304奥氏体不锈钢管焊接接头出现开裂，究竟是何原因所致？

2021-07-07 16:04:09 作者：曹龙韬来源：理化检验物理分册分享至：

在常温下奥氏体不锈钢的显微组织为稳定的奥氏体组织，整体无磁性，具有高韧性、高塑性和良好的耐腐蚀性能，广泛应用于核电站设备、管道及支撑结构中。与其他类型的不锈钢相比，奥氏体不锈钢不发生相变，对氢不敏感，更容易焊接，且焊接接头在焊态下有较好的塑性和韧性。焊接接头的显微组织和力学性能直接影响整个焊接件的力学性能，但奥氏体不锈钢的焊缝处容易产生热裂纹和晶间腐蚀。

晶间腐蚀是一种沿金属晶粒间分界面向内部扩展的腐蚀，产生的原因主要是晶粒表面的化学成分和内部的有差异，以及存在晶界杂质或内应力。晶间腐蚀会降低晶粒间的结合力，进而大幅度降低金属的强度，而发生晶间腐蚀材料的外表面几乎不发生任何变化。由于晶粒间的结合力显著降低，使材料的力学性能降低，若受到内、外应力作用，轻者稍经弯曲便可产生裂纹，重者敲击即可碎成粉末，所以晶间腐蚀是不锈钢最危险的一种破坏形式。此外，晶间腐蚀不易被检测出来，给设备的使用带来安全隐患，危险性极大。

某开裂304不锈钢管为自来水进水管，管内水温为常温，在室外大气环境下使用，管径？20mm，壁厚3mm，管采用非熔化极惰性气体保护（TIG）焊进行焊接，为找到该不锈钢管焊接接头的开裂原因，来自中车株洲电力机车有限公司的曹龙韬、龚兰芳和陈智江三位研究人员从化学成分、断口形貌和显微组织等方面进行了分析，并提出了具有针对性的改进措施，以期为相关从业人员提供帮助。

理化检验

1.1 宏观分析

对开裂不锈钢管接头进行观察，其宏观形貌如图1所示，将靠近连接阀门的一侧不锈钢管标记为1，将另一侧不锈钢管标记为2，开裂位置如图1圈出所示。可见开裂位置在不锈钢管1一侧，靠近焊缝热影响区。

图1 开裂不锈钢管宏观形貌

不锈钢管1侧断口宏观形貌如图2所示，可见断口粗糙且锈蚀严重，无明显塑性变形，整体呈脆性断裂特征。

图2 不锈钢管1侧断口宏观形貌

1.2 扫描电镜及能谱分析

将不锈钢管1侧断口经超声波清洗后置于钨灯丝扫描电镜（SEM）下观察，其SEM形貌如图3和图4所示，可见断口大部分区域呈冰糖状沿晶断裂形貌，且晶粒表面有大量的颗粒状腐蚀产物。

图3 不锈钢管1侧的断口沿晶断裂形貌

图4 不锈钢管1侧断口的腐蚀产物形貌

分别对不锈钢管1侧断口的管内侧和外侧进行观察，SEM形貌如图5和图6所示，可见管内侧腐蚀产物数量更多，腐蚀程度更严重，因此判断腐蚀是从管内侧开始的。

图5 不锈钢管1侧断口管内侧SEM形貌

图6 不锈钢管1侧断口管外侧SEM形貌

用X射线能谱仪对不锈钢管1侧断口进行微区成分分析，晶粒上的颗粒状腐蚀产物能谱分析结果如表1所示，可见主要含铁、氧、碳等元素。

表1 不锈钢管1侧断口腐蚀产物能谱分析结果（质量分数%）

1.3 化学成分分析

在不锈钢管1和2上分别取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析，可知不锈钢管1的化学成分不符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》对304不锈钢的技术要求，不锈钢管2的化学成分也基本符合标准的要求。

1.4 金相检验

在不锈钢管1侧断口位置纵剖面取样，取样位置如图1所示，试样经镶嵌、磨抛后置于光学显微镜下进行观察，显微组织形貌如图7和图8所示。由图7可知，裂纹沿奥氏体晶界扩展，局部奥氏体发生了晶间分离，靠近断口区域有明显的晶间腐蚀现象；由图8可知发生了部分晶粒溶解。

图7 靠近断口的晶间腐蚀及二次裂纹形貌

图8 靠近断口的晶粒溶解形貌

将金相试样经三氯化铁盐酸水溶液浸蚀后进行观察，远离断口处的显微组织形貌如图9所示，可见不锈钢管1的显微组织为奥氏体，根据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》的技术要求对其进行评定，可知其晶粒度为6.5级。

图9 不锈钢管1远离断口处的显微组织形貌

分析与讨论

由以上理化检验结果可知，施工方选用的不锈钢管1的化学成分与设计图纸不符，碳含量高，铬和镍含量低。在不锈钢中镍可以改变不锈钢的晶体结构，因此被称为奥氏体形成元素，不锈钢中增加镍元素可显著提高不锈钢的耐腐蚀性能、塑性、焊接性能等，此外，镍还能扩大不锈钢在非氧化介质中的钝化范围，有效提高不锈钢的钝化能力。其次，不锈钢管1中铬元素的质量分数为12.30%，对于奥氏体不锈钢而言，具有较高耐腐蚀性能的必要条件是铬的质量分数必须大于12%（一般不低于17%），当铬的质量分数小于12%的临界值时，材料就会失去耐腐蚀性能，在腐蚀介质的作用下，晶界贫铬区易发生晶间腐蚀。最后，不锈钢管1的碳元素质量分数为0.20%，随着不锈钢中碳含量增加，在晶界生成的碳化铬也增多，使得晶界形成贫铬区的机会增大，产生晶间腐蚀的倾向提高，所以碳为产生晶间腐蚀的主要元素，一般不锈钢将碳的质量分数控制在0.08%以下。综合以上3点可知，不锈钢管1的化学成分不符合要求，使得钢管的耐腐蚀性和可焊性大幅度降低，是奥氏体不锈钢管发生晶间腐蚀的主要原因。

在钢管焊接过程中，当不锈钢管热影响区温度处于450~850℃（晶间腐蚀的危险温度区）时，碳在奥氏体中的扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速度，当奥氏体不锈钢中碳质量分数超过0.02%~0.03%时，多余的碳会不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并与铬元素化合形成铬化物（Cr23C6），由于晶内铬原子的扩散速度比碳原子的小，铬原子来不及向晶界扩散，导致晶界附近铬含量大幅度降低，形成贫铬区，降低了耐腐蚀性能，进而引发晶间腐蚀。

不锈钢钢管在使用过程中，流过的循环自来水提供了氯离子腐蚀环境，加速了裂纹的扩展，与断口SEM分析中管内侧腐蚀更加严重的特征吻合。

综上所述，不锈钢钢管1材料不符合要求，焊接过程中热影响区发生敏化，导致耐腐蚀性能显著下降，进而引发晶间腐蚀，自来水提供的氯离子腐蚀环境加速了裂纹的扩展，最终导致不锈钢焊接接头附近开裂失效。

结论及建议

（1）不锈钢管的开裂性质为晶间腐蚀导致的沿晶断裂，断裂位置为不锈钢管1的焊接热影响区。

（2）主要原因是不锈钢管1的化学成分不符合要求，碳含量过高，铬和镍含量偏低，不锈钢管焊接过程中，当热影响区温度处于450~850℃的晶间腐蚀危险温度区时发生了焊接敏化现象，在晶界处形成贫铬区，降低了接头的耐腐蚀性能，进而产生裂纹。自来水提供的氯离子腐蚀环境促使了裂纹的扩展。

针对不锈钢管的开裂原因提出以下几点建议。

（1）加强对进厂不锈钢管的来料检验，确保化学成分、力学性能、显微组织等符合标准的要求。

（2）对进厂的合格材料进行产品标识，做好记录，防止材料因标识不清而误用。

（3）考虑到不锈钢管在焊接的过程中若在450~850℃下停留时间过长，有可能产生敏化现象，建议在焊接工艺上采用小电流、高焊速等方法，以缩短焊接接头在晶间腐蚀危险温度区停留的时间；同时在焊接后进行稳定化热处理，使得奥氏体中的铬原子扩散到晶界处，提高晶界处的铬含量，避免产生晶间腐蚀。

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