分享：304奥氏体不锈钢护栏断裂失效分析

摘 要:某教学楼阳台３０４奥氏体不锈钢护栏发生断裂失效.采用宏观检查、化学成分分析、金 相检验、扫描电镜及能谱分析等对护栏断裂原因进行了分析.结果表明:３０４奥氏体不锈钢护栏母 材显微组织中存在大量非金属夹杂物,焊接接头存在的未焊透现象降低了接头强度;母材碳含量较 高,在焊接热循环作用下,活动能力强的碳原子与铬化合形成碳化物析出,使热影响区晶界贫铬,形 成“敏化”,增加了材料的晶间腐蚀倾向,降低了焊接接头的强度,最终导致护栏断裂失效. 

关键词:奥氏体不锈钢;护栏;晶间腐蚀;断裂 

中图分类号:TG４５７．１１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８００Ｇ０４

奥氏体不锈钢因具有良好的焊接性、耐蚀性、塑 性和耐高温性能,得到了广泛应用.某小学在日常检 查中发现教学楼阳台３０４奥氏体不锈钢护栏出现断 裂情况,为找出护栏断裂失效的原因,笔者对其进行 了检验与分析,并提出了预防措施. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观检查 

宏观检查发现,断裂处位于不锈钢护栏横管焊接 接头处,在热影响区附近,断口处无塑性变形,接头焊 缝表面粗糙且凹凸不平,有氧化色,如图１所示.

１．２ 化学成分分析 

在断裂的不锈钢护栏横管上取样,按照 GB/T １１１７０－２００８«不锈钢多元素含量的测定 火花放电 原子发射光谱法(常规法)»采用 MAXXLMF０６型 直读光谱仪进行化学成分分析.由表１可以看出, 不锈钢护栏横管的化学成分中除了碳元素含量超出 GB/T２０８７８－２００７«不锈钢和耐热钢 牌号及化学 成分»的规定值及镍元素含量略低于标准要求外,其 他化学成分均符合该标准的要求.

１．３ 金相检验 

根据 GB/T１３２９８－２０１５«金属显微组织检验 方法»的要求,从横管上远离断口的位置(母材)及横 管的断口上分别沿轴向截取试样.试样经镶嵌、研 磨和抛光后,用 GX５１型光学显微镜观察显微组织, 可见不锈钢护栏横管母材及断口处均存在大量非金 属夹 杂 物,见 图 ２ 和 图 ３.将 试 样 经 体 积 分 数 为 １０％的草酸溶液浸蚀后观察显微组织,可见不锈钢 护栏横管母材的组织为奥氏体＋铁素体[１],见图４; 焊接接头(断口)中存在未焊透的焊接缺陷,见图５; 焊接接头热影响区晶粒粗大,晶界变黑、变粗,断口 处有晶粒脱落(晶间腐蚀)现象,见图６. 

１．４ 扫描电镜及能谱分析 

采用６６１０LA 型扫描电镜分别对不锈钢护 栏 横管的母材和断口进行形貌观察.可见断口热影响区的组织较粗大,晶界存在凹坑,推测是晶界的 析出相脱落所致,见图７.图８~１０为母材组织中 存在的夹杂 物 形 貌,分 别 对 各 夹 杂 物 进 行 能 谱 分 析,结果如 表 ２ 所 示,可 见 夹 杂 物 包 含 了 氧 化 铝、 硫化物和 硅 酸 盐 夹 杂 物.图 １１ 为 因 夹 杂 物 存 在引起的微裂纹形貌.

２ 分析与讨论 

不锈钢护栏横管断裂处焊接接头表面粗糙且可 见氧化色,说明焊接热输入过大.材料中含有大量 非金属夹杂物,根据 GB/T１０５６１－２０１７«钢中非金 属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法»对其 评级,级别评定为 B类细系大于２．５级,DS类大于 ３级,DS类高于标准规定的最高级别.非金属夹杂 物的存在易破坏金属基体的均匀性和连续性,造成 局部应力集中,促使微裂纹的产生,并在一定条件下 加速裂纹的扩展,造成材料的早期破坏.焊缝金属 与母材间存在有未焊透的情况,在未焊透的端部和 缺口处易产生应力集中,在外力作用下将导致材料 开裂. 

由对不锈钢护栏横管的化学成分分析结果可 知,碳元素含量远超出 GB/T２０８７８－２００７的要求. 当奥氏体不锈钢组织中的碳含量大于其在室温下的 溶解度(０．０２％)时,碳元素会向晶界扩散,在晶界附 近与铬元素结合形成铬的碳化物,而碳元素在奥氏 体中的扩散速度远大于铬元素的,晶界附近铬元素 得不到补充,造成奥氏体晶界“贫铬”,晶粒边界区域 “贫铬”是造成奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的主要原 因[２].结合金相检验结果可知,断口附近出现晶间 腐蚀的特征.晶界变粗、变黑,部分区域晶界完全浸 蚀溶解,晶粒脱落,热影响区发生“敏化”导致晶间腐 蚀,而焊接热循环是造成敏化的直接原因[３].由于焊接过程中热输入过大,在护栏的热影响区中富铬 相沿晶粒边界析出,由此产生了沿晶界的贫铬区,晶 粒内部与晶界两侧铬元素含量不同,构成浓差原电 池,这就降低了热影响区组织的局部耐腐蚀性,导致 其极易被侵蚀[４Ｇ５].富铬相脱落后,在晶界上留下凹 槽,促使整个晶界腐蚀速度加快,最终造成护栏从该 区域断裂.

３ 结论及建议 

３０４奥氏体不锈钢护栏母材显微组织中存在大 量非金属夹杂物,非金属夹杂物在焊缝内及熔合线 附近引起微裂纹,降低了焊接强度.部分区域焊缝 金属与母材间未焊透,在未焊透的端部和缺口处易 产生应力集中,外力作用下导致裂纹产生.护栏母 材碳含量较高,超出饱和溶解度的碳呈不稳定状态, 在焊接热循环作用下,活动能力强的碳原子与铬化 合形成碳化物析出,使热影响区晶界贫铬,形成“敏 化”,增加了材料的晶间腐蚀倾向,降低了焊接接头 的强度,腐蚀最严重区域晶粒间的结合强度几乎完 全丧失,并最终造成护栏从该处断裂. 

晶间腐蚀是不锈钢焊件所有腐蚀方式中最严重 的一种.由于焊接是一个快速加热、冷却的过程,铬 的碳化物沉淀析出需要较大的过热度,因此热影响 区的 敏 化 温 度 范 围 高 于 常 规 (４５０~８５０ ℃),在 ６００~１０００ ℃.为了避免母材晶间腐蚀的发生,一 般可以从以下两方面进行改进:

(１)材料方面:从合金元素入手,一方面可以选 择碳含量较低的母材.对于奥氏体不锈钢,碳含量 是决定焊接接头是否产生晶间腐蚀的重要影响因 素,选择低 碳 (质 量 分 数 不 大 于 ０．０８％)或 超 低 碳 (质量分数不大于０．０３％)的不锈钢母材及焊材,能有效减少接头组织中铬的碳化物析出;另一方面可 以加入镍或钛稳定母材金属,因为镍或钛与碳的亲 和力比铬的要强,优先形成 NbC,TiC;从母材组织 入手,使组织中存在少量δ铁素体,且均匀分布在奥 氏体晶界时,Cr２３C６ 优先在δＧγ界面析出(碳、氮原 子在铁素体中比在奥氏体中扩散快);减少了碳化物 在奥氏体晶界沉淀的可能性,避免形成连续的贫铬 区域[６],提高材料抵抗晶间腐蚀的能力. 

(２)工艺方面:焊接热输入过大将增加奥氏体 不锈钢的腐蚀倾向,采用小电流、高焊速的方法能减 少焊接线能量;另外应设法加快焊件冷却速度,可采 取焊件下垫铜板、焊件背面直接水冷等方式,避免母 材热影响区在敏化区间停留时间过长,提高焊接接 头耐腐蚀能力.对于不锈钢薄壁管,建议采用钨极 氩弧焊(TIG)焊接.相对于其他常用的焊接方式, TIG 焊热输入小,管内的氩气流除作为保护气体外 还有一定的冷却作用,能有效提高焊缝的抗裂能力. 

参考文献: [１] 李炯辉．金属材料金相图谱[M]．北京:机械工业出版 社,２００６:９３３． [２] 张婧,李海新,殷子强,等．焊接接头的腐蚀研究进展 [J]．腐蚀科学与防护技术,２０１８,３０(６):６６１Ｇ６７０． [３] LIPPOLDJC,KOTECKIDJ．不锈钢焊接冶金学及 焊接性 [M]．陈 剑 虹,译．北 京:机 械 工 业 出 版 社, ２００８:１８５Ｇ１８７． [４] 麻春英．奥氏体不锈钢的焊接缺陷分析及防治措施 [J]．热加工工艺,２０１５,４４(１７):２４３Ｇ２４６． [５] 刘政军,徐德昆．不锈钢焊接及质量控制[M]．北京: 化学工业出版社,２００８:１３１Ｇ１３２． [６] 农琪,邓开豪,赵永东,等．奥氏体不锈钢焊接接头晶 间腐蚀性能的研究[J]．轻工科技,２０１３,３０(９):２５Ｇ２６．