魏仁超，陳學(xué)東，范志超，聶德福，吳喬國(guó)，金有海

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580;2.合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥 230001)

試驗(yàn)研究

濕H2S及Cl-環(huán)境下FV520B不銹鋼的應(yīng)力腐蝕行為研究

魏仁超1,2，陳學(xué)東1,2，范志超2，聶德福2，吳喬國(guó)2，金有海1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580;2.合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥 230001)

采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)研究了FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼在濕H2S、NaCl及濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，并討論了介質(zhì)濃度對(duì)應(yīng)力腐蝕行為影響。結(jié)果表明：FV520B鋼在濕H2S+NaCl環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性最大，隨H2S濃度升高，F(xiàn)V520B鋼抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率降低，應(yīng)力腐蝕敏感性增大。FV520B鋼在濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境的恒位移加載應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)表明：濕H2S+ NaCl腐蝕介質(zhì)能夠顯著降低FV520B鋼的斷裂韌性，隨H2S濃度升高，應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC減?。辉嚇訑嗫谛蚊卜治霰砻?，在濕H2S+ NaCl腐蝕介質(zhì)中SCC試樣斷口呈準(zhǔn)解理形貌，為氫脆型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，Cl-具有一定的誘導(dǎo)促進(jìn)作用。

FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼;應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;H2S腐蝕

葉輪作為離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件，在服役過(guò)程中除承受旋轉(zhuǎn)離心力、裝配過(guò)盈力、氣體壓力及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的振動(dòng)外，同時(shí)直接與壓縮輸送的介質(zhì)接觸。復(fù)雜應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的共同作用下，材料性能劣化，離心壓縮機(jī)在投入使用不久后即發(fā)生葉輪葉片斷裂的情況仍有發(fā)生[1～4]。

FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼因其強(qiáng)度高、韌性好、耐蝕性好等優(yōu)良的綜合性能，在離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件上得到了廣泛應(yīng)用。某五級(jí)葉輪循環(huán)氫壓縮機(jī)的一級(jí)葉輪在僅服役4個(gè)月就發(fā)生了失效斷裂，經(jīng)成分、斷口形貌、力學(xué)性能等分析發(fā)現(xiàn)其失效模式為硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[3,4]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn)，壓縮介質(zhì)為循環(huán)氫，其中除大量H2外，還含少量的H2S、H2O以及微量的氯化物；循環(huán)氫壓縮機(jī)服役溫度不高，H2S及H2O在葉輪葉片的聚集極易形成局部濕H2S腐蝕環(huán)境，腐蝕葉片表面并促進(jìn)裂紋形成，在高離心力作用下使得葉輪葉片過(guò)早斷裂，嚴(yán)重影響葉輪葉片的服役安全。

針對(duì)上述含濕H2S及氯化物的腐蝕服役環(huán)境及離心壓縮機(jī)葉輪葉片硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效模式，以循環(huán)氫壓縮機(jī)葉輪材料FV520B鋼為研究對(duì)象，采用慢應(yīng)變速率拉伸試樣研究其在濕H2S、NaCl及濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性大小，對(duì)比分析H2S和Cl-對(duì)FV520B鋼應(yīng)力腐蝕行為的影響；并在此基礎(chǔ)上采用恒位移加載試驗(yàn)研究敏感腐蝕環(huán)境對(duì)FV520B鋼斷裂韌性的影響，獲得敏感腐蝕環(huán)境中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC，為優(yōu)化離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼熱軋鋼板，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)EN10088-1中對(duì)材料成分的要求。

表1 FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼化學(xué)成分

FV520B鋼對(duì)熱處理非常敏感，通過(guò)熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整可以獲得高強(qiáng)度或高韌性等力學(xué)性能[5～10]。經(jīng)1050 ℃固溶處理后的FV520B鋼主要為馬氏體組織，具有良好的強(qiáng)度與韌性匹配[5]；中間調(diào)整處理可以改變Ms點(diǎn)以調(diào)整逆轉(zhuǎn)變奧氏體量，并且可通過(guò)析出相的析出來(lái)細(xì)化馬氏體晶粒，中間調(diào)整處理溫度升高，F(xiàn)V520B鋼的強(qiáng)度提高塑性略下降；在相同的調(diào)整處理溫度下，隨時(shí)效溫度升高，強(qiáng)度先下降后升高，其塑性變化規(guī)律正好相反，中溫時(shí)效(620～630 ℃)可獲得較好的耐腐蝕性能及抗氫脆性能[11～13]。結(jié)合大量FV520B鋼熱處理工藝研究結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行如下熱處理：

(1)1050 ℃固溶處理2 h，油淬至200 ℃后空冷至室溫；

(2)780 ℃中間調(diào)整處理2 h，油淬；

(3)620 ℃時(shí)效3 h，空冷至室溫。

1.2 試驗(yàn)介質(zhì)

根據(jù)循環(huán)氫壓縮機(jī)實(shí)際服役環(huán)境，為了闡明濕H2S及Cl-腐蝕環(huán)境下FV520B鋼的腐蝕敏感性及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為，參考?xì)W洲腐蝕聯(lián)合會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)EFC)第16號(hào)公報(bào)[15]，分別在濕H2S腐蝕介質(zhì)、Cl-腐蝕介質(zhì)及濕H2S+Cl-腐蝕介質(zhì)中開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，如表2所示，試驗(yàn)之前溶液均通N2進(jìn)行除氧。不飽和H2S水溶液由Na2S·9H2O與HCl或H2SO4反應(yīng)生成并充分溶解于去離子水中得到，H2S濃度分析采用碘量滴定分析方法[16]。

表2 SSRT試驗(yàn)介質(zhì)

1.3 試樣制備及試驗(yàn)步驟

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)采用光滑圓棒拉伸試樣(如圖1(a)所示)以研究FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性[17]，試樣工作段用320#，600#，1000#及2000#水砂紙逐級(jí)打磨，經(jīng)蒸餾水沖洗、無(wú)水乙醇和丙酮超聲清洗后冷風(fēng)吹干，在SERT-500-D9H慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)變速率為3.33×10-6s-1。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)記錄載荷、位移、時(shí)間等參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束后取出試樣進(jìn)行尺寸測(cè)量，獲取用于評(píng)價(jià)材料和腐蝕介質(zhì)應(yīng)力腐蝕敏感性的抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率、內(nèi)積功等參數(shù)；試樣經(jīng)超聲清洗后采用掃描電子顯微鏡觀察試樣斷口微觀形貌。

(a) 拉伸試樣

(b) WOL試樣

在FV520B鋼應(yīng)力腐蝕敏感性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用WOL(楔形張開(kāi)加載)試樣進(jìn)行恒位移加載應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[18]，測(cè)量FV520B鋼在敏感性最高的腐蝕介質(zhì)中的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC及裂紋擴(kuò)展速率da/dt，試樣尺寸如圖1(b)所示。WOL試樣在試驗(yàn)前先在MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋并取a0/W=0.5,預(yù)制疲勞裂紋所用頻率為18 Hz，應(yīng)力比R=0.1，最大載荷為11.87 kN。分別測(cè)量每個(gè)WOL試樣的參數(shù)尺寸以及疲勞裂紋長(zhǎng)度，精確到0.01 mm，參考平面應(yīng)變條件選擇初始應(yīng)力強(qiáng)度因子。

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)計(jì)算試樣的加載載荷P，并由P-V曲線(xiàn)確定試樣的張開(kāi)位移，利用加載螺栓加載后放在試驗(yàn)介質(zhì)中，缺口朝上保證腐蝕介質(zhì)液位高于預(yù)制疲勞裂紋并低于加載螺栓。含飽和H2S的溶液通過(guò)每天通一定時(shí)間來(lái)保持H2S處于飽和狀態(tài)，含不飽和H2S的溶液則通過(guò)定時(shí)更新腐蝕溶液來(lái)保持溶液濃度基本恒定。浸泡試樣每間隔一定時(shí)間取出利用工具顯微鏡觀察記錄裂紋長(zhǎng)度a隨浸泡時(shí)間t的變化過(guò)程，浸泡前期由于應(yīng)力強(qiáng)度因子較大，裂紋擴(kuò)展快，取出觀察的時(shí)間間隔相應(yīng)較短(24 h)，隨浸泡時(shí)間增加裂紋擴(kuò)展速率下降，后期取出觀察的時(shí)間間隔逐漸增大，直至裂紋擴(kuò)展速率低于10-7mm/s。

隨著裂紋擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度a增大，應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)Y則有所增大從而使KI有所增大，而隨著裂紋擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)的螺栓載荷P下降從而使得KI下降。對(duì)于恒位移試件，P下降對(duì)KI的影響大于a增大對(duì)KI的影響[19,20]，故最終使得隨著裂紋擴(kuò)展，KI不斷下降直至裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到約定的臨界值，最終的KI也逼近KISCC。根據(jù)柔度標(biāo)定曲線(xiàn)確定裂紋擴(kuò)展過(guò)程中載荷P隨裂紋長(zhǎng)度a的變化，計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率da/dt及每一測(cè)量時(shí)刻的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI；試驗(yàn)終止后，將試樣取出并拉斷，測(cè)量最終的有效裂紋長(zhǎng)度，計(jì)算對(duì)應(yīng)的KI作為材料的KISCC，并在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 FV520B鋼在濕H2S、NaCl及濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性

FV520B鋼在濕H2S、NaCl及濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)中的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。分別以抗拉強(qiáng)度σf、斷后延伸率δ及應(yīng)力位移曲線(xiàn)所圍面積(即內(nèi)積功ψ)作為應(yīng)力腐蝕敏感性大小的評(píng)定依據(jù)，列于表3。由圖2(a)可以看出，濕H2S腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼抗拉強(qiáng)度、試樣伸長(zhǎng)及內(nèi)積功較N2環(huán)境有所下降，并且隨H2S濃度增大，下降幅度越大，應(yīng)力腐蝕敏感性較高。圖2(b)中，2%及3.5% NaCl溶液中FV520B鋼試樣伸長(zhǎng)略下降，而抗拉強(qiáng)度反而略增大，即沒(méi)有應(yīng)力腐蝕傾向；而5% NaCl溶液中，F(xiàn)V520B鋼抗拉強(qiáng)度、試樣伸長(zhǎng)及內(nèi)積功均有所降低，具有應(yīng)力腐蝕傾向。圖2(c)為濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)中的慢應(yīng)變速率拉伸曲線(xiàn)，相較于圖2(a)濕H2S腐蝕介質(zhì)，同等H2S濃度下其抗拉強(qiáng)度及試樣伸長(zhǎng)下降幅度更大，應(yīng)力腐蝕傾向更大。

(a) 濕H2S溶液

(b) NaCl溶液

(c) 濕H2S+NaCl溶液

介質(zhì)σf(MPa)δ(%)ψ(MPa·mm)ISSRTN21013.0618.323627.75/飽和H2S831.739.441395.060.55631000mg/LH2S926.1312.322077.990.3697500mg/LH2S925.0116.163046.190.18902%NaCl1031.6617.923690.810.00273.5%NaCl1057.2317.923894.4205%NaCl937.7015.442942.600.21235%NaCl+飽和H2S742.724.88583.720.77695%NaCl+1000mg/LH2S729.785.16631.520.77035%NaC+500mg/LH2S825.825.64814.260.7198

采用應(yīng)力-位移曲線(xiàn)上的單一指標(biāo)抗拉強(qiáng)度σf、延伸率δ或者內(nèi)積功ψ來(lái)評(píng)定FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性具有一定的局限性，因此本文將慢拉伸試驗(yàn)獲得的抗拉強(qiáng)度σf和斷后延伸率δ加以處理，計(jì)算得到應(yīng)力腐蝕指數(shù)ISSRT，較單項(xiàng)力學(xué)性能指數(shù)能更好地反映應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性，結(jié)果列于表3中。

(4)

以ISSRT表示的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性表明，F(xiàn)V520B鋼在上述3種腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性由高到低為：濕H2S+ NaCl環(huán)境>濕H2S環(huán)境> NaCl環(huán)境，并且隨介質(zhì)濃度的增大，F(xiàn)V520B鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性增大。

FV520B鋼在不同介質(zhì)中的SSRT拉伸斷口形貌如圖3所示，圖中右上角為斷裂試樣心部的局部放大圖像，右下角為斷口周?chē)木植糠糯髨D像。圖3(a)可以看出，N2環(huán)境中FV520B鋼的斷口出現(xiàn)明顯的頸縮并呈典型的杯錐狀，斷口心部和周?chē)薯g窩形貌，其斷后延伸率為18.32%，屬于韌性斷裂。5% NaCl腐蝕介質(zhì)中，斷口形貌與N2中類(lèi)似，斷口心部呈等軸韌窩形貌，四周呈撕裂韌窩特征(如圖3(b))，斷后延伸率相較于N2環(huán)境有所下降，仍屬于韌性斷裂。濕H2S腐蝕介質(zhì)中，隨H2S濃度不同，斷口形貌特征也不同。500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中，斷口心部為韌窩尺寸，四周覆蓋有少量黑色腐蝕產(chǎn)物(如圖3(c))；而飽和H2S腐蝕介質(zhì)中，斷口整體呈脆性斷裂特征，沒(méi)有頸縮現(xiàn)象，斷口表面覆蓋著腐蝕產(chǎn)物，斷口表面有二次裂紋(如圖3(d))，說(shuō)明隨H2S濃度增大，F(xiàn)V520B由韌性斷裂轉(zhuǎn)變成脆性斷裂。濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)中，F(xiàn)V520B鋼斷口四周均呈應(yīng)力腐蝕脆性斷裂，斷口上覆蓋著致密性較差的腐蝕產(chǎn)物，斷口心部則因H2S濃度高低而有所不同；5% NaCl+500mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中，試樣發(fā)生瞬斷的心部區(qū)域仍存在韌窩形貌特征，而5% NaCl+飽和H2S腐蝕介質(zhì)中，斷口心部則為明顯的應(yīng)力腐蝕脆性斷裂。隨H2S濃度的升高，試樣心部韌性瞬斷區(qū)占試樣斷口總面積的比例逐漸減小直至轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。濕H2S+Cl-環(huán)境下FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性高于濕H2S腐蝕環(huán)境和Cl-腐蝕環(huán)境，并且隨著H2S濃度的升高，F(xiàn)V520B鋼的SCC抗力降低，斷口形貌分析結(jié)果與SSRT曲線(xiàn)結(jié)果吻合。

圖3 FV520B鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的SSRT斷口形貌

2.2 FV520B鋼應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC

根據(jù)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果，濕H2S+Cl-腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性最高，由此開(kāi)展該腐蝕介質(zhì)中的恒位移加載應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，H2S濃度選取500 mg/L及飽和2個(gè)濃度，即C1、C3兩個(gè)介質(zhì)。

試驗(yàn)終止后，5% NaCl+ 500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中有兩個(gè)試樣因初始應(yīng)力強(qiáng)度因子K0較小(分別為54.3 MPa·m1/2及56.8 MPa·m1/2)并未發(fā)生擴(kuò)展，其他試樣根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的裂紋長(zhǎng)度a隨浸泡時(shí)間t的變化規(guī)律，采用Boltzmann擬合得到da/dt-t，將相應(yīng)時(shí)刻測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度a代入到式(2)中計(jì)算出對(duì)應(yīng)的KI，得到da/dt-KI曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)地表征裂紋的擴(kuò)展變化規(guī)律。5% NaCl+飽和H2S及5% NaCl+500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼裂紋擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的典型關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。在5% NaCl+飽和H2S及5% NaCl+ 500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC分別為43.8 MPa·m1/2及60.8 MPa·m1/2，腐蝕介質(zhì)下均為脆性斷裂，KISCC換算成能量釋放率GI則分別為9.6 kJ/m2和18.5 kJ/m2，遠(yuǎn)低于室溫大氣環(huán)境中FV520B鋼的靜態(tài)斷裂韌性JIC(102 kJ/m2)[21]并且隨著H2S濃度的升高，F(xiàn)V520B鋼的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子下降。

(a) 5% NaCl + 飽和H2S

(b) 5% NaCl + 500 mg/L H2S

對(duì)裂紋發(fā)生擴(kuò)展的試樣的裂紋開(kāi)裂處進(jìn)行斷口觀察，斷口形貌如圖5所示。5% NaCl+飽和H2S腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼的斷口形貌與5% NaCl+500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中的斷口形貌類(lèi)似：裂紋啟裂部位發(fā)生嚴(yán)重腐蝕并且多處出現(xiàn)裂紋分叉，斷口呈現(xiàn)河流花樣，明顯的準(zhǔn)解理斷裂，為典型的硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂特征，濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)顯著降低了FV520B鋼的斷裂韌性，H2S濃度不改變FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕機(jī)理。

(a) 5% NaCl + 飽和H2S

(b) 5% NaCl + 500 mg/L H2S

3 討論

FV520B鋼是一類(lèi)馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有高強(qiáng)度高韌性的特點(diǎn)，熱處理后的FV520B鋼以板條狀馬氏體為主，同時(shí)存在逆轉(zhuǎn)變奧氏體。慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于濕H2S環(huán)境及Cl-環(huán)境，F(xiàn)V520B鋼在有Cl-存在的濕H2S腐蝕環(huán)境下具有更高的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性。酸性環(huán)境下具有較強(qiáng)的吸附性Cl-、S2-吸附在試樣表面能夠加速破壞表面鈍化膜[22～24]，造成的大陰極小陽(yáng)極加速局部電極反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)。H2S能夠抑制其電離形成的H+結(jié)合形成氫分子[25,26]，使得氫原子聚集在試樣表面，在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下逐漸向試樣內(nèi)部擴(kuò)散。

恒位移加載應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)表明濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境中FV520B鋼的斷裂韌性顯著降低。螺栓加載時(shí)裂紋尖端應(yīng)力高度集中，在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子不斷向裂紋尖端擴(kuò)散并聚集，形成原子氫氣團(tuán)(Cottrell氣團(tuán))，氫分壓及外加應(yīng)力共同作用促進(jìn)局部塑性變形，增大裂紋擴(kuò)展動(dòng)力；而氫原子與金屬基體結(jié)合形成氫化物則會(huì)導(dǎo)致材料脆化，降低材料的斷裂韌度，造成裂紋尖端塑性下降[27,28]，從而促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展。在裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子起主導(dǎo)作用，H2S濃度越高，應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子會(huì)越低，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂越容易。FV520B鋼在濕H2S+NaCl腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)制為氫脆型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，同時(shí)Cl-具有一定的誘導(dǎo)促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

(1)FV520B馬氏體沉淀硬化不銹鋼在濕H2S、NaCl及濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性由高到低為：濕H2S+NaCl腐蝕環(huán)境>濕H2S腐蝕環(huán)境>NaCl腐蝕環(huán)境。即FV520B鋼在有Cl-存在的濕H2S腐蝕環(huán)境下具有更高的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，并且隨介質(zhì)濃度升高，F(xiàn)V520B鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性有所增大，抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率略有下降。

(2)濕H2S+Cl-腐蝕介質(zhì)能夠顯著降低FV520B鋼的斷裂韌性，隨著H2S濃度升高，F(xiàn)V520B鋼的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子下降。5% NaCl+飽和H2S及5% NaCl+500 mg/L H2S腐蝕介質(zhì)中FV520B鋼的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC分別為43.8 MPa·m1/2及60.8 MPa·m1/2。

(3)FV520B鋼在濕H2S+NaCl環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕機(jī)制為氫脆型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，Cl-的存在具有一定的誘導(dǎo)促進(jìn)作用。

[1] 高志杰,劉震,李丙寅,等.離心壓縮機(jī)首級(jí)葉輪貫穿性斷裂分析[J].設(shè)備管理與維修,2015(2):43-45.

[2] 胡圣忠.富氣壓縮機(jī)葉輪開(kāi)裂原因分析及對(duì)策[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2009,26(B05):63-68.

[3] CHU Qiaoling,ZHANG Min,LI Jihong.Failure analysis of impeller made of FV520B martensitic precipitated hardening stainless steel [J].Engineering Failure Analysis,2013,34:501-510.

[4] NIE Defu,CHEN Xuedong,FAN Zhichao,et al.Failure analysis of a slot-welded impeller of recycle hydrogen centrifugal compressor [J].Engineering Failure Analysis,2014,42:1-9.

[5] 喬桂英,肖福仁，譚朝鑫.熱處理對(duì)馬氏體不銹鋼Fv520(B)力學(xué)性能的影響[J].特殊鋼,1998,19(6):18-20.

[6] 牛靖,董俊明,付永紅,等.FV520(B)鋼時(shí)效組織和力學(xué)性能分析[J].熱加工工藝,2006,35(4):33-36.

[7] 周倩青,翟玉春.高強(qiáng)高韌FV520B馬氏體鋼的時(shí)效工藝優(yōu)化[J].金屬學(xué)報(bào),2009,45(10):1249-1254.

[8] 肖福仁.調(diào)整處理對(duì)FV520(B)不銹鋼組織與性能的影響[J].金屬熱處理學(xué)報(bào),1999,20(4):35-40.

[9] 牛靖,董俊明,付永紅,等.時(shí)效對(duì)FV520( B)鋼組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2007,32(4):30-33.

[10] 樊俊鈴,郭杏林,吳承偉,等.熱處理對(duì)FV520B鋼疲勞性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào),2012,26(1):61-67.

[11] 喬桂英.熱處理對(duì)FV520(B)鋼抗H2S應(yīng)力腐蝕性能的影響[J].鋼鐵,1999,34(11):48-50.

[12] 趙亮.FV520(B)鋼不同時(shí)效溫度的極化曲線(xiàn)和力學(xué)性能[J].熱處理技術(shù)與裝備,2015,36(2),35-38.

[13] 周倩青,雍興平,翟玉春.時(shí)效處理對(duì)FV520B馬氏體時(shí)效鋼的氫脆敏感性的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2008,20(6):416-419.

[14] 張敏,黃曉江,李繼紅,等.時(shí)效溫度對(duì)沉淀硬化不銹鋼FV520(B)組織及低溫力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝,2010 (20):149-151.

[15] EFC Publications No.16,Guidelines on Materials Requirements for Carbon and Low Alloy Steels for H2S-Containing Environments in Oil and Gas Production[S].Reprinted with Corrections,1998.

[16] 陳學(xué)東.濕H2S及硝酸鹽環(huán)境中低合金高強(qiáng)度鋼制壓力容器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性條件分析與安全保障技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2004.

[17] GB/T 15970.7-2000金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)[S].

[18] GB/T 15960.6-2007金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第6部分：恒載荷或恒位移下預(yù)裂紋試樣的制備與應(yīng)用[S].

[19] 霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:394 -400.

[20] 王炳英,霍立興,張玉鳳,等.X80管線(xiàn)鋼焊接接頭的硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究[J].壓力容器,2006,23(7):15-18.

[21] WU Qiaoguo,CHEN Xuedong,FAN Zhichao,et al.Engineering fracture assessment of FV520B steel impeller subjected to dynamic loading[J].Engineering Fracture Mechanics,2015,146:210-223.

[22] 龐慧芳.17-4PH馬氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

[23] Tsai W T,Chen M S.Stress corrosion cracking beheavior of 2205 duplex stainless steel in contained NaCl Solution[J].Corrosion Science,2000,42(3):545-559.

[24] 劉智勇,董超芳,李曉剛,等.硫化氫環(huán)境下兩種不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(3):318-323.

[25] 郝文魁,劉智勇,杜翠薇,等.35CrMo鋼在酸性H2S環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為與機(jī)理[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(4):39-46.

[26] 孫蛟,陳頌英,丁進(jìn),等.FV520B鋼在H2S/CO2環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(12):1790-1794.

[27] 褚武揚(yáng).氫損傷和滯后斷裂[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988:57.

[28] 洪旗,陳業(yè)新.靜態(tài)及動(dòng)態(tài)充氫對(duì) SM490B純凈鋼拉伸性能的作用[J].上海金屬,2012,34(1):25-28,37.

Stress Corrosion Cracking Behavior of FV520B Stainless Steel Exposed to Aqueous H2S+Cl-Environment

WEI Ren-chao1,2,CHEN Xue-dong2,FAN Zhi-chao2,NIE De-fu2,WU Qiao-guo2,JIN You-hai1

(1.College of Chemical Engineering,China University of Petroleum (Huadong),Qingdao 266580,China;2.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)

Stress corrosion cracking (SCC) susceptibility of FV520B martensitic precipitated hardening stainless steel exposed to aqueous hydrogen sulfide solution,sodium chloride solution and aqueous hydrogen sulfide containing with 5% sodium chloride solution were investigated by slow strain rate tensile test.The influence of hydrogen sulfide concentration was also taken into account.FV520B stainless steel in aqueous hydrogen sulfide containing with 5% sodium chloride solution revealed a higher susceptibility to SCC than that exposed to other two mediums;the susceptibility increases with increasing of the concentration of hydrogen sulfide.Scanning electron microscopy analyses showed that the fracture of SSRT was transited from cavity fracture to brittle fracture when the concentration of H2S increased.The constant displacement stress corrosion tests of FV520B steel exposed to aqueous hydrogen sulfide with chloride displayed that the fracture toughness of FV520B significantly decreased due to the influence of corrosive medium and threshold stress intensity factor (KISCC) of FV520B decreases with the concentration of hydrogen sulfide increasing.Fracture morphology analyses showed that the fracture was characterized by quasi-cleavage and the SCC mechanism of FV520B stainless steel exposed to aqueous hydrogen sulfide with chloride is hydrogen embrittlement (HE) type of SCC.

FV520B Martensitic precipitated hardening stainless steel;stress corrosion cracking;hydrogen sulfide

1005-0329(2017)01-0001-07

2016-08-12

2016-09-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB026003)

TH45;O346.2

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.001

魏仁超(1990-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)殡x心壓縮機(jī)葉輪疲勞性能與強(qiáng)度，通訊地址：230001 安徽合肥市蜀山區(qū)長(zhǎng)江西路888號(hào)，E-mail：lajiao6687@126.com。