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304、316不鏽鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究

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日期:2017-12-05 瀏覽:
   不鏽鋼具有優良的抗均勻腐蝕的性能,但如果在450-900℃的腐蝕性介質中使用時,不鏽鋼極易發生晶間腐蝕甚至應力腐蝕開裂。因此研究能夠及時檢測不鏽鋼晶間腐蝕的方法具有極為重要的意義。到目前為止,已經有很多的實驗方法被作為檢測晶問腐蝕的標準,例如,硫酸.硫酸銅.銅屑法、沸騰硝酸法、硝酸.氟化物法、硫酸.硫酸鐵法。這些傳統的方法雖然都可以用來檢測不鏽鋼的晶間腐蝕,但是都存在一些不盡人意的地方,或對試樣有損壞作用,或需要很長時間,或不能定量地檢測晶間腐蝕的程度。所以,工業上急需一種快速、無損的檢測方法。

不鏽鋼腐蝕
 
   不鏽鋼之所以會發生晶間腐蝕,是因為不鏽鋼中的碳在較低的溫度下以富鉻碳化物的形式析出,使得晶界和鄰近區域的鉻含量下降,形成一個貧鉻區。這個貧鉻區域很容易被腐蝕,導致晶間腐蝕或者應力腐蝕開裂。為了將晶界的性質與晶間腐蝕聯係起來,很多研究者通過經驗或分析模型,對貧鉻區進行了定量的理論研究。例如,Stawstr(o)m和Hillert、Was和Kruger以及Bruemmer等采用熱力學模型研究了碳在晶界和晶粒內部的濃度分布。雖然由熱力學公式所建立的模型能夠與實驗數據相符,但是大量的實驗表明,鉻濃度達到最低值需要一定時間,並不是在沉澱開始析出時就達到最低濃度。所以,Sahlaoui等將敏化分為兩部分:沉澱物的成核和生長。Yin等人提出的模型則包括了鉻在三個方向上的分布情況,不僅模擬了敏化時間、溫度對鉻濃度分稚的影響,還研究了晶粒尺寸對鉻濃度分布的影響。一般來說,這些模型在研究敏化與去敏化的過程中是相當成功的,但是這些模型隻能給出鉻在晶界處沿某個方向的分布情況,並不能顯示整個區域內的分布情況。
 
   本文的研究目的是采用更加快速、無損、能夠用於現場的實驗方法來檢測不鏽鋼的晶間腐蝕,研究各因素對不鏽鋼晶間腐蝕的影響,並且通過建立合理的理論模型,模擬沉澱物的析出過程、鉻在整個區域內的三維濃度分布、以及不同實驗條件對不鏽鋼晶間腐蝕的影響。本文采用電化學動電位再活化法(EPR)法研究了固溶處理以及敏化處理對304、316不鏽鋼晶間腐蝕的影響,並通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜(EDS)、電子背散射衍射(EBSD)對晶間腐蝕做了進一步的研究,探討了引起不鏽鋼晶間腐蝕變化的因為。通過元胞自動機方法(CA)模擬了晶粒的生長、富鉻碳化物的析出過程、鉻的三維濃度分布,直觀地展示了固溶處理和敏化處理等實驗條件對晶間腐蝕的影響。另外,還通過元胞自動機方法,研究了冷加工對304不鏽鋼晶間腐蝕的影響,模擬了冷加工過程中的重結晶和粒徑的變化情況,討論了粒徑的變化以及敏化處理對富鉻碳化物的析出、鉻濃度分布的影響。本文利用電位階躍法研究了304不鏽鋼的晶間腐蝕行為,找到了最佳的實驗條件,並討論了不同處理條件對304不鏽鋼晶間腐蝕的影響。論文的主要研究內容和研究結果如下:
 
   1.304不鏽鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究
   將304不鏽鋼在900、1000和1100℃固溶處理0、0.25、0.5、1、2和6小時,然後在650℃敏化12小時。為了研究敏化處理對304不鏽鋼晶問腐蝕的影響,首先將試樣在1100℃固溶處理1小時,然後在600、650和700℃敏化0-72小時。從電化學動電位再活化法得到的結果可知,隨著固溶處理溫度的升高和固溶時間的增加,敏化度不斷降低。對於沒有經過固溶處理的試樣來說,其敏化度高達85.1%,而固溶處理後的試樣其敏化度下降得非常明顯,例如,當試樣在1100℃固溶處理的時間從0延長到6小時,敏化度從85.1%降到了10.4%。在其它的固溶處理溫度下,敏化度隨固溶處理時間的變化情況也是一樣的,隨著固溶處理時間的增加而降低,這表明不鏽鋼晶間腐蝕的程度是逐漸減弱的。而隨著敏化溫度的升高,敏化度逐漸增加。當敏化時間為24小時,敏化度從21.9%上升到
   33.3%,這意味著晶間腐蝕隨著敏化溫度的升高是加重的。出SEM得到的腐蝕形貌圖,非常清楚地顯示了固溶處理溫度、時間以及敏化溫度對晶間腐蝕的影響,與電化學實驗的結果是一致的。為了進一步研究引起晶間腐蝕的因素,分析了鉻在晶界處的濃度與晶粒大小之間的關係,其結果與理論計算相符合,這說明晶粒尺寸的改變引起了晶間腐蝕的變化。而敏化溫度對晶間腐蝕的影響則主要是由於鉻的擴散速率而引起的。溫度越高,鉻原子的擴散速率越快,析出的沉澱物也就越多,因此,晶間腐蝕的程度隨著敏化溫度的升高逐漸加重。采用元胞自動機模擬方法,模擬了晶粒的生長,富鉻碳化物的析出以及鉻的三維濃度分布,形象地反映了晶粒尺寸、敏化溫度等對晶間腐蝕的影響。
 
   2.316不鏽鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究
   將316不鏽鋼在1000、1050和1100℃固溶處理0、0.25、0.5、1和2小時,然後在700℃敏化48小時。為了研究敏化處理對316不鏽鋼晶間腐蝕的影響,首先將試樣在1100℃固溶處理1小時,然後在600、650和700℃敏化0-96小時。根據電化學動電位再活化法得到的結果可知,隨著固溶處理溫度、時間的升高,敏化度不斷降低。當試樣沒有經過固溶處理時,試樣的敏化度高達90%,而在1100℃固溶處理後,敏化度急劇下降。當固溶處理時間從0.25小時增加到2小時,敏化度從35.2%幾乎降到了0%。在1000℃和1050℃,試樣的敏化度隨著固溶處理時間的變化趨勢與在1100℃時的變化趨勢基本相同,這說明不鏽鋼晶間腐蝕的程度是逐漸減弱的。而隨著敏化溫度的升高,敏化度逐漸增加,這意味著晶間腐蝕隨著敏化溫度的升高而加重。由SEM得到的腐蝕形貌圖,清楚地顯示了固溶處理溫度、時間以及敏化溫度對晶間腐蝕的影響,與電化學實驗的結果是一致的。EBSD實驗結果表明,低∑-CSL晶界的比例並沒有隨著固溶處理溫度的升高而增加,這說明了晶間腐蝕隨著固溶處理溫度、時間的增加而減輕並不是由於低∑-CSL晶界的變化引起的。對於經過敏化處理的試樣來說,其低∑-CSL晶界的含量隨著敏化溫度的升高不斷增加,說明晶間腐蝕應該隨著敏化溫度的升高而減弱,但這與EPR的實驗結果是相矛盾的。所以敏化處理對不鏽鋼晶間腐蝕的影響也不是低∑-CSL晶界的變化引起的。而從SEM得到的實驗結果可以看到,晶粒的大小隨著固溶處理和敏化處理條件的變化呈現出規律性的變化趨勢,能夠很好地解釋不同實驗條件對晶間腐蝕的影響。因此采用元胞自動機模擬方法模擬了晶粒的生長、富鉻碳化物的析出以及鉻的三維濃度分布,形象地反映了晶粒尺寸、敏化溫度等對晶間腐蝕的影響。
 
   3.元胞自動機法研究冷加工對不鏽鋼晶間腐蝕的影響
   采用元胞自動機法模擬了冷加工304不鏽鋼晶間腐蝕的影響,模擬了重結晶過程以及敏化時間、變形量對晶間腐蝕的影響,清楚地顯示了各因素對沉澱物的析出、鉻濃度分布的影響。從模擬結果得到的重結晶動力學曲線與根據經典的重結晶動力學方程計算的結果是一致的,說明了該模擬方法的正確性。從模擬結果可以看到,變形量越大,重結晶後的晶粒尺寸越小。這是由於變形量越大,變形儲存能增加。從而導致了成核位置的增多,使得重結晶後的晶粒尺寸減小。隨著晶粒尺寸的增大,晶間腐蝕的程度是減弱的。對於敏化溫度的影響,則是由於鉻的擴散速率受溫度影響而造成的。
 
   4.電位階躍法研究304不鏽鋼的晶間腐蝕
   采用電位階躍法,結合了恒電位脈衝法與電化學再活化法的優點,定量地研究了304不鏽鋼的晶間腐蝕,討論了不同實驗條件對晶間腐蝕的影響。通過改變實驗條件,確定了檢測晶間腐蝕的最佳實驗方案。結果表明,鈍化電位對實驗結果沒有顯著的影響。而活化電位的影響比較大。在活化電位較低時,電流能在更短的時間內達到最大值,並保持基本不變,而當活化電位較高時,電流上升得較慢,不能達到最大值。因此,所有實驗都是在一個較低的活化電位下進行的。SEM結果表明,電化學實驗後的試樣發生了晶間腐蝕,這說明了電位階躍法可以用來檢測不鏽鋼的晶間腐蝕。與傳統的電化學動電位再活化法相比,此方法更加快速,而且對試樣的損傷也比較小。

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