奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂研究

张　霞　李　燕

（青岛理工大学琴岛学院，青岛 266106）

奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂研究

张霞李燕

（青岛理工大学琴岛学院，青岛 266106）

材质为SUS301钢的离心机转鼓筒身发生碎裂，通过现场观察、材质分析、金相检验等检测方法对筒体碎片的宏观形貌、显微组织进行分析。结果表明，筒体在富含氯离子的环境中，在氯离子和拉应力的共同作用下发生应力腐蚀开裂。

SUS301不锈钢 应力腐蚀 断裂

奥氏体不锈钢由于具有良好的耐蚀性，是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种（约占整个不锈钢产量的65%～70%），在化工、医药、食品等行业中应用广泛。但不锈钢的耐腐蚀性能是有针对性的，如它在空气、水、中性溶液和各种氧化性介质中是稳定的，而在其他的一些介质条件下可能发生腐蚀破坏。不锈钢发生的腐蚀破坏多是局部腐蚀破坏，最常见的有晶间腐蚀、孔蚀和应力腐蚀[1-2]。应力腐蚀裂纹一般都很细小，而且多出现在容器或管道内表面，不易发现。应力腐蚀裂纹常导致不锈钢构件在低于设计应力、无明显宏观变形和不出现任何征兆的情况下突然迅速破裂，危害性极大[3]。

1　设备情况

图1　离心机转鼓筒身碎裂

国内某淀粉厂有4台同型号用于加工淀粉的设备，离心机转筒材质为SUS301，常温下工作，工作介质为淀粉。在使用3年后，其中一台出现转鼓筒身碎裂问题，见图1。为确定故障的发生原因，对内筒进行材质分析，并对碎片进行宏观和微观等检测分析，以便采取相应预防措施杜绝事故发生。

2　实验情况

2.1工作介质检测

对离心机加工的淀粉物料取样，标本为固体和液体两种，经过检验得表1。

表1　工作介质检测

以上结果与国家标准《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006对照，在国标中第三项感官性状和一般化学指标规定氯化物的限值为250mg/L。物料中的氯含量（折合氯化物含量）则远远大于上面的数值。所以，可以看出，该公司在物料生产过程中添加了氯化物。液体物料中含有氧离子和硫酸根离子，并呈弱酸性（pH值小于7）。根据文献报道[4-5]，奥氏体不锈钢在氯元素环境下受到拉应力作用极易发生应力腐蚀。可见，此物料是引起设备应力腐蚀的介质。

2.2性能分析

图2 碎片断口

图2为碎片断口图。经过观察，碎片没有发现明显的均匀腐蚀现象。而碎片断口呈典型解理性断口，放射性纹理明显，基本没有侧向变形。用锤击碎片明显分辨出金属撞击声消失，韧性大大降低，脆性增加。靠近磁铁有明显的磁性。经实验测试，碎片材料的机械性能见表2。

表2　碎片机械性能

对碎片进行机械性能测试，在对碎片进行切取拉伸试样时，已没有明显的屈服现象，延伸率极低，材料性能明显脆化。

2.3材质分析

对制造转鼓筒体的原材料板材、转鼓筒体碎片表面（内壁一侧）和碎片心部（进行铣削加工去除6mm）进行成份分析，如表3所示。

从表3中可以看出，制造转鼓筒体的原材料和转鼓筒体碎片心部的主要成份Cr、Ni的含量都达到标准，符合SUS301标准，属于奥氏体不锈钢。但是，对比碎片心部和表面的化学成分，Ni的含量明显降低，这也在一定程度上削弱了材料的耐蚀性。

表3　碎片成分

2.4金相分析

对转鼓筒身碎片取样进行金相分析，如图3所示，均发现存在明显的显微裂纹，具有明显的穿晶现象和局部点蚀坑。裂纹从点蚀开始，并逐渐从表面向内部扩展，一般表现为穿晶扩展，裂纹尖端常常出现分枝，整体呈现树枝状，具有准解理、扇形并伴有泥状龟裂特征，局部还存在二次裂纹和表面点蚀坑。

图3　碎片金相图片

3　事故原因分析

应力腐蚀破坏是在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象，属于低应力破坏。按照腐蚀介质分类，应力腐蚀可分为氯脆、碱脆、氨脆和硝脆等。氯脆则是在浓的Cl-介质中引起脆断的简称。当pH为6～7时，奥氏体不锈钢对应力腐蚀最为敏感[6-7]。从转鼓筒体碎裂的特征来看，符合应力腐蚀的特点。

3.1存在应力场

转鼓筒体所受应力主要是筒体制造过程中产生的残余应力和离心机工作过程产生的工作应力。SUS301虽然是奥氏体不锈钢的一种，但是该钢种Cr、Ni含量在奥氏体不锈钢中是最低的，奥氏体也最不稳定。经冷作加工后，奥氏体转化为马氏体，相变的发生会产生残余应力。筒体在焊接过程中，由于焊接热循环的作用，将产生热应力。离心机在工作时，转鼓筒体自转与对物料的加工都会产生拉应力。以上应力是产生应力裂纹的主要原因。拉应力越大，断裂的时间越短。而在给定的介质条件下，小于某一应力值时就不会产生开裂，此应力值称为应力腐蚀的门槛值[8-9]。产生应力腐蚀的临界应力与材料在工作状态的屈服强度有密切关系，对奥氏体钢一般在的范围就可以造成裂纹，从启裂点开始沿横向扩展呈树根状密集分枝，穿晶开裂。

转鼓筒身工作时的环向应力σφ=(σφ)1+(σφ)2，(σφ)1为转鼓筒体自转产生的拉应力，(σφ)2为加工物料产生的拉应力。

根据达朗贝尔原理计算转鼓筒身自转时的环向应力(σφ)1：

式中，ρ0为密度，μ为泊松比，E为材料的弹性模量，r为径向位移，u为周向位移，w为角速度。求解以上微分方程，得到周向应力在Ra处为极大值，其中内径mm，壁厚mm，桶身高度h=1060mm，转速nmax=960rad/ min，密度ρ=7.9g/mm3，装料限量kg，得：

所以，可以认为在此种条件下工作，可以产生应力腐蚀裂纹。

3.2腐蚀环境

通过检测物料发现，其中氯元素含量超标，并且为弱酸性，奥氏体不锈钢对氯离子很敏感。氯离子的活化作用使不锈钢合金的钝化膜破坏，造成裸露出的金属与周围的连续钝化膜形成微电池。金属作为阳极被溶解形成微裂纹，裂纹在腐蚀和应力共同作用下扩展，导致断裂。

4　结论

根据以上分析，主要从两个方面进行改进。

（1）避免或尽量减少淀粉生产过程中加入氯化物作添加剂。（2）在工作介质无法改变的情况下，建议采用抗应力腐蚀（含氯离子介质）性能更好的钢种，

如含钼奥氏体钢（如0Cr18Ni12Mo2），或更加优良的双相不锈钢（如00Cr22Ni5Mo3N）。（3）通过合理的热处理和结构设计，降低零件制造过程中产生的残余应力。

[1]杜存臣.奥氏体不锈钢在工业中的应用[J].化工设备与管道，2003，（2）：54-57.

[2]胡方.化工设备中奥氏体不锈钢的应力腐蚀和防护[J].化工设备与管道，2002，（3）：51-54.

[3]曹福想，张启礼.奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹失效分析及对策[J].南方金属，2008，(3)：9-11.

[4]张明乐.TP321H不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析[J].石油化工设备，2010，（4）：100.

[5]沈保罗，李旭初.奥氏体不锈钢产生氯脆的影响因素及对策[J].化工腐蚀与防护，1996，（2）：17-22.

[6]张振杰.奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂探讨[J].石油化工腐蚀与防护，2005，（2）：48-51.

[7]董超芳，关矞心，程学群.PH值对高温高压水中304L不锈钢应力腐蚀开裂的影响[J].北京科技大学学报，2010，（12）：1569-1573.

[8]张国华，李敬高.奥氏体不锈钢应力腐蚀分析研究[J].焊接技术，2002，（6）：53-54.

[9]肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京：冶金工业出版社，2006.

Research of Stress-corrosion Cracks of Austenitic Stainless Steel Components

ZHANG Xia,LI Yan
(Qindao College, Qingdao Technological University, Qingdao 266106)

Centrifuge drum body made of SUS301 steel occurred fracture. Through the field observation, material analysis, metallographic examination, macro-morphology and microstructure of broken pieces, were analyzed. It was found that the inner wall was stress-corroded and fra ctured due to the combined effects of Cl-ions and tensile stresses in a Cl-containing surrounding.

SUS301 stainless steel, stress corrosion, fracture