316不锈钢护栏腐蚀失效分析

(深圳市特种设备安全检验研究院, 深圳 518029)

不锈钢护栏以其耐腐蚀性和美观性逐步应用于桥梁护栏、道路护栏、工厂护栏及庭院护栏上[1]。某临近海边小区的316不锈钢护栏安装完约两个月后即出现腐蚀失效，为查明腐蚀失效原因，笔者对该316不锈钢护栏进行了失效分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

图1为腐蚀失效的316不锈钢护栏横截面形貌，可见其横截面呈“工”字形，壁厚约4 mm。图2和图3分别为图1中A侧表面和B侧表面的宏观形貌，可见腐蚀集中在靠近护栏两侧面的边缘位置，呈条带状分布，宽约5 mm；侧面中间部位未见腐蚀痕迹。肉眼下，腐蚀区域中心位置呈黑色，腐蚀区域外围为黄(红)褐色。

图1 失效护栏横截面宏观形貌Fig.1 Macro morphology of cross section of the failure guardrail

1.2 化学成分分析

在失效护栏侧面(带凹槽)和平直表面上分别截取试样，经清洗、干燥、打磨后，采用台式直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。可见护栏的化学成分均符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》对316不锈钢的成分要求。

图2 护栏A侧表面宏观形貌Fig.2 Macro morphology of A side surface of guardrail

图3 护栏B侧表面宏观形貌Fig.3 Macro morphology of B side surface of guardrail

表1 失效护栏的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the failure guardrail (mass fraction) %

1.3 金相检验

分别截取失效护栏横截面和侧表面(含腐蚀区域)试样，试样形貌如图4所示。可见护栏侧面与上、下表面采用焊接方式连接，焊缝宽约5 mm。腐蚀大致发生在熔敷金属表面，腐蚀区域宽度与焊缝宽度相当。经镶嵌、打磨、抛光后，用体积比为3∶1∶1的HCl+HNO3+甘油混合液进行浸蚀，采用金相显微镜观察其显微组织形貌。

图4 失效护栏的金相试样形貌Fig.4 Morphology of metallographic samples of the failure guardrail

失效护栏的显微组织形貌如图5～图8所示，可见母材1和母材2的显微组织均为奥氏体，奥氏体晶内存在孪晶[2]，奥氏体晶粒大小不均，如图5和图6所示。焊缝区显微组织为柱状晶+碳化物[3]，如图7和图8所示。

图5 母材1的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of base material 1

图6 母材2的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of base material 2

图7 焊缝显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of weld seam

图8 焊缝横截面显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of cross section of weld seam

1.4 扫描电镜及能谱分析

截取护栏腐蚀部位试样，经干燥后置于扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)仪下进行分析，如图9所示。可见腐蚀产物中主要含有氧、铁、碳、氯等元素，其中氧元素含量最高，远高于氯元素含量。

图9 腐蚀产物EDS分析位置和EDS分析结果Fig.9 EDS analysis a) position and b) results of corrosion products

将金相试样置于SEM下进行观察，并进行EDS分析，结果见图10和表2。由表2可知，焊缝区的化学成分与两侧母材的化学成分差别较大。焊缝区铬、镍元素含量均低于母材，但锰元素含量高于母材。

图10 金相试样的EDS分析位置示意图Fig.10 Diagram of EDS analysis positions of metallographic sample

2 分析与讨论

由化学成分分析结果可知，护栏带凹槽侧面及平直表面母材化学成分均符合GB/T 20878—2007对316不锈钢的成分要求。

由金相检验结果可知，发生腐蚀的“工”字形护栏采用角焊接方式焊接而成，焊缝位于带凹槽侧面与平直表面连接处。焊缝宽约5 mm。结合宏观检测结果可知，腐蚀基本发生在焊缝熔敷金属表面，腐蚀区域宽约5 mm，与焊缝宽度相当。护栏母材显微组织为奥氏体，奥氏体晶粒内存在孪晶，且奥氏体晶粒尺寸大小不均匀，表明不锈钢母材冷加工残余应力较大[4]。焊缝区域显微组织为柱状晶+碳化物。

表2 金相试样的EDS分析结果(质量分数)Tab.2 EDS analysis results of metallographic sample (mass fraction) %

由SEM及EDS结果可知，腐蚀产物中主要含有氧、铁、碳、氯等元素，氧元素含量最高，氧元素含量远高于氯元素含量。同时焊缝及两边的母材区域中，焊缝区铬、镍元素含量低于母材，但锰元素含量远高于母材，表明熔敷金属化学成分与母材存在较大的差异。

腐蚀产物主要呈现黄(红)褐色，且氧元素含量最高，说明护栏在熔敷金属表面发生了氧腐蚀，属于电化学腐蚀[5]。焊缝显微组织中存在柱状晶，存在成分偏析，同时焊缝区化学成分与母材存在明显差异，造成两者之间存在较大的电极电位差。同时在焊接后，焊缝处存在一定的焊接残余应力。由于护栏安装位置临近海边，空气湿度较大，并含有微量盐分，护栏在焊缝熔敷金属区域发生电化学腐蚀和应力腐蚀，在该两种腐蚀的综合作用下该316不锈钢护栏腐蚀失效。

3 结论及建议

护栏焊缝区与母材化学成分存在明显差异，使

得两者之间存在较大的电极电位差，焊缝处存在一定的焊接残余应力。且安装位置临近海边，空气湿度大，该护栏在焊缝熔敷金属区域发生电化学腐蚀和应力腐蚀，在该两种腐蚀的综合作用下最终造成护栏腐蚀失效。

建议采用合适的焊条对316不锈钢进行焊接，以获得最佳的耐腐蚀性能，同时316不锈钢焊后宜进行退火处理。