晶间腐蚀机理一
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核电设备奥氏体不锈钢焊接接头 晶间腐蚀试验
2014.06
上海核工程研究设计院
目录
一．什么叫晶间腐蚀
二．晶间腐蚀的防止和消除
三．常见晶间腐蚀试验方法
四．问题交流与探讨
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀定义
晶间腐蚀是一种由微电池作用而引起的局部腐蚀现象，是 金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。 这种腐蚀主要是从表面开始，沿着晶界向内部发展，直至 成为溃疡式腐蚀，整个金属强度几乎完全丧失。其腐蚀特 征是，在表面还看不出腐蚀特征时，晶粒之间已丧失了结 合力，失去金属声音，严重时，只要轻轻敲打就可破碎， 甚至形成粉状。因此，它是一种危害性很大的局部腐蚀。
在相同碳含量时，含有5%的铁素体组织的奥氏体不锈钢将明 显改善其乃晶间腐蚀性能。
三、晶间腐蚀试验方法 核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法
(a) GB/T 4334 E法不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法 (b) ASTM A262 E法 Copper–Copper Sulfate–Sulfuric Acid Test for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels (c) RCC-M-2007 MC1300 Accelerated Intergranular Corrosion Test of Austenitic Stainless 18-10 Chromium Nickel Steel
加热温度和加热时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响, 如图1 所示。当加热温度小于450℃或大于850℃时, 不会产生晶间腐 蚀。因为温度小于450℃时, 由于温度较低, 不会形成碳化铬。 当温度超过850℃时, 晶粒内的铬扩散能力增强, 有足够的铬扩 散至晶界和碳化合, 不会在晶界形成“贫铬区”。所以产生晶 间腐蚀的加热温度是在450~ 850 ℃, 这个温度区间就称为产生 晶间腐蚀的”危险温度区”(又称”敏化温度区”) , 其中尤以650℃ 最危险。焊接时焊缝两侧处于”危险温度区”的地带最易发生 晶间腐蚀。即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过”危 险温度区”, 所以也会产生晶间腐蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制加热温度和时间
Байду номын сангаас
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制含碳量
随着不锈钢中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化铬随之增多, 结果就使得在晶界形成“贫铬区“的机会增多, 导致产生晶间 腐蚀的倾向增加, 所以碳是晶间腐蚀最有害的元素。 一般认为奥氏体不锈钢中含碳量降低到0.02~0.03%以下，便 可避免晶间腐蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 进行均匀化处理
焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至850~900℃, 保温 2 h, 使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散到晶界, 使晶界处 的含铬量又恢复到大于12%(质量分数) , 贫铬区得以消失, 这叫 均匀化处理。
二、晶间腐蚀的防止和消除 铁素体含量的影响
三、晶间腐蚀试验方法 核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法
标准号 试样尺寸 ASTM A262E GB/T4334 E RCC-M MC1300 5-13 厚 ,9-25 宽 , 最 小 80-100 长 ， 20mm 厚 ,3-4mm 长 × 宽 × 厚 75mm长 厚 70×10×4mm 试样数量： 3 个， 1 个参 考试样，1个焊后热处理 态试样(若产品需要焊后 热处理态 ) ， 1 个经敏化 处理后的试样； 675 650 700 1h 2h 加热至700±，加热时间 不 超 过 5min ， 保 温 30min 后 ， 缓 慢 随 炉 冷 却(60±/h)至后，空冷 将 硫 酸 铜 将 硫 酸 铜 质量百分比： 10% 结晶 (CuSO4· 5H2O) 溶 解 于 (CuSO4· 5H2O)(GB/T 665 分 硫酸铜， 10% 硫酸 ( 密度 700ml 蒸馏水中，再加 析纯 ) 溶解于 700ml 蒸馏水或 1.83)，80%蒸馏水 入100ml硫酸(比重1.84)， 去离子水中，再加入 100ml 用 蒸 馏 水 稀 释 至 纯硫酸(GB/T 625 优级)，用 1000ml( 质量百分比： 蒸 馏 水 或 去 离 子 水 稀 释 至 约 6% 无 水 硫 酸 铜 ， 1000ml 16%硫酸)
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
贫Cr理论 贫铬区的含铬量远低于钝化 所需要的极限值，其电位比 晶粒内部的电位低。更低于 碳化物的电位。贫铬区和碳 化物紧密相连，当遇到一定 腐蚀介质时就会发生短路电 池效应。该情况下碳化铬和 晶粒呈阴极，贫铬区呈阳极， 迅速被侵蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制加热温度和时间
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
1)晶间区偏析杂质或第二相选择性溶解理论 非敏化态晶间腐蚀机理主要是晶间区偏析杂质或第二相选 择性溶解理论。 该理论认为，偏析于晶界上的杂质元素(如P和Si)或沉淀析 出相(如σ相或亚显微的σ相)的选择性溶解是引起晶间腐蚀 的原因。 2)贫Cr理论 奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫Cr理论。
二、晶间腐蚀的防止和消除
在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb 等与碳的结合能力比铬更强 的元素, 能够与碳结 合成稳定的碳化物, 可以避免在奥氏体晶 界形成贫铬区。所以, 常用奥氏体不锈钢及焊接材料中都含有 Ti 或Nb 元素,如ER347等。
二、晶间腐蚀的防止和消除 进行固溶处理
焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至1050~1100℃, 此 时碳又重新溶入奥氏体中, 然后急速冷却, 便可得到稳定的奥 氏体组织, 消除贫铬区。这种方法叫固溶处理。固溶处理的缺 点是, 如果焊接接头需要在危险的温度区工作, 则仍不可避免 地会形成贫铬区。
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
贫Cr理论 对奥氏体不锈钢而言其晶间腐蚀的原因是由于晶界区贫铬 所引起的。含碳量高于0.02%的奥氏体不锈钢中，碳与铬能 生成碳化物(Cr23C6)。这些碳化物经过高温淬火，以固溶态 溶于奥氏体中，铬均匀分布，使合金各部分铬含量均在钝 化所需值即12%以上。这种过饱和固溶体在室温下虽然暂 时保持这种状态，但它是不稳定的。如果加热到敏化温度 范围内，碳化物就会沿晶界析出，铬便从晶界边界的固溶 体中分离出来。由于铬的扩散速度很慢，远低于碳的扩散 速度，不能从晶粒内固溶体中扩充到晶界，因而只能消耗 晶界附近的铬，造成晶粒边界贫铬区。
2014.06
上海核工程研究设计院
目录
一．什么叫晶间腐蚀
二．晶间腐蚀的防止和消除
三．常见晶间腐蚀试验方法
四．问题交流与探讨
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀定义
晶间腐蚀是一种由微电池作用而引起的局部腐蚀现象，是 金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。 这种腐蚀主要是从表面开始，沿着晶界向内部发展，直至 成为溃疡式腐蚀，整个金属强度几乎完全丧失。其腐蚀特 征是，在表面还看不出腐蚀特征时，晶粒之间已丧失了结 合力，失去金属声音，严重时，只要轻轻敲打就可破碎， 甚至形成粉状。因此，它是一种危害性很大的局部腐蚀。
在相同碳含量时，含有5%的铁素体组织的奥氏体不锈钢将明 显改善其乃晶间腐蚀性能。
三、晶间腐蚀试验方法 核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法
(a) GB/T 4334 E法不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法 (b) ASTM A262 E法 Copper–Copper Sulfate–Sulfuric Acid Test for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels (c) RCC-M-2007 MC1300 Accelerated Intergranular Corrosion Test of Austenitic Stainless 18-10 Chromium Nickel Steel
加热温度和加热时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响, 如图1 所示。当加热温度小于450℃或大于850℃时, 不会产生晶间腐 蚀。因为温度小于450℃时, 由于温度较低, 不会形成碳化铬。 当温度超过850℃时, 晶粒内的铬扩散能力增强, 有足够的铬扩 散至晶界和碳化合, 不会在晶界形成“贫铬区”。所以产生晶 间腐蚀的加热温度是在450~ 850 ℃, 这个温度区间就称为产生 晶间腐蚀的”危险温度区”(又称”敏化温度区”) , 其中尤以650℃ 最危险。焊接时焊缝两侧处于”危险温度区”的地带最易发生 晶间腐蚀。即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过”危 险温度区”, 所以也会产生晶间腐蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制加热温度和时间
Байду номын сангаас
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制含碳量
随着不锈钢中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化铬随之增多, 结果就使得在晶界形成“贫铬区“的机会增多, 导致产生晶间 腐蚀的倾向增加, 所以碳是晶间腐蚀最有害的元素。 一般认为奥氏体不锈钢中含碳量降低到0.02~0.03%以下，便 可避免晶间腐蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 进行均匀化处理
焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至850~900℃, 保温 2 h, 使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散到晶界, 使晶界处 的含铬量又恢复到大于12%(质量分数) , 贫铬区得以消失, 这叫 均匀化处理。
二、晶间腐蚀的防止和消除 铁素体含量的影响
三、晶间腐蚀试验方法 核电设计中常用的奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法
标准号 试样尺寸 ASTM A262E GB/T4334 E RCC-M MC1300 5-13 厚 ,9-25 宽 , 最 小 80-100 长 ， 20mm 厚 ,3-4mm 长 × 宽 × 厚 75mm长 厚 70×10×4mm 试样数量： 3 个， 1 个参 考试样，1个焊后热处理 态试样(若产品需要焊后 热处理态 ) ， 1 个经敏化 处理后的试样； 675 650 700 1h 2h 加热至700±，加热时间 不 超 过 5min ， 保 温 30min 后 ， 缓 慢 随 炉 冷 却(60±/h)至后，空冷 将 硫 酸 铜 将 硫 酸 铜 质量百分比： 10% 结晶 (CuSO4· 5H2O) 溶 解 于 (CuSO4· 5H2O)(GB/T 665 分 硫酸铜， 10% 硫酸 ( 密度 700ml 蒸馏水中，再加 析纯 ) 溶解于 700ml 蒸馏水或 1.83)，80%蒸馏水 入100ml硫酸(比重1.84)， 去离子水中，再加入 100ml 用 蒸 馏 水 稀 释 至 纯硫酸(GB/T 625 优级)，用 1000ml( 质量百分比： 蒸 馏 水 或 去 离 子 水 稀 释 至 约 6% 无 水 硫 酸 铜 ， 1000ml 16%硫酸)
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
贫Cr理论 贫铬区的含铬量远低于钝化 所需要的极限值，其电位比 晶粒内部的电位低。更低于 碳化物的电位。贫铬区和碳 化物紧密相连，当遇到一定 腐蚀介质时就会发生短路电 池效应。该情况下碳化铬和 晶粒呈阴极，贫铬区呈阳极， 迅速被侵蚀。
二、晶间腐蚀的防止和消除 控制加热温度和时间
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
1)晶间区偏析杂质或第二相选择性溶解理论 非敏化态晶间腐蚀机理主要是晶间区偏析杂质或第二相选 择性溶解理论。 该理论认为，偏析于晶界上的杂质元素(如P和Si)或沉淀析 出相(如σ相或亚显微的σ相)的选择性溶解是引起晶间腐蚀 的原因。 2)贫Cr理论 奥氏体不锈钢敏化态晶间腐蚀的机理主要是贫Cr理论。
二、晶间腐蚀的防止和消除
在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb 等与碳的结合能力比铬更强 的元素, 能够与碳结 合成稳定的碳化物, 可以避免在奥氏体晶 界形成贫铬区。所以, 常用奥氏体不锈钢及焊接材料中都含有 Ti 或Nb 元素,如ER347等。
二、晶间腐蚀的防止和消除 进行固溶处理
焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至1050~1100℃, 此 时碳又重新溶入奥氏体中, 然后急速冷却, 便可得到稳定的奥 氏体组织, 消除贫铬区。这种方法叫固溶处理。固溶处理的缺 点是, 如果焊接接头需要在危险的温度区工作, 则仍不可避免 地会形成贫铬区。
一、晶间腐蚀的机理 晶间腐蚀机理
贫Cr理论 对奥氏体不锈钢而言其晶间腐蚀的原因是由于晶界区贫铬 所引起的。含碳量高于0.02%的奥氏体不锈钢中，碳与铬能 生成碳化物(Cr23C6)。这些碳化物经过高温淬火，以固溶态 溶于奥氏体中，铬均匀分布，使合金各部分铬含量均在钝 化所需值即12%以上。这种过饱和固溶体在室温下虽然暂 时保持这种状态，但它是不稳定的。如果加热到敏化温度 范围内，碳化物就会沿晶界析出，铬便从晶界边界的固溶 体中分离出来。由于铬的扩散速度很慢，远低于碳的扩散 速度，不能从晶粒内固溶体中扩充到晶界，因而只能消耗 晶界附近的铬，造成晶粒边界贫铬区。