NaCl浓溶液中双相不锈钢的应力腐蚀开裂行为研究.pptx

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1、NaCl浓溶液中浓溶液中2205双相不锈钢的应力腐蚀开裂行为研究双相不锈钢的应力腐蚀开裂行为研究第1页/共26页2Contents背景背景1研究方法研究方法2试验内容试验内容3结论结论4第2页/共26页3DSS的发展历程及特点的发展历程及特点时时 间间主主 要要 特特 点点第第一一代代20世纪世纪40年代年代含高铬和钼，有很好的耐局部腐蚀能力，含高铬和钼，有很好的耐局部腐蚀能力，但但含碳量较高含碳量较高第第二二代代20世纪世纪70年代年代超低碳超低碳，并含钼、铜或硅等元素，提高拉，并含钼、铜或硅等元素，提高拉伸性能及耐点蚀和缝隙腐蚀能力伸性能及耐点蚀和缝隙腐蚀能力第第三三代代20世纪世纪80年

2、代年代含碳量更低含碳量更低，含高钼和高氮，具有良好的，含高钼和高氮，具有良好的耐孔蚀能力耐孔蚀能力1.含钼双相不锈钢在低应力下有良好的含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氧化物腐蚀耐氧化物腐蚀性能性能2.含钼双相不锈钢具有良好的含钼双相不锈钢具有良好的耐点蚀性能耐点蚀性能、有良好的、有良好的耐腐蚀疲劳耐腐蚀疲劳和和磨损磨损腐蚀性能腐蚀性能3.焊接性良好焊接性良好，焊后不需热处理，焊接，焊后不需热处理，焊接接头有良好的耐蚀性接头有良好的耐蚀性4.双相不锈钢在双相不锈钢在300C左右温度下左右温度下使用，使用，有脆性倾向有脆性倾向，含铬量越低，脆，含铬量越低，脆性相的危害也越小性相的危害也越小第3页

3、/共26页4双相不锈钢的耐蚀性双相不锈钢的耐蚀性晶间腐蚀：晶间腐蚀常常发生在焊后的热影响区内，主要是因为碳化物沿晶界析出造成贫铬区而引起的，双相不锈钢含碳量很低，同时其他合金量也保证了奥氏体在焊后热影响区的重新形成，这样使碳化物析出的危险减少到了最小程度，铁素体与奥氏体相相对平衡，从而避免了晶间腐蚀的发生。均匀腐蚀：均匀腐蚀的特点是在某一典型环境中，材料的保护钝化膜被大面积地破坏,且腐蚀速度是均匀的。研究表明：在40%以下的所谓稀硫酸中，双相不锈钢的耐腐蚀性比普通奥氏体不锈钢要好得多。局部腐蚀：在卤素(经常是Cl-)离子的环境中,经常可以看到点腐蚀和缝隙腐蚀，点腐蚀发生在与介质接触表面上，而缝

4、隙腐蚀则发生在螺母垫圈，某些残渣等沉积物和容器表面之间缝隙处。不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀的能力是由其铬、钼和氮含量来决定的，这些合金元素的影响是非常明显的。应力腐蚀：双相不锈钢耐应力腐蚀破裂的能力是极为优越的，比奥氏体不锈钢要好得多，其耐应力腐蚀破裂的能力随合金含量的增加而提高。第4页/共26页5应用领域应用领域在中性氯化物环境中应用 在化工生产中经常使用含有氯离子的淡水作为冷却液，导致在使用304L、316L等奥氏体不锈钢有应力腐蚀破裂的危险，而双相不锈钢正是可以代替经常使用奥氏体不锈钢解决这一问题炼油工业 主要用于常减压蒸馏、催化裂化和加氢脱硫等装置石油化工行业 石油化工行业的腐蚀环境特征是

5、反应温度高，介质中常含有高浓度或中等浓度的氯化物，易诱发不锈钢应力腐蚀。在这一领域中不仅使用双相不锈钢，更多使用超级双相不锈钢。纸浆和造纸行业 在化肥行业如尿素、磷肥等行业双相不锈钢也得到了大量的应用第5页/共26页6重要概念重要概念双相不锈钢（Duplex Stainless Steel）DSS指不锈钢中既具有奥氏体(),又有铁素体()组织结构的钢种.而且此二相组织要独立存在，且含量较大，一般认为，在奥氏体基体上有而且此二相组织要独立存在，且含量较大，一般认为，在奥氏体基体上有15%的铁素体或在铁素体基体上有的铁素体或在铁素体基体上有15%的奥氏体，均可称为奥氏体的奥氏体，均可称为奥氏体+铁

6、铁素体双相不锈钢。素体双相不锈钢。第6页/共26页7重要概念重要概念应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking）SCC指一般奥氏体不锈钢在高温氯化物环境中,常常由于受到应力腐蚀的影响而发生应力腐蚀破裂的现象。应力腐蚀破裂遍及国民经济和国防建设的许多部门，它通常是在事先没应力腐蚀破裂遍及国民经济和国防建设的许多部门，它通常是在事先没有明显征兆、几乎没有宏观塑性变形的情况下突然发生材料的脆性断裂，有明显征兆、几乎没有宏观塑性变形的情况下突然发生材料的脆性断裂，引起各种灾难事故。据调查，应力腐蚀破裂占全部腐蚀破坏事故的引起各种灾难事故。据调查，应力腐蚀破裂占全部腐蚀破坏事故的4

7、5.6%。第7页/共26页8产生应力腐蚀破裂的条件产生应力腐蚀破裂的条件产生应力腐蚀必须存在一定的拉应力，这种拉应力可能是使用条件下外加载荷造成的工作应力，也可能是冷加工、焊接、装配中产生的残余应力和热应力等，当拉应力大于应力腐蚀临界应力值时才会产生应力腐蚀破裂。金属本身对应力腐蚀具有敏感性。一般来说，合金和含有杂质的金属比纯金属容易产生应力腐蚀存在能引起该金属发生应力腐蚀破裂的特定杂质。每种合金的应力腐蚀只是对某些特定的介质敏感，如不锈钢在含氯离子的介质中容易发生应力腐蚀破裂。第8页/共26页9应力腐蚀机理应力腐蚀机理近代解释应力腐蚀破裂的理论很多，但由于引起应力腐蚀破裂的因素非常复杂，因此

8、至今尚无统一的见解，其中阳极溶解理论和氢脆理论是较为人们所接受的理论。一般认为，黄铜的氨脆和奥氏体不锈钢的氯脆属于阳极溶解型，而高强钢在水介质和湿硫化氢中的SCC属于氢致开裂型。氢脆理论认为：蚀孔底部或裂纹尖端形成的闭塞电池内的PH很低，有利于阴极析氢反应的进行，析出的部分氢进入金属，引起金属脆化，在拉应力作用下应力腐蚀裂纹扩展直至脆性断裂。第9页/共26页防止防止SCC的措施的措施为了防止SCC，主要从以下几个方面采取措施：1.选材：避免使用敏感材料；2.消除应力：改进结构设计、消除残余应力等；3.涂层：将材料表面与环境分开；4.改善介质环境：减少有害成分、加入缓蚀剂、改变电位、促进成膜、阻

9、止氢或有害物质的吸附；5.电化学保护：由于应力腐蚀开裂发生在活化-钝化和钝化-过钝化两个敏感电位区间，因此可以通过控制电位进行阴极保护或阳极保护防止SCC发生。10第10页/共26页11研究方法研究方法在含有氯化物的水环境中，双相不锈钢裂纹的产生可能与点蚀、选择性溶解的夹杂相有关。为此设计了如下的试验方法来进行研究：试验中采用低应变速率测试(应变速率为4.110-6S-1)技术来测定2205双相不锈钢的应力腐蚀开裂的敏感性，NaCl溶液的质量分数为126%，通N2去氧，ph值为6.0，温度从25C变化到90C，同时还采用AISI 316来进行对比研究。本文作者在试验前作的预测第11页/共26页

10、12低应变速率加载系统低应变速率加载系统低应变速率试验(Slow Strain Rate Test)方法属于动载荷加速试验方法，通过低应变速率试验机控制处于腐蚀介质中的试样产生恒定速率的缓慢变形。该方法的出发点是应力腐蚀的敏感性取决于应变速率，只有在适当的应变速率范围内，裂缝尖端的变形、溶解、成膜和介质扩散等才能处于产生应力腐蚀开裂的敏感状态，优点是快速、有效、重复性好。第12页/共26页132205双相不锈钢双相不锈钢90C下在下在不同浓度的氯化物溶液中不同浓度的氯化物溶液中（ph=6）的低应变速率测）的低应变速率测试的结果如左图试的结果如左图1示。在示。在B、C和和D曲线上，浓度在曲线上，

11、浓度在1到到26wt%之间变化时，应力之间变化时，应力-延伸率曲线几乎一样，这延伸率曲线几乎一样，这表明表明2205不锈钢的拉伸行不锈钢的拉伸行为与为与NaCl浓度无关浓度无关。NaCl浓度的影响浓度的影响Fig.11.温度不变2.Ph值不变仅仅改变NaCl溶液的浓度可以看到在不同的NaCl溶液浓度中三条曲线基本上一致第13页/共26页14温度的影响温度的影响从上图从上图2曲线可以看出，尽管曲线可以看出，尽管极限抗拉强度和延伸率极限抗拉强度和延伸率在断裂处在断裂处随着温随着温度度的增加而降低，但是从的增加而降低，但是从25C到到90C，变化并不是很明显变化并不是很明显，同时，同时Post Fr

12、actographical的分析表明，在的分析表明，在25C到到90C之间，并没有充之间，并没有充分的证据说明分的证据说明26wt%的的NaCl溶液（溶液（ph=6）中存在环境促使开裂的现）中存在环境促使开裂的现象，因而我们可以认为温度对象，因而我们可以认为温度对2205双相不锈钢的失效并没有影响。双相不锈钢的失效并没有影响。Fig.2Ph值不变NaCl溶液浓度不变仅仅改变温度第14页/共26页15为了比较，在大气环境温度下和在为了比较，在大气环境温度下和在90C、26wt%的的NaCl溶液溶液（ph=6）中，对）中，对2205双相不锈钢和双相不锈钢和316不锈钢进行低应变速率测试试不锈钢进行

13、低应变速率测试试验，结果如上图验，结果如上图3所示。在所示。在大气温度大气温度下测试得到的应力下测试得到的应力延伸率曲线上延伸率曲线上可以看出，可以看出，2205不锈钢的强度更高，而不锈钢的强度更高，而316奥氏体不锈钢则较低奥氏体不锈钢则较低。90C时，在质量分数为时，在质量分数为26%的的NaCl溶液（溶液（ph=6.0）中，可以观察到两）中，可以观察到两种合金的强度和延展性都减少，但是对于种合金的强度和延展性都减少，但是对于2205双相不锈钢双相不锈钢，它的，它的强度强度还是比还是比316不锈钢要高。不锈钢要高。Fig.3A和A为2205B和B为3162205与与316对比分析对比分析第

14、15页/共26页16v图图4示出了示出了2205双相不锈钢和双相不锈钢和316不锈钢在不锈钢在90下下ph=6.0的的26wt%的的NaCl溶液中的低应变速率测试所得的断裂表面的溶液中的低应变速率测试所得的断裂表面的SEM微观组织。如图微观组织。如图4（a），可以看到），可以看到2205双相不锈钢出现双相不锈钢出现杯锥状杯锥状的颈缩的颈缩，并且在整个断裂面都可以看到，并且在整个断裂面都可以看到韧窝韧窝，表明在测试温度下，表明在测试温度下的氯化物浓溶液中不存在不锈钢腐蚀开裂。然而，对于的氯化物浓溶液中不存在不锈钢腐蚀开裂。然而，对于316奥氏奥氏体不锈钢，如图（体不锈钢，如图（c）示，可以看到）

15、示，可以看到穿晶断裂穿晶断裂，表明发生了不锈，表明发生了不锈钢腐蚀开裂。钢腐蚀开裂。结果表明：与奥氏体不锈钢相比，在氯化物溶液中，结果表明：与奥氏体不锈钢相比，在氯化物溶液中，双相不锈钢更能抵抗腐蚀开裂。双相不锈钢更能抵抗腐蚀开裂。Fig.4 断裂表面的断裂表面的SEM微观组织微观组织第16页/共26页1790C下，下，ph=6的的26%NaCl溶液中，溶液中，外加电位对外加电位对2205双相不锈钢的拉伸双相不锈钢的拉伸行为如左图行为如左图5示，应力示，应力-延伸率曲线显延伸率曲线显著的被分成著的被分成两个部分两个部分。在开路电位。在开路电位（-640mV）和）和低于低于-160mV的外加电的

16、外加电位下，极限拉伸强度和延伸率曲线与位下，极限拉伸强度和延伸率曲线与在大气环境条件下很接近。在大气环境条件下很接近。然而，当外加电位高于然而，当外加电位高于-160mV时，时，却可以看到却可以看到环境辅助开裂环境辅助开裂，延伸率的延伸率的显著降低就是有力的证据。显著降低就是有力的证据。Fig.5外加电位的影响外加电位的影响其余条件不变，只改变外加电位开路电位或电位低于-160mv电位高于-160mv曲线第17页/共26页18v上图上图6给出了在低应变速率测试下给出了在低应变速率测试下开裂试样的宏观组织开裂试样的宏观组织：v当电位当电位低于低于-160mV时，试样表面发生急剧颈缩，但是时，试样

17、表面发生急剧颈缩，但是没有发没有发现点蚀现点蚀。v当电位远当电位远高于高于-160mV时，试样表面将会发生时，试样表面将会发生严重的点蚀严重的点蚀。外加电位影响下的宏观组织外加电位影响下的宏观组织Fig.6白色的点蚀部位第18页/共26页19在温度为在温度为90C、电位为、电位为-90mV时，时，2205双相不锈钢在双相不锈钢在26wt%的的NaCl溶液中的开裂图如左图溶液中的开裂图如左图7示。示。在这张微观组织图中，可以看到在这张微观组织图中，可以看到试样表面标有试样表面标有A的大点，同时可的大点，同时可以看到一些由这些点所引起的裂以看到一些由这些点所引起的裂纹，它们向里扩展、合并，最终纹，

18、它们向里扩展、合并，最终导致断裂。在导致断裂。在-140mV和和-125mV下可以看到同样的现象。微观组下可以看到同样的现象。微观组织分析表明：织分析表明：点蚀对点蚀对2205双相不双相不锈钢在氯化物浓溶液中的开裂锈钢在氯化物浓溶液中的开裂（至少在开始开裂阶段）起到了（至少在开始开裂阶段）起到了加速的作用加速的作用。Fig.7CLICK HERE TO PAGE21第19页/共26页20在温度为在温度为90C、电位为、电位为-140mV的的26wt%的中性的中性NaCl溶液中溶液中试样表面的点蚀试样表面的点蚀形态形态如上图如上图8（a）示。在点中可以看到棒状或是岛状特征，反应了该形貌）示。在点

19、中可以看到棒状或是岛状特征，反应了该形貌是是由先前溶解了双相不锈钢中的一相所引起的由先前溶解了双相不锈钢中的一相所引起的.就像就像Symniotis所说的那样，所说的那样，双双相不锈钢中每种相的优先溶解与电位有关相不锈钢中每种相的优先溶解与电位有关.在目前的研究当中，当电位远高在目前的研究当中，当电位远高于于-160mV时，在近中性的时，在近中性的26wt%NaCl溶液中，溶液中，相的优先溶解发生在点蚀相的优先溶解发生在点蚀中中.发生点蚀后，可以看到表面有穿晶断裂，而不是韧窝模式断裂（如上图发生点蚀后，可以看到表面有穿晶断裂，而不是韧窝模式断裂（如上图b），表明合金中发生了不锈钢的腐蚀开裂。换

20、言之，），表明合金中发生了不锈钢的腐蚀开裂。换言之，在温度为在温度为90C时，点时，点蚀有助于蚀有助于2205双相不锈钢在双相不锈钢在NaCl浓溶液中发生不锈钢的腐蚀开裂浓溶液中发生不锈钢的腐蚀开裂。Fig.8ab第20页/共26页21v图图9 对断裂表面的近一步观察揭示了，开裂方式伴随着对断裂表面的近一步观察揭示了，开裂方式伴随着相的选择性溶解相的选择性溶解进一步观察进一步观察图图7中标有中标有B的位置，可以发现的位置，可以发现棒状或是岛状的形貌（图棒状或是岛状的形貌（图9a），），裂纹合并导致了开裂方向的改变。裂纹合并导致了开裂方向的改变。位置位置C（图（图7）的扫描电镜微观组织图如的扫描

21、电镜微观组织图如图图9b示：在断裂表面，示：在断裂表面，随着随着相的优先溶解，可以看到大量平行的相的优先溶解，可以看到大量平行的相晶粒相晶粒。由表面点所引起的开裂的合并同样可以在由表面点所引起的开裂的合并同样可以在图图7D区域看到区域看到:随着这些表面开裂产生的随着这些表面开裂产生的穿晶开裂穿晶开裂见图见图9C。Fig.9第21页/共26页22v-90mV下下26wt%的的NaCl溶液中发生开裂的溶液中发生开裂的2205双相不锈钢的截面微观组织见双相不锈钢的截面微观组织见图图10。开裂起始于点，推进方向垂直于加载方向，然后变化一个角度，接着沿着。开裂起始于点，推进方向垂直于加载方向，然后变化一

22、个角度，接着沿着垂直与载荷的方向重新开始，最后就像发生颈缩一样，发生韧性失效。截面的微垂直与载荷的方向重新开始，最后就像发生颈缩一样，发生韧性失效。截面的微观图观图通过通过5g CuCl2+100mlHCl+100mlC2H5OH溶液溶液刻蚀刻蚀，结果如图，结果如图10b和和c示。示。图图10b的微观图表明仍然存在的微观图表明仍然存在相相，并且从与载荷方向垂直的表面区域析出。在倾，并且从与载荷方向垂直的表面区域析出。在倾斜的开裂表面，如斜的开裂表面，如图图10c示，同样示，同样可以明显看到有优先溶解可以明显看到有优先溶解。类似的现象在。类似的现象在-140mV和和-125mV下也可以发现。这项

23、研究得到的结果表明：下也可以发现。这项研究得到的结果表明：在开裂进行过程中，在开裂进行过程中，点蚀能够促使开裂和选择性溶解点蚀能够促使开裂和选择性溶解。在更高的电位下，选择性溶解效应将变得更加。在更高的电位下，选择性溶解效应将变得更加显著，结果是降低在低应变速率测试中延伸率。显著，结果是降低在低应变速率测试中延伸率。Fig.10第22页/共26页23v图图11分析了在加载电位下，双相不分析了在加载电位下，双相不锈钢的极限拉伸强度和均匀延伸率的锈钢的极限拉伸强度和均匀延伸率的特点：当电位特点：当电位高于高于-160mV时，极限拉时，极限拉伸强度和均匀延伸率都出现陡降。如伸强度和均匀延伸率都出现陡

24、降。如上所述，不锈钢腐蚀开裂发生在电位上所述，不锈钢腐蚀开裂发生在电位为为-160mV时。这些结果表明存在一个时。这些结果表明存在一个临界电位临界电位（-160mV），低于它时将），低于它时将不会发生不锈钢的腐蚀开裂。同样只不会发生不锈钢的腐蚀开裂。同样只有当测试电位高于有当测试电位高于-160mV时，才能观时，才能观察到试样上的点蚀。察到试样上的点蚀。Fig.11第23页/共26页24试验结论试验结论当温度在25C到90C之间时，2205双相不锈钢在近中性的NaCl溶液（最高浓度为26wt%）中对腐蚀开裂免疫。然而，存在一个发生点蚀的临界电位，高于这个值时，低应变速率测试中延伸率会急剧降低，表明此时2205双相不锈钢对腐蚀开裂的敏感性；点蚀可以引起开裂，而相的选择性溶解可以促使开裂的进展。第24页/共26页第25页/共26页26感谢您的观看。第26页/共26页