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奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱:金屬焊接性 班級(jí): 焊接 學(xué)號(hào): 0907074223 姓名: 韓月明 組別:第 組 同組者: 尹英寶,馬寶宇,于天洋,趙金哲,王志遠(yuǎn) 日期: 2012.6.20 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、觀察與分析奧氏體不銹鋼焊接接頭的顯微組織。2、了解奧氏體不銹鋼焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的機(jī)理及晶間腐蝕區(qū)顯微組織特征。二、實(shí)驗(yàn)原理:1焊縫金屬; 2過熱 區(qū); 3敏化區(qū);4母材金屬圖1 奧氏體不銹鋼焊接接頭各區(qū)示意圖晶間腐蝕是沿晶粒邊界發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象?,F(xiàn)以188型奧氐體不銹鋼中最常用的含穩(wěn)定元素的1Cr18Ni9Ti鋼為例,來討論晶間腐蝕的問題。1Cr18Ni9Ti鋼含0.02%C和0.8%Ti。碳在室溫奧氏體中的最大溶解度低于0.03%,多余的碳則通過固熔處理與鈦結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物TiC。由于鈦對(duì)碳的固定作用,避免了在晶界形成碳化鉻,從而防止了晶間腐蝕的產(chǎn)生。故1Cr18Ni9Ti鋼具有抗晶間腐蝕能力,一般不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象。然而在焊接接頭中,情況有所不同。奧氏體不銹鋼的焊接接頭,通??煞譃橐韵聨讉€(gè)區(qū)域(見圖1)(一) 焊縫金屬主要為柱狀樹枝晶。(二) 過熱區(qū) 加熱超過1200的近縫區(qū),晶粒有明顯的長大。(三) 敏化區(qū) 加熱峰值溫度在6001000的區(qū)域,組織無明顯變化。對(duì)不含穩(wěn)定化元素的188鋼,可能出現(xiàn)晶界碳化鉻的析出。產(chǎn)生貧鉻層,有晶間腐蝕傾向。(四) 母材金屬 對(duì)于含穩(wěn)定化元素的188鋼,如1Cr18Ni9Ti鋼,峰值溫度超過1200的過熱區(qū)發(fā)生TiC分解量愈大(圖2),從而使穩(wěn)定化作用大為減弱,甚至完全消失。在隨后的冷卻過程中,由于碳原子的體積很小,擴(kuò)散能力比鈦原子強(qiáng),碳原子趨于向奧氏體晶界擴(kuò)散遷移,而鈦原子則來不及擴(kuò)散仍保留在奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)上。因此,碳原子析集于晶界附近成為過飽和狀態(tài)。當(dāng)上述過熱區(qū)再次受到600800中溫敏化加熱或長期工作在上述溫度范圍時(shí),碳原子優(yōu)先以很快的速度向晶界擴(kuò)散。此時(shí),鉻原子的擴(kuò)散速度雖比碳原子慢,但比鈦原子快,且濃度也遠(yuǎn)比鈦高,因而易于在晶界附近形成鉻的碳化物(FeCr)23C6。溫度愈高,TiC分解后合金元素碳和鉻的固溶量愈多,碳化物析出量愈大(圖2)。上述碳化物的鉻、碳含量很高,但晶粒內(nèi)部鉻的擴(kuò)散速度比碳的擴(kuò)散速度慢,所以在形成鉻的碳化物時(shí),富集在晶界的碳,與晶粒表層的鉻結(jié)合以后,晶粒中的鉻不能及時(shí)均勻化,致使靠近晶界的晶粒表面一個(gè)薄層嚴(yán)重缺鉻,鉻的濃度低于臨界值12%Cr(圖3)。此時(shí),奧氏體晶粒內(nèi)和晶界碳化物(圖3中的1、2部分)由于含鉻量高而帶正電位,而貧鉻層(圖3中的3部分)由于含鉻量低于12%而帶負(fù)電位。如果將這種具備電化學(xué)腐蝕條件的焊接接頭放入腐蝕介質(zhì)中,帶負(fù)電位的貧鉻層就會(huì)成為被消耗的陽極而遭受腐蝕。這樣,由于“高溫過熱”和“中溫敏化”這兩個(gè)依次進(jìn)行的熱作用過程,造成了含穩(wěn)定化元素的18-8鋼特殊的晶間腐蝕,這種腐蝕只發(fā)生在緊靠焊縫的過熱區(qū)35個(gè)晶粒范圍,在工件表面上較寬,向接頭內(nèi)部逐漸變窄,呈刀形,故又稱“刀蝕”。由此可見,“高溫過熱”和“中溫敏化”是產(chǎn)生刀蝕的必要條件。對(duì)于焊接接頭,“高溫過熱”這一條件是圖2 188鋼熱影響區(qū)碳化物分布(a) 敏化加熱前;(b)敏化加熱后。1奧氏體晶粒;2晶界處碳化物;3貧鉻層圖3 析出碳化物對(duì)晶界處鉻濃度的影響由焊接熱作用過程自然形成的,因此只需要進(jìn)行一次“中溫敏化”處理,就可根據(jù)GB1223-75標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟方法:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1223-75試驗(yàn)晶間腐蝕傾向的方法共有五種,對(duì)于18-8鋼主要采用C法、T法和X法三種試驗(yàn)方法。1、C法 草酸電解浸蝕試驗(yàn),又稱草酸陽極腐蝕試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖4所示圖4中不銹鋼容器接電源的負(fù)極,若采用玻璃燒杯作容器,則負(fù)極端部接一厚度為1mm左右的不銹鋼薄板,并放置于杯底,腐蝕液采用10%的草酸水溶液。該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單,方便迅速,一般不超過兩分鐘,但不如其他試驗(yàn)方法嚴(yán)格,常作為其他試驗(yàn)方法前的篩選試驗(yàn)方法(不適用于含鉬鈦的不銹鋼耐酸鋼),也可作為獨(dú)立的無損試驗(yàn)。2、T法銅屑、硫酸銅和硫酸沸騰試驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)方法是將規(guī)定的試樣放在加有銅屑的硫酸銅和硫酸的水溶液中沸騰24小時(shí),然后彎曲成90度,用10倍放大鏡觀察,以不出現(xiàn)橫向裂紋為合格,或在金相顯微鏡下觀察,如發(fā)現(xiàn)晶界有明顯的腐蝕痕跡,即為晶間腐蝕傾向。3、X法:硝酸沸騰試驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)方法是將試片放在65%沸騰硝酸中,每周期沸騰48小時(shí),試驗(yàn)三個(gè)周期。每周期試驗(yàn)后取出試樣,刷洗干凈干燥,稱重。然后按下式計(jì)算腐蝕速度,以其中最大者為準(zhǔn)。 T法和X法分別為國際通用的B法和E法,試驗(yàn)條件嚴(yán)格,需要一定的專門裝置,試驗(yàn)周期較長,因此一般常用C法進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)用C法試驗(yàn)評(píng)定認(rèn)為有問題時(shí),進(jìn)一步作T發(fā)或X法試驗(yàn),并以T法和X法試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。對(duì)于18-8鋼焊接接頭,由于母材一般已經(jīng)過晶間腐蝕試驗(yàn)評(píng)定合格,故可采用C法與母材同時(shí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。 步驟:1、試樣制備(1) 從同一鋼板上取材,按表1要求制備試樣。試樣數(shù)量試樣尺寸(mm)說明長寬厚母材24060205沿軋制方向選取單條焊縫24060205焊縫位于試樣中部(2)“中溫敏化”處理,加熱至650700,保溫12小時(shí)。(3)用砂輪或銼刀將試片進(jìn)行表面加工,去掉棱角。(4)按金相試片要求,用各號(hào)砂紙將試樣檢驗(yàn)表面磨平磨光,并用水沖洗干凈。(5)拋光試樣表面,表面粗糙度不低于10,用水沖凈,再用棉花酒精或丙酮擦凈檢驗(yàn)表面,吹干。(6)將試樣檢驗(yàn)表面浸入10%草酸溶液,將試件接電源“+”端,同時(shí)接通電路。電流密度按試樣檢驗(yàn)表面積計(jì)算,為1A/cm2,試驗(yàn)溶液溫度為2050,試驗(yàn)時(shí)間為1.52min。(7)取出試樣用水沖洗凈,用酒精或丙酮擦凈檢驗(yàn)表面,吹干。 2、觀察與評(píng)定(1)用金相顯微鏡觀察浸蝕表面,放大倍數(shù)為150500倍。(2)焊接試樣的浸蝕組織分為三級(jí):一級(jí):近縫區(qū)及母材晶界清晰,無腐蝕溝,晶粒間呈臺(tái)階狀,焊縫金屬鐵素體被顯現(xiàn),如圖5(a)所示。 二級(jí):近縫區(qū)或母材晶界有不連續(xù)腐蝕溝,晶界局部變寬,或焊縫金屬鐵素體被腐蝕,如圖5(b)所示。 三級(jí):近縫區(qū)或母材晶界有連續(xù)腐蝕溝,個(gè)別晶粒的晶界被腐蝕溝完全包圍,或焊縫金屬鐵素體嚴(yán)重腐蝕。有試驗(yàn)條件時(shí),可將二級(jí)和三級(jí)試樣按T法進(jìn)行試驗(yàn)以進(jìn)行比較(a)(b)圖5 1Cr18Ni9Ti鋼TIG焊熔全區(qū)附近顯微組織 200(a) 未敏化處理; (b) 焊后670C保溫一小時(shí)爐冷。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析晶間腐蝕示意圖18-8鋼焊接接頭有三個(gè)部位能出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象,在同一個(gè)接頭并不能同時(shí)看到這三種晶間腐蝕的出現(xiàn),這取決與鋼和焊縫的成分9。出現(xiàn)敏化區(qū)腐蝕就不會(huì)有熔合區(qū)腐蝕。焊縫區(qū)的腐蝕主要取決于焊接材料。在正常情況下,現(xiàn)代技術(shù)水平可以保證焊縫區(qū)不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。晶間腐蝕的形貌如圖1-1、1-2。圖1-1焊接件的晶間腐蝕 圖1-2晶間腐蝕的微觀示意金相組織觀察1-3圖到圖1-17為焊接接頭的微觀形貌。 圖1-3 50倍焊接全貌 圖1-4 100倍熔合線 圖1-5 200倍熔合線 圖1-6 500倍熔合線圖1-3可以看出焊縫組織呈現(xiàn)鑄造態(tài)組織形態(tài),明顯的外延生長特性。圖1-4、1-5可以看出焊縫靠近母材處顯微組織為等軸樹枝晶,晶粒細(xì)小,次外層為柱狀晶,中心為等軸樹枝晶圖1-6可以看出晶間腐蝕是在晶粒邊界發(fā)生的有選擇性的腐蝕現(xiàn)象。 圖1-7 200倍焊縫底部 圖1-8 200倍焊縫中部 圖1-9 200倍焊縫頂部 圖1-10 500倍焊縫底部從圖1-7、1-8、1-9可以看出焊縫從底部到頂部的腐蝕程度明顯不同,底部腐蝕程度較重,中部腐蝕較嚴(yán)重,頂部腐蝕最嚴(yán)重。從圖1-10可以看出有明顯的晶界邊緣腐蝕外,此外還有局部的點(diǎn)蝕。 圖1-11 50倍熱影響區(qū) 圖1-12 200熱影響區(qū)從圖1-11可以看出明顯的熱循環(huán)影響下的幾個(gè)明顯分區(qū)熔合區(qū)、粗晶區(qū) 相變重結(jié)晶區(qū),以及清晰的熔合線。另外焊縫晶間腐蝕較熱影響區(qū)明顯雜亂。從圖1-12可以看出熱影響區(qū)的晶間腐蝕主要是分布在晶界附近,且腐蝕深度較焊縫金屬沿晶界處腐蝕更深。焊縫出現(xiàn)更多的腐蝕點(diǎn)。 圖1-13 200倍母材 圖1-14 200倍不完全重結(jié)晶區(qū)從圖1-13和圖1-14母材的晶間腐蝕較不完全重結(jié)晶區(qū)具有明顯的晶界特征,且晶粒較不完全重結(jié)晶區(qū)較大,腐蝕較均勻。不完全重結(jié)晶區(qū)晶間腐蝕程度較母材要中。在顯微鏡下可以清楚地看到焊縫組織呈現(xiàn)鑄造組織形態(tài),有明顯的外延生長特性,焊縫中部的晶粒方向幾乎是平行的。焊縫晶粒始于母材晶粒,止于焊縫中心。晶粒沿原晶粒方向生長,在向焊縫中心生長的過程中生長方向趨于垂直焊縫的上下表面,焊縫靠近母材處顯微組織為等軸樹枝晶,晶粒細(xì)小,次外層為柱狀晶,中心為等軸樹枝晶。焊縫金相組織為奧氏體+沿柱狀晶和枝晶晶界分布的鐵素體。分析圖1-3至1-6焊接時(shí)由于冷卻速度快,焊縫組織是鑄態(tài)組織,成分偏析較明顯。受熱的金屬處于過熱狀態(tài)并在動(dòng)態(tài)下結(jié)晶,柱狀樹枝晶和等軸晶并存,而且很明顯,因?yàn)橹鶢罹珊?,便以靠近熔合線即與原材料接觸處聯(lián)生的長大起來,但是長大的趨勢(shì)各不相同,有的柱狀樹枝晶一直長到焊縫中心,有的則長到半途就停止了,這是因?yàn)榫w是沿著散熱最快的方向長大的14,并沿著晶體本身101晶向方向成長,有的晶體101晶向與散熱最快方向一致,它就垂直熔合線一直長到焊縫中心,有的不與散熱方向一致形成夾角,于是就不垂直熔合線而與其成一定角度的成長。圖1-7至1-10焊縫由于成分不均勻,發(fā)生嚴(yán)重的成分偏析,所以發(fā)生晶間腐蝕較為雜亂無章。由于焊縫冷卻的速率不相同,頂部冷卻最快,中部其次,底部最慢,發(fā)生的晶間腐蝕程度也不一樣。由于熱輸入量大(I=80A),焊縫柱狀樹枝晶組織粗大,使柱狀晶各向異性明顯,同時(shí)結(jié)晶時(shí)的成分偏析使柱狀樹枝晶晶界區(qū)成分不均勻,這將導(dǎo)致焊縫中心產(chǎn)生熱裂紋的危險(xiǎn)。圖1-11至圖1-14熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕是焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化

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