也具有在高温下抗氧化的优点，所以适用性很强。但是奥氏体不锈钢焊接时由于热影响的部位容易产生铬碳化合物晶界析出现象，这样在晶界附近的铬含量就减少了，也就降低了耐腐蚀性能，在焊接部位周围易产生晶界腐蚀裂纹。由于奥氏体不锈钢其表面可以形成一层钝化膜，因而具有良好的耐腐蚀性能，同时它又具有较好的低温韧性等力学性能，因此被广泛的用于石油、化工、能源、海洋及各种车辆的加工制造上。特别是在轨道车辆上的运用，不锈钢车辆有相当大的优点：不锈钢对能量的吸收优于铝或碳钢；有高的屈服强度；高的加工硬化率；高的延展性。同时，不锈钢重量比碳钢轻20%可减少车体的重量；且与

10、碳钢相比更耐腐蚀。因而现在不锈钢被越来越多的用在了汽车火车的制造上，增加了车辆的使用寿命，进而降低了车辆运行的成本。 但是在车辆加工制造过程中需要进行焊接，不锈钢焊接接头区常发生晶间腐蚀、刀口腐蚀、点蚀、应力腐蚀等腐蚀现象2。因此不锈钢焊接性问题是十分重要的。1940年，Hodge和Miller首先提出了不锈钢的腐蚀与氯化物有关3。随着工业上的大量使用及不锈钢品种的增长、产量的增加和使用范围的扩大，腐蚀断裂事故的不断发生4，不锈钢，特别是大量使用的Cr-Ni奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂问题才成为许多部门的重要问题。文献6最早总结了化工、石油、动力等工业部门中Cr-Ni奥氏体不锈钢的腐蚀破坏的实例

11、。目前，不锈钢，特别是Cr-Ni奥氏体不锈钢的腐蚀问题成了不锈钢领域中最重要而又急待解决的实际工程问题5，例如长春轨道客车厂热水箱箱体设备因腐蚀开裂而造成的漏水问题，仅此项事例就引起高达数百万元的经济损失。为了解决奥氏体不锈钢焊后产生的缺陷，在18-8的基础上有了以下几方面的重要发展。（1）加Mo改善了钢的点蚀和耐缝隙腐蚀性；（2）降低碳含量或加Ti或Nb、Ta稳定化元素，减小焊接材料的晶间腐蚀倾向；（3）加Ni和Cr改善高温抗氧化性和强度；（4）加Ni改善了抗应力腐蚀性能；（5）加S、Se改善了切削性和构件表面精度。由于奥氏体不锈钢具有全面、良好的综合性能，在工业上获得了越来越广泛的应用。1

12、.3奥氏体不锈钢腐蚀性能1.3.1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性（1）晶间腐蚀18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象，在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决与钢和焊缝的成分9。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要取决于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平可以保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。晶间腐蚀的形貌如图1-4、1-5。图1-4焊接件的晶间腐蚀 图1-5晶间腐蚀的微观示意图焊缝区晶间腐蚀：根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：一是通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定化元素Nb，一般希望Nb8WC或Nb1%；二是调整焊缝成分获得一定数量

13、的铁素体相10。如果母材不是超低碳不锈钢，采用超低碳焊接材料未必可靠，因为熔合比的作用会使母材向焊缝增碳。焊缝中相的有利作用如下：可打乱单一奥氏体相柱状晶的方向不至于形成连续贫铬层。相富Cr，有良好的共Cr条件，可减少奥氏体晶粒形成贫Cr层。因此，常希望焊缝中存在4%12%的铁素体相。过量铁素体存在，多层焊时易促使形成相，且不利于高温工作。在尿素之类介质中工作的不锈钢，如含Mo的18-8钢，焊缝最好不含相，否则易产生相的选择腐蚀。为了获得相，焊缝成分必然不会与母材完全相同，一般须适当提高铁素体化元素的含量，或者说提高Creq/Nieq的值。Creq称为铬当量，为把每一铁素体化元素，按其铁素体化

14、的强烈程度折合成相当若干铬元素后的总和。已知Creq及Nieq即可确定焊缝金属的室温组织。如图1-6是应用最广的焊缝组织图。图1-6不锈钢舍夫勒组织图热影响区敏化区晶间腐蚀：所谓的热影响区（HAZ）敏化区晶间腐蚀是指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区）所发生的晶间腐蚀11。显然只有18-8钢才有敏化区存在，含Ti和Nb的18-8Ti或18-8Nb，以及超低碳18-8钢不易有敏化区出现。对于WC=0.5%和0Cr18Ni9不锈钢来说，Cr23C6的析出温度为600850,TiC的则高达1100。可见，如果冷却速度快，铬碳化物就不会析出。为防止18-8钢敏化区腐蚀，在焊接

15、工艺上应采取小热输入、快速焊接过程，以减少处于敏化加热的时间。 刀状腐蚀：在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口形式，故称为“刀状腐蚀”，简称刀蚀，腐蚀区宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm。刀状腐蚀只发生在含Nb或Ti的18-8Ti和18-8Nb钢的熔合区，其实指也是与M23C6沉淀而形成贫Cr层有关。以18-8Ti为例焊前为10501150水淬固溶处理态，M23C6全部固溶，TiC则呈现沉淀游离态。经过焊接后，在焊态下的熔合区，由于经历了1200以上的高温过热作用，发生的变化是TiC将大部分固溶，峰值温度越高，TiC固溶量越大，TiC溶解时分离出来的碳原子插入到奥氏体点阵间隙

16、中，Ti则占据奥氏体点阵节点空缺位置。冷却时活泼的碳原子越向奥氏体周边运动，Ti来不急扩散而保留在原地，因而碳将析集于晶界附近而成为过饱和状态，这已为示踪原子C14自射线照相所证实。这种状态如在经450850中温敏化加热，将发生M23C6沉淀，与之相对应地形成了晶界贫Cr区。越靠近熔合区，贫Cr越严重，因此可形成“刀状腐蚀”。显然，高温过程和中温敏化相继作用，是刀口腐蚀的必要条件，但不含Ti或Nb的18-8钢不应有刀状腐蚀发生。超低碳不锈钢不但不发生敏化区腐蚀，也不会有刀状腐蚀。18-8Ti和18-8Nb钢，最好控制WcFe2+ + 2e 还原（阴极）反应： 2H+ +2e H2 Fe3+e

17、Fe2+ , 两个反应在不锈钢表面同时发生，且速度相同，保持着电荷守恒。凡可分成两个或更多个氧化、还原分反应的腐蚀过程，都可叫做电化学反应。钢铁、铝等在酸中的腐蚀反应均属于电化学反应。如腐蚀电池的阳极反应可写成通式： MeMen+ + ne每个反应中单个原子产生的电子数（n）等于元素的价数。腐蚀原电池的阴极反应可写成通式： D+neDne2.5.3实验药品与设备（1）实验设备：LK9805-电化学分析仪、烧杯、天平、玻璃棒、砂轮机、砝码、量筒（2）实验药品：FeCl3、浓HCl、NaCl、酒精、丙酮、砂纸（3）腐蚀液配方：30gFeCl3 +15gNaCl +7.5ml浓HCl +600mlH

18、2O2.5.4实验试样制备从焊接电流分别为35A、70A、80A，焊接接头为角焊缝的样板上截取20mm20mm20mm六块试样，然后用砂轮机进行粗磨，再用砂纸将其中电流不同的三块试样的焊缝磨光，再将剩下的三块试样用砂纸将HAZ区磨光。然后用水冲洗，在用酒精冲洗，最后用丙酮去表面油污。然后将做好的每一个试样钻个孔，再将六个试样用铜丝拧紧，最后在前三个试样的焊缝处留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好，在将后三个试样的HAZ区留出100mm2面积并其他面积用指甲油封闭好。同样焊接接头为平焊缝试样制备亦如此。2.5.5 实验过程电化学试验采用常规的三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为Pn 电极,电解质为100ml的30gFeCl3 +15g NaCl +7.5m浓lHCl+600mlH2O腐蚀液室温(20 )测量。采用电化学腐蚀设备LK9805-电化学分析仪,以50 mV/ min 的扫描速率; 电位范围从-3mV 到+ 3mV ,测示电流的变化;并进行电流、电位的数据采集,然后通过数据处理得到电流与电位变化的Tafel 曲线。（装置如图2-6）图2-6 恒电流法测量极化曲线的装置示意图1- 待测电极；2-辅助电极；3-直流电源；4-可变电阻；5-换向开关6-电流表