Fe20Cr9Ni奥氏体-铁素体不锈钢热老化后的点蚀性能.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：国家 计划重大项目（）；国家 计划重点项目（）；北京市自然科学基金资助项目（）作者简介：董芳（），女，硕士生，通信作者：杨滨（），男，博士，教授，文章编号：（）奥氏体 铁素体不锈钢热老化后的点蚀性能董芳，张泽丰，杨滨（北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心，北京 ；中核（上海）供应链管理有限公司，上海 ）摘要：奥氏体 铁素体双相不锈钢因力学、耐腐蚀以及焊接性能优良而广泛应用于油气、化工、食品、电力、交通运输和造纸行业中。采用电化学腐蚀试验研究了奥氏体 铁素体不锈钢在 温度下热老化不同时间的点蚀性能。结果表明，随着热老化时间延长，奥氏体 铁素体不锈钢耐点蚀性能降低，表现为维钝电流（）增大，击破电位（）和钝化膜电阻降低。电化学测试结果表明，奥氏体 铁素体不锈钢在 内随热老化时间延长耐点蚀性能下降是由于铁素体相区内发生调幅分解所致。关键词：奥氏体 铁素体不锈钢；热老化；点蚀；调幅分解中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，（），（），：；奥氏体 铁素体不锈钢具有优良的力学、耐腐蚀和焊接性能。但在 长时间服役时，组织中的铁素体会发生调幅分解，生成纳米级富 的 相、富 的 相和富 、的 相，引起微区结构和成分的变化，既显著降低材料的冲击韧性（热老化脆化），又严重恶化其腐蚀性能。国内外较深入地研究了奥氏体 铁素体不锈钢热老化脆化现象 ，但却鲜见报道该钢热老化后抗点蚀性能下降的 机 理 。本 文 基 于 电 化 学 测 试 研 究 奥氏体 铁素体不锈钢 热老化对点蚀性能的影响。试验材料及方法 试验材料实验材料选自压水堆核电站一回路主管道弯管部分，由砂型铸造而成，化学成分见表 。侵蚀后观察到的金相组织如图 所示，深色铁素体呈条块状分布在浅色的奥氏体基体上。主管道服役温度为 。研究表明 ，在 下加速老化处理，与在服役温度下的老化机理相同。因此，采用 加速老化的方式模拟研究 奥氏体 铁素体不锈钢热老化行为，老化时间分别为 、和 。表 化学成分元素实验材料（）元素实验材料（）图 金相组织 材料制备与性能测试将不同热老化时间的材料切割成 的样品，置于 的浓 溶液中预钝化 ，以避免缝隙腐蚀的影响。此后，依次对样品进行封装、打磨、抛光、清洗和干燥。实验仪器包括 电化学工作站和恒温水浴锅，测试系统为三电极体系。其中，参比电极选用饱和甘汞电极（），辅助电极为铂电极，工作电极为 不锈钢电化学试样，工作面积为 。将三电极体系在 、的 溶液中浸泡 ，测量开路电位，电位波动范围稳定在 之内时分别测试不同老化时间样品的交流阻抗（）曲线和动电位极化曲线。极化曲线测试电位范围以低于开路电位 作为初始点位，阳极极化电流密度超过 时终止测试，扫描速率为 。交流阻抗测试（）取低频 ，高频 ，振幅 。结果与讨论 孔蚀指数在氯化物环境中影响孔蚀的主要合金元素是 、和 。每种材料的合金元素含量和种类不同，耐点蚀性能有所差异。孔蚀抗力当量或称孔蚀指数 可用于描述合金元素含量与腐蚀性能间的关系，可由式（）计算：，（）式中 、和 分别表示 、和 的重量百分比；对 不 锈 钢 而 言，常 用 值 为 。中铁素体和奥氏体两相及析出相孔蚀指数值如表 所示，铁素体相由于铬元素含量较高，孔蚀指数值高于奥氏体。研究表明，不锈钢经敏化处理后析出的 相显著恶化材料的腐蚀性能。相的孔蚀指数远高于 相、铁素体相和奥氏体相，表明在富铬的 相周围存在贫铬区，它们为材料腐蚀提供了条件。表 两相及析出相孔蚀指数值对比材料 （）（）（）铁素体 奥氏体 极化曲线测试图 为 奥氏体 铁素体不锈钢试样在 的 溶液中测得的极化曲线图。其中横坐标表示极化电位，纵坐标表示极化电流密度。图 是根据极化曲线所得击破电位（）和维钝电流（）随老化时间的变化曲线。图 极化曲线随热老化时间的变化图图 显示，随热老化时间延长逐渐减小。热老化时间为 时，点蚀电位由原始试样的 下降到 ，下降幅度高达 左右；随热老化程度加剧而增加。对应着材料在钝化区的阳极溶解速度，越大，钝化膜的溶解速度越快，不锈钢耐点蚀能力越弱。相在 会分解，铁素体的显微硬度和韧第 期董芳，等：奥氏体 铁素体不锈钢热老化后的点蚀性能图 击破电位随热老化时间的变化曲线图 维钝电流随热老化时间的变化曲线性能恢复到热老化前的数值 。原因在于此温度下 相形核长大造成局部富 区的分解。图 分别显示 奥氏体 铁素体不锈钢热老化试样经 退火 后极化曲线、和 的变化情况。由图 （）可见，热老化试样经过退火处理后，随着热老化时间的增加变化不大。热老化时间达到 时，平均点蚀电位为 ，接近原始样的击破电位；同时由图 （）可见，热老化试样经退火后，随着热老化时间的增加变化也不大。这表明退火后热老化时间对点蚀性能的影响较小。随热老化程度加剧，相的析出量增加，材料的耐点蚀性能降低。退火后，热老化时间对材料耐点蚀性能的影响不大。产生这一现象的原因是：热老化的铁素体相发生调幅分解，相的析出及形核长大，伴随着局部贫 和富 区的出现。由于两者电位不同，形成电位差，贫 区作阳极，富 区作阴极，构成腐蚀微电池。相量越多，形成的腐蚀微电池越多，电流密度越大，表现为 随热老化时间的延长而增大。图 热老化试样经 退火 后极化曲线变化图图 不同时间热老化试样经 退火 后的钝化膜的主要成分是铬的氧化物 。局部贫 区的出现使得该处钝化膜变得薄弱，甚至钝化膜不完整，氯离子容易击穿钝化膜，增加点蚀萌生的位置，表现为 随热老化时间的延长而下降。交流阻抗测试运用交流阻抗方法测定 奥氏体 铁南昌工程学院学报 年素体不锈钢在 、的 溶液中的电化学阻抗谱，结果如图 所示。图 不同热老化时间的 图采用图 所示的等效电路拟合测试阻抗谱。其中 表示溶液电阻；表示双电层电容电阻；表示膜电容；表示膜电阻。是常相位角元件（）的调整参数，值在 的范围内波动；当 时，为 阻抗；当 时，为理想电容；当 ，被认为是介于两者之间的一种状态。拟合的阻抗谱和实际的阻抗谱重 合 性 较 好，表 明 图 中 的 等 效 电 路 符 合 不锈钢在 溶液中实际的腐蚀过程。运用交流阻抗方法，测量 奥氏体 铁素体不锈钢钝化后的试样在 溶液中不同电位下的阻抗参数，用 软件处理实验数据，所得结果如表 所示。图 等效电路图根据阻抗谱的拟合结果，可以看出随着热老化程度加剧，钝化膜的电阻 随热老化时间的延长逐渐减小，钝化膜的稳定性下降，表现为阻抗谱的半径变小。钝化膜的电阻变小，表明其对溶液中侵蚀性离子的阻碍作用减弱。热老化过程中，奥氏体 铁素体不锈钢的钝化膜稳定性变差。表 不同热老化时间等效电路拟合参数 （）（）（）（）奥氏体 铁素体不锈钢热老化试样经 退火 后交流阻抗测试结果如图 所示，等效电路图与图 相同。用 软件处理实验数据，所得结果列入表 中。表 热老化试样经 退火 等效电路拟合参数 （）（）（）阻抗谱拟合结果显示，试样退火处理后随着热老化程度加剧，钝化膜电阻 变化不大，表现为阻抗谱的半径变化很小，热老化后钝化膜的稳定性差别不大，接近于原始样。进而推知，热老化过程 相 的 析 出 影 响 钝 化 膜 的 稳 定 性，进 而 影 响 奥氏体 铁素体不锈钢的耐腐蚀性能。综上所述，奥氏体 铁素体不锈钢在热老化过程中钝化膜的稳定性变差，表现为膜电阻变小；退火后 奥氏体 铁素体不锈钢热老化试样各个热老化时间的 图相近，表明 相析出是影响钝化膜稳定性的原因。点蚀形貌图 所示为 奥氏体 铁素体不锈钢试样在 溶液中腐蚀后的宏观形貌，呈现花边第 期董芳，等：奥氏体 铁素体不锈钢热老化后的点蚀性能图 老化试样经 退火 后的 图盖状，属于典型的半球型生长方式。点蚀持续生长需要金属阳离子浓度超过一个稳定生长的临界浓度 。在点蚀坑内部，金属阳离子溶液存在浓度梯度的变化。越向底部发展，金属阳离子浓度越大。点蚀壁的阳离子浓度低于底部的阳离子浓度。半球型点蚀生长为阳极扩散控制，靠近点蚀口附近的金属表面由于扩散距离短，阳离子浓度低，容易再钝化，使其钝化区域得以维持，侵蚀性溶液在点蚀口更低的部位加速金属基体阳极溶解。因此，点蚀坑的深度不断增加。花边盖的存在，有利于点蚀维持其生长所需要的临界浓度，为点蚀扩展提供重要条件。结论（）随热老化程度加剧，析出相数量增加，奥氏体 铁素体不锈钢耐点蚀性能降图 试样在 溶液中腐蚀后的宏观形貌低。相的析出及形核长大，伴随着局部贫 区和富 区的形成。一方面，两区域存在电位差，构成腐蚀微电池，引起点蚀；另一方面，局部贫 区处钝化膜较薄弱，甚至不完整，氯离子容易击穿钝化膜，诱发点蚀。（）交流阻抗分析结果表明，奥氏体 铁素体不锈钢在热老化过程中钝化膜的稳定性变差，耐点蚀性能恶化，主要原因是 相析出影响钝化膜的稳定性。（）奥氏体 铁素体不锈钢在点蚀产生过程中形成了独特的花边盖结构，在一定程度上阻止腐蚀过程中金属阳离子向蚀坑外部扩散，有利于维持点蚀生长所需要的阳离子浓度，为点蚀扩展提供环境。参考文献：，：，：，：，：，：（下转第 页）南昌工程学院学报 年 闫丹，张记龙，王志斌，等 基于黄金分割和 网络的气体体积分数预测模型 传感器与微系统，（）：马晓青，洪美玲，何士华，等 黄金分割神经网络算法在水质预测中的应用 中国水运（下半月），（）：李中华 基于鲸鱼优化算法和神经网络模型的短期碳价预测 大连：东北财经大学，：高明荣 基于粒子群优化的神经网络算法与天线设计 上海：东华大学，：刘珈绮 基于灰色神经网络算法的粮食物流需求预测模型研究 南京：东南大学，：仲凯歌 基于灰色神经网络的棉花产量预测模型应用研究 阿拉尔：塔里木大学，：李春阳 基于小波和粒子群灰色神经网络的短期电力负荷预测 武汉：武汉大学，：，（）：雷永巍 基于黄金分割法改进的 （，）公路货运量预测 科学技术创新，（）：张晓果，赵颖范，杜亚冰，等 基于背景值优化 （，）模型的平顶山市 预测 河南城建学院学报，（）：伍德权，杨延梅，付宇 基于灰色系统理论的贵阳市城市用水总量预测 南昌工程学院学报，（）：苏颜，张珍，林庆达，等 基于 神经网络算法的短期电力负荷预测研究 电子设计工程，（）：王德运，陈奕青，耿亮 基于模态分解与误差修正策略的原油价格组合预测研究 南昌工程学院学报，（）：，（）：，（）：苏琪，王海波，施晓辰，等 基于灰色预测模型的参数寻优方法及能源预测应用 南昌大学学报（理科版），（）：（上接第 页），：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：南昌工程学院学报 年