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不銹鋼硫酸—硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比解析

2019-06-06 16:03:47 作者：張艷來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

目前常用的腐蝕評(píng)定方法中，硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法應(yīng)用廣泛，且自帶合格驗(yàn)收指標(biāo)，即可通過(guò)試樣自身彎曲后有無(wú)晶間裂紋產(chǎn)生而直觀地判定材料的耐晶間腐蝕性能是否合格。雖然有一些研究者們指出了其中存在的一些問(wèn)題，但直至目前，硫酸-硫酸銅法依然是應(yīng)用最多的晶間腐蝕試驗(yàn)方法。

今天，本文將以GB/T 4334-2008標(biāo)準(zhǔn)為主線，總結(jié)對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該試驗(yàn)方法要求的差異，以供相關(guān)人員在進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)時(shí)參考。

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)的要求

1 試樣制備

國(guó)內(nèi)外不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣制備的要求如表1所示。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣制備的要求對(duì)比

由表1可知，對(duì)于試樣的取樣及制備，國(guó)標(biāo)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相同，GB/T 4334規(guī)定最為詳細(xì)也最為復(fù)雜。

首先，關(guān)于試樣尺寸：由于試驗(yàn)過(guò)程中溶液量與試樣的表面積是成比例要求的，試樣的長(zhǎng)度和寬度在晶間腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中并不起主導(dǎo)作用，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也未見顯著影響，而試樣的厚度則會(huì)影響后續(xù)彎曲過(guò)程中材料的延伸率，因此試樣厚度的選取對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定可能會(huì)有一定的影響，后文會(huì)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。

其次，關(guān)于試樣數(shù)量：國(guó)標(biāo)要求試樣數(shù)量最多，厚度T≤3mm時(shí)，試樣數(shù)量一般為2個(gè)，厚度T>3mm時(shí)，試樣數(shù)量一般為4個(gè)，采用彎曲法進(jìn)行評(píng)定，每個(gè)規(guī)格試樣還需增加一個(gè)空白對(duì)比試樣；RCC-M要求每一晶間腐蝕試驗(yàn)至少要加工2個(gè)試樣，其中1個(gè)用作對(duì)比試樣；ASTM A262和ISO 3651-2對(duì)試驗(yàn)的平行試樣個(gè)數(shù)沒有明確的規(guī)定，甚至未提及對(duì)比試樣，這就要求我們?cè)诒匾獣r(shí)需要參照其他標(biāo)準(zhǔn)制備對(duì)比試樣。

另外，關(guān)于晶間腐蝕試樣的表面粗糙度，國(guó)標(biāo)要求晶間腐蝕試樣的表面粗糙度Ra不大于0.8μm；而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求晶間腐蝕試樣表面采用120號(hào)砂紙打磨（根據(jù)實(shí)際測(cè)量，其表面粗糙度Ra約為15μm），要求彎曲試樣的凸面為試樣的原始表面。可見國(guó)標(biāo)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于試樣表面粗糙度的要求不盡相同，現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣表面粗糙度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響并不明顯。

2 敏化處理

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超低碳和穩(wěn)定化不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)敏化處理制度的規(guī)定如表2所示。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)晶間腐蝕試驗(yàn)敏化處理制度的規(guī)定

由表2可知，對(duì)于超低碳和穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼的敏化處理制度中，國(guó)標(biāo)的敏化處理時(shí)間為2h，是各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中敏化處理時(shí)間最長(zhǎng)？最嚴(yán)苛的。

再者，關(guān)于試樣敏化處理的冷卻方式，國(guó)標(biāo)要求采用空冷，而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求采用水冷。

鑒于試樣體積一般較小，水冷、空冷的結(jié)果相差不大；現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果也表明，對(duì)于小試樣水冷及空冷兩種不同冷卻方式對(duì)晶間腐蝕試驗(yàn)最終結(jié)果的影響并不明顯。

綜上，針對(duì)超低碳和穩(wěn)定化不銹鋼的敏化處理，各標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定尚不完全一致，試驗(yàn)人員可在遵照特定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)適當(dāng)參照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在和技術(shù)人員充分溝通后，明確具體的操作規(guī)程（如加熱時(shí)間、保溫溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式等），并嚴(yán)格執(zhí)行。

3 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于不銹鋼硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)的過(guò)程，國(guó)標(biāo)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的要求基本相同，區(qū)別主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)：第一，試驗(yàn)過(guò)程中是否需要加入銅屑；第二，試驗(yàn)時(shí)間各不相同。銅屑的加入，主要是改變不銹鋼試樣在溶液中的腐蝕電位，酸性硫酸銅溶液中不銹鋼的電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）在+0.3~+0.58V，處于活化-鈍化的交界區(qū)域；當(dāng)加入銅屑后，試驗(yàn)過(guò)程中銅屑與不銹鋼接觸，不銹鋼試樣的電位與銅的電位相同，約為+0.3V，在此電位下，貧鉻區(qū)更容易被硫酸-硫酸銅腐蝕，晶間腐蝕的穿透速度增大，因此可以大大縮短試驗(yàn)時(shí)間。目前只有RCC-M還保留采用不加銅屑的硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為72h，當(dāng)然RCC-M并非不允許加入銅屑，加入銅屑后試驗(yàn)時(shí)間縮短為24h；其他標(biāo)準(zhǔn)目前基本都采用添加銅屑的銅-硫酸-硫酸銅溶液。奧氏體不銹鋼？雙相不銹鋼的晶間腐蝕試驗(yàn)采用銅-硫酸銅-16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硫酸溶液，試驗(yàn)時(shí)間15~72h不等（國(guó)標(biāo)要求為16h），委托方可以根據(jù)技術(shù)條件選擇確定具體的試驗(yàn)時(shí)間。

4 結(jié)果評(píng)定

采用銅-硫酸-硫酸銅法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果評(píng)定的方法有兩種：一為彎曲法；二為金相法。關(guān)于金相法一般采用允許的晶間腐蝕深度作為合格指標(biāo)，目前國(guó)標(biāo)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此都沒有明確規(guī)定，需要供需雙方協(xié)商或者由技術(shù)條件確定。GB/T 4334.5-1990《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》中曾規(guī)定，晶間腐蝕深度不得超過(guò)5mm，但GB/T 4334.5-2000《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》中將此要求取消了，考慮到不同材料的不同工況，這種變動(dòng)給供需雙方帶來(lái)了一個(gè)可以靈活掌握的空間。

關(guān)于彎曲法，如果試驗(yàn)后，試樣沒有產(chǎn)生明顯的晶間腐蝕，材料仍保持較高的塑性，彎曲后不會(huì)發(fā)生開裂；如腐蝕試驗(yàn)后產(chǎn)生了晶間腐蝕，晶粒之間的連接被破壞，材料基本上喪失了塑性，試樣在彎曲時(shí)外表面承受拉應(yīng)力，已發(fā)生晶間腐蝕的試樣會(huì)在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。彎曲直徑與試樣厚度對(duì)彎曲結(jié)果存在著一定的影響，試樣彎曲時(shí)外側(cè)的變形如圖1所示，假設(shè)試樣彎曲時(shí)的變形是均勻變形，且中性層位于板厚中間，塑性變形后，試樣受拉面延伸率的計(jì)算公式為

圖1 試樣彎曲過(guò)程中各部位的變形情況

式中：δ為延伸率；

和

分別為試樣彎曲部分外側(cè)弧長(zhǎng)和中性層弧長(zhǎng)；θ為彎曲角度；T為試樣厚度；R為壓頭半徑；D為壓頭直徑。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲參數(shù)的規(guī)定

由表3可知：ASTM A262對(duì)于薄板的延伸率要求較高（板厚T<4.76mm時(shí)，延伸率A=50%），而對(duì)于厚板的要求則較低（板厚T≥4.76mm時(shí)，延伸率A=20%）；ISO 3651-2和RCC-M因?yàn)樵嚇訌澢睆捷^大（Φ=2T），對(duì)材料的延伸率要求相對(duì)較低（A=33.3%），原材料容易滿足，且對(duì)材料延伸率要求不隨試件厚度的變化而變化。

按照GB/T 4334的要求，化工常用不銹鋼材料的延伸率至少要在37.5%（T≥3mm）以上，根據(jù)GB/T 24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》規(guī)定，不銹鋼板的延伸率不小于40%，所以不銹鋼板容易通過(guò)檢驗(yàn)；而焊材的延伸率相對(duì)較低，根據(jù)GB/T 983-2012《不銹鋼焊條》的規(guī)定，大部分焊材熔敷金屬的延伸率為25%~30%；因此就原材料和焊接接頭而言，原材料通過(guò)率較高，而焊接接頭試樣容易造成晶間腐蝕的誤判，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，焊接接頭試樣在彎曲過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生開裂。然而，晶間腐蝕試驗(yàn)后的彎曲不是為了考核材料本身的塑性，而是為了確定材料是否發(fā)生了晶間腐蝕，如果材料沒有發(fā)生晶間腐蝕或晶間腐蝕深度很淺，那么從試驗(yàn)本身來(lái)看，該材料應(yīng)該通過(guò)晶間腐蝕試驗(yàn)。因此，對(duì)彎曲參數(shù)的選擇，還要考慮材料本身的因素，彎曲直徑為4倍試樣厚度（Φ=4T）時(shí)，彎曲過(guò)程中要求材料的延伸率達(dá)到20%，既兼顧了焊縫金屬延伸率相對(duì)較低的特性，也考慮到發(fā)生了晶間腐蝕的材料在彎曲過(guò)程中應(yīng)被撕裂的要求。

綜上而言，對(duì)于硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試樣，彎曲角度為180°？彎曲直徑為4倍試樣厚度是較為合適的彎曲參數(shù)。

需要注意的是，彎曲試樣的開裂，并不一定代表試樣耐晶間腐蝕性能不合格。此時(shí)可采用空白試樣進(jìn)行對(duì)比彎曲，或者用金相法進(jìn)行分析，通過(guò)觀察裂紋擴(kuò)展路徑來(lái)判定試樣開裂是由于塑性變形過(guò)大造成的穿晶斷裂還是由于晶間腐蝕造成的沿晶斷裂。對(duì)于焊接接頭的彎曲試樣，普通的光學(xué)金相因?yàn)殡y以區(qū)分晶界，掃描電鏡金相是較為合適的選擇，晶間腐蝕裂紋為沿晶的脆性斷口裂紋，塑性不足產(chǎn)生的裂紋斷口呈典型的韌窩形貌。

關(guān)于試樣的彎曲方式，國(guó)標(biāo)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)也略有區(qū)別：國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)只要求將被檢驗(yàn)面（與腐蝕介質(zhì)接觸的表面）彎曲90°~180°即可。對(duì)于非焊接接頭的薄板試樣，國(guó)標(biāo)要求每個(gè)試樣均彎曲兩個(gè)檢驗(yàn)面，即試樣需要被彎成“Z”字形，如圖2所示。而實(shí)際操作過(guò)程中“Z”字形并不易彎曲成形，尤其還需要保證彎曲半徑。其實(shí)，若需要檢驗(yàn)試樣的兩個(gè)被檢驗(yàn)面只需增加一倍試樣數(shù)量即可，每個(gè)試樣只彎曲一個(gè)檢驗(yàn)面，這將極大地降低后續(xù)彎曲的復(fù)雜程度。