浙江至德鋼業(yè)有限公司在對核級奧氏體不銹鋼管焊接接頭性能分析過程中，發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕試驗不合格，且發(fā)生晶間腐蝕開裂的位置為母材，通過分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致母材晶間腐蝕不合格的原因可能是由于不合理的元素成分（過高的錳含量和過低的鎳含量）和不合理的熱處理制度導(dǎo)致了母材在敏化后微觀組織為奧氏體＋δ鐵素體＋σ相，從而使得晶間敏化時貧鉻更嚴(yán)重，同時針對該種情況給出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
18-8型奧氏體不銹鋼因其具有較高的強度、塑形和良好的耐腐蝕性能在核電站中廣泛應(yīng)用，其中包括某些設(shè)備的重要部件以及需承擔(dān)耐高溫、耐腐蝕等而惡劣環(huán)境的重要系統(tǒng)管道。重要部件及管道用奧氏體不銹鋼在使用過程中需要復(fù)驗，同時在焊接過程中還需要對焊接接頭進行焊接工藝評定，其中就包括進行晶間腐蝕試驗。由于晶間腐蝕對于奧氏體不銹鋼的應(yīng)用影響很大，且其發(fā)生過程不易覺察，所以奧氏體不銹鋼晶間腐蝕現(xiàn)象受到了廣泛關(guān)注。
至德鋼業(yè)針對某一核級奧氏體不銹鋼管在焊接實施前焊接工藝評定不合格問題，進行了包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能、微觀組織、耐腐蝕性能等方面的試驗，分析了造成工藝評定不合格的原因主要為晶間腐蝕試驗不合格，并對造成晶間腐蝕試驗不合格的原因進行了分析，并提出了避免該種問題出現(xiàn)的相關(guān)措施，從而為核級奧氏體不銹鋼在核電站中的廣泛應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
一、焊接接頭的制備與試驗方法
1. 焊接接頭的制備
母材為Z2CN18.10，規(guī)格為Φ21.3mm×3.37mm，填充焊絲為ER316L，規(guī)格為Φ2.0，焊接工藝為惰性氣體保護鎢極電弧焊（TIG）。對焊接接頭進行無損檢測，包括目視檢測、滲透檢測和射線檢測，結(jié)果表明焊接接頭的表面缺陷及內(nèi)部缺陷在采購規(guī)定的要求范圍之內(nèi)。
2. 試驗方法及試驗結(jié)果
為了檢驗焊接接頭是否滿足要求，從焊接接頭上分別取樣進行化學(xué)成分分析、橫向拉伸、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕等試驗項目，具體要求如下。
a. 化學(xué)成分
按照GB/T 20066-2001的規(guī)定從焊接接頭上截取試樣，試驗方法按照GB/T 11170-2008的要求在M5000直讀光譜儀進行。化學(xué)成分分析結(jié)果如表所示，從表中可以看出測量值符合規(guī)范要求，同時雜質(zhì)元素銅、硼、氮、磷、硫等含量較低，這可以保證焊接質(zhì)量的可靠性；另外其中還含有微量的穩(wěn)定化元素鈮，元素鈮的存在是為了形成碳化物，從而降低基體中的碳含量，從而對于提高材料的抗晶間腐蝕能力有益；另外根據(jù)Delong圖計算得到δ鐵素體含量約為6％，符合規(guī)范要求的鐵素體含量在5～15％的要求。焊接接頭中一定量鐵素體的存在，是為了提高焊接接頭在凝固過程中的強度，從而避免凝固收縮形成的張力將焊縫撕裂。
b. 橫向拉伸
按照GB/T 2651-2008的規(guī)定截取管接頭板狀試樣，其中試樣平行長度部分的寬度為6mm，試驗設(shè)備均為WAW-300液壓萬能試驗機。拉伸試驗結(jié)果表明焊接接頭的抗拉強度Rm為575MPa，滿足規(guī)范要求的不低于490MPa的要求，同時斷裂位置在焊縫以外區(qū)域，這說明焊接接頭強度優(yōu)于母材強度。
c. 彎曲
根據(jù)GB/T 2653-2008的規(guī)定，截取橫向彎曲試樣，其中試樣厚度為鋼管厚度（3.37mm），試樣的寬度為8mm，試樣的長度為100mm，且焊縫處于試樣的中間位置，試驗設(shè)備為WAW-300液壓萬能試驗機。截取4個橫向彎曲試樣，其中2個進行面彎試驗，2個進行背彎試驗，彎曲過程所采用的圓形壓頭直徑為15mm，彎曲角度為180°，試驗結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有裂紋或其他缺陷產(chǎn)生。
d. 微觀組織
從焊接接頭上截取長度為30mm的管段，沿縱截面監(jiān)測焊縫和焊縫附近區(qū)域的微觀組織，侵蝕劑為300mL HCl＋500gFeCl 3＋700mlH2O，侵蝕時間2秒，然后在CMM-40E金相顯微鏡上觀察不同區(qū)域的微觀組織。
焊縫處的微觀組織如圖所示，可以看出存在明顯的兩種組織，根據(jù)表中的化學(xué)成分分析及Delong圖計算結(jié)果可知，該組織主要為奧氏體的基體和沿奧氏體基體分布的枝狀鐵素體，由于該鐵素體為直接從液相中析出，可以判斷出為δ鐵素體，據(jù)此可以判斷得出焊縫處的組織為鑄態(tài)的奧氏體＋δ鐵素體。
焊縫附近熱影響區(qū)的組織如圖所示，可以看出該區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和焊縫的鑄態(tài)組織明顯不同，出現(xiàn)了經(jīng)加工和熱處理后由于材料發(fā)生再結(jié)晶而存在的明顯晶界，同時晶內(nèi)出現(xiàn)了異與基體的其他組織，且存在一定數(shù)量的孿晶。
另外，母材區(qū)域的微觀組織如圖所示，根據(jù)張文華的研究，鉻－鎳型奧氏體不銹鋼在1100～1300℃固溶處理過程后，其δ鐵素體含量隨著固溶溫度的升高而增加，根據(jù)F-2A型鐵素體儀測母材的微觀組織中除了奧氏體基體外，還包括7.3％的鐵素體，據(jù)此推測此鐵素體應(yīng)為δ鐵素體；除δ鐵素體，還可以觀測得知在部分晶界存在碳化物析出；同時對δ鐵素體析出區(qū)域放大倍數(shù)進一步進行觀察，如圖所示，可以看出在條形δ鐵素體周圍存在其它塊狀析出相，利用平衡相圖計算結(jié)果及相關(guān)研究，可分析得知該析出相為σ相。
e. 晶間腐蝕
晶間腐蝕試驗按照GB／T4334.5-2000的規(guī)定進行，試樣長度為100mm，寬為20mm的厚度為管材壁厚的條形試樣；晶間腐蝕前應(yīng)對試樣進行敏化，敏化溫度為650℃，敏化保溫時間為2小時，保溫后在空氣中冷卻；晶界腐蝕試驗的腐蝕介質(zhì)是按照該標(biāo)準(zhǔn)要求配置的硫酸－硫酸銅溶液；試驗完成后，取出試樣，洗凈、干燥、并進行聲響試驗和彎曲試驗，彎曲角度為180°。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靠近焊縫熱影響區(qū)的母材區(qū)域存在裂紋，而焊縫區(qū)域無裂紋，這表明母材的晶間腐蝕結(jié)果不合格。
f. 母材性能
根據(jù)母材的質(zhì)量證明文件，可知母材的化學(xué)成分，具體如表所示。根據(jù)表的結(jié)果可以看出，錳含量接近上限，鎳含量接近下限，且根據(jù)Delong圖計算得到母材中的δ鐵素體含量約為8％。同時，母材的拉伸性能結(jié)果表明其室溫抗拉強度為575MPa，滿足采購技術(shù)規(guī)格書中不低于490MPa的要求；屈服強度為260MPa，滿足采購技術(shù)規(guī)格書中不低于175MPa的要求。
二、分析討論
根據(jù)對焊接接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕試驗的結(jié)果，可以看出該焊接接頭是不符合要求的，主要原因是由于母材區(qū)域在晶間腐蝕試驗過程中的彎曲檢測中出現(xiàn)開裂造成的。對于奧氏體不銹鋼而言，晶間腐蝕開裂的主要原因是因為不銹鋼在熱處理過程中發(fā)生了“敏化”，即沿晶界析出M23C6碳化物（其中的M主要指鉻和鐵），導(dǎo)致晶界附近貧鉻，同時遠離晶界基體中的鉻在短時間無法擴散到晶界，使得晶界附近的鉻含量低于材料發(fā)生腐蝕所要求的最低值，從而導(dǎo)致在腐蝕溶液中晶界位置優(yōu)先被侵蝕，最后導(dǎo)致材料失效。
研究表明，在奧氏體不銹鋼中一定含量的δ鐵體有助于提高合金的抗晶間腐蝕性能，這主要是由于δ鐵素體與奧氏體界面的界面能比奧氏體晶界的界面能低，使得M23C6碳化物優(yōu)先在δ鐵素體與奧氏體界面上析出；同時該相界面的存在相當(dāng)于增加了碳化物的析出區(qū)域面積，使得單位面積上的碳化物濃度降低，從而使得材料發(fā)生“敏化”晶界附近區(qū)域鉻含量也不至于過低，從而減少材料形成晶間腐蝕敏感性。另外，如果奧氏體不銹鋼中錳過高，鎳含量較低時則容易形成σ相。σ相是一種含有較高鉻含量的Cr-Fe金屬間化合物，當(dāng)其沿晶界析出時，同時將使晶界周圍形成貧鉻區(qū)，從而使得材料的晶間腐蝕更敏感。
根據(jù)對焊接接頭和母材的微觀組織分析，可以得知焊接接頭的最終組織為奧氏體基體＋δ鐵素體，且焊縫為鑄態(tài)組織，因此根據(jù)最終金相檢查的分析結(jié)果可以得知焊接接頭在焊接完成后沒有發(fā)生明顯的敏化；母材的微觀組織為奧氏體基體＋δ鐵素體＋σ相，同時在某些晶界部分發(fā)現(xiàn)有碳化物的析出；由于富鉻的σ相在靠近δ鐵素體區(qū)域析出，這將使得奧氏體基體中的鉻含量降低，另外某些晶界存在碳化物析出，這就使得晶界附近的貧鉻更為嚴(yán)重。根據(jù)化學(xué)成分結(jié)果可知焊縫區(qū)域的δ鐵素體含量要高于母材，同時焊縫的鑄態(tài)組織由于無明顯晶界也無明顯的敏化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭在敏化時未發(fā)生開裂；而母材由于即在基體中存在σ相析出，導(dǎo)致基體中的鉻含量降低，同時某些晶界存在碳化物的析出，導(dǎo)致晶界區(qū)域的貧鉻更為嚴(yán)重，最終使得母材在相同的腐蝕環(huán)境中發(fā)生晶間腐蝕開裂。
對于18/8型奧氏體不銹鋼，一般在交貨前均要求進行最終固溶熱處理，固溶熱處理溫度為1050～1150℃，保溫時間約為10min，該熱處理將會保證該類型奧氏體不銹鋼為奧氏體＋δ鐵素體組織，只不過由于δ鐵素體的含量很少，不易被覺察到因此一般被認為是單一的奧氏體基體組織。另外，當(dāng)18/8型奧氏體不銹鋼具有較高的錳和氮時，在500℃～900℃長時間加熱，則σ相形成傾向就會比較強烈。對于本文中出現(xiàn)的該種焊接接頭，由于在晶界試驗中需要對試樣進行敏化，而敏化過程溫度正處于σ相的析出溫度范圍，同時在母材中錳含量處于上限、鎳含量處于下限，從而對于σ相的形成較為有利。而對于焊接接頭，由于熔覆金屬的錳含量為1.60％，鎳含量為12.09％，相對于母材中的錳含量為1.904％，鎳含量為9.348％具有較低的錳和較高的鎳，且δ鐵素體也更少，從而導(dǎo)致了在相同的敏化條件下焊縫區(qū)域沒有σ相產(chǎn)生。另外，由于鉻是鐵素體形成元素，鎳是奧氏體形成元素，因此δ鐵素體中的鉻含量要明顯高于奧氏體中的鉻，則δ鐵素體中將更容易析出富鉻的σ相，這也與圖中的金相檢查結(jié)果相吻合。
綜上分析可知，由于母材中的錳含量較高、鎳含量較低，導(dǎo)致其在晶間腐蝕試驗的敏化過程中形成了奧氏體＋δ鐵素體＋σ相的微觀組織，且同時沿晶界存在碳化物析出，這導(dǎo)致了晶間腐蝕試驗不合格；而焊接接頭中由于僅存在δ鐵素體，無σ相和碳化物析出，而單一的δ鐵素體對于奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕是有益的，從而其在晶間腐蝕試驗過程中未發(fā)現(xiàn)有裂紋。
三、結(jié)論及建議
1. 導(dǎo)致焊接接頭晶間腐蝕試驗不合格的主要部位在母材區(qū)域，而導(dǎo)致母材晶間腐蝕試驗不合格的原因是由于不合理的元素成分（過高的錳含量和過低的鎳含量）導(dǎo)致在敏化后母材的微觀組織為奧氏體＋δ鐵素體＋σ相，從而導(dǎo)致母材的抗晶間腐蝕性能降低；
2. 建議在奧氏體不銹鋼制造過程中鎳含量應(yīng)取中間值范圍，錳含量取較低值。
