盧志明，何凱倫，霍培棟，王 康，金皋峰

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

316L焊縫與304母材C型環(huán)試樣應(yīng)力腐蝕敏感性研究

盧志明，何凱倫，霍培棟，王 康，金皋峰

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

采用數(shù)值模擬方法對(duì)C型環(huán)試樣進(jìn)行了應(yīng)力分析計(jì)算，得到了C型環(huán)試樣沿環(huán)向和厚度方向的詳細(xì)應(yīng)力分布.通過(guò)316L焊縫和304母材在沸騰氯化鎂溶液中的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，分析了合金元素和應(yīng)力分布對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響.結(jié)果表明：316L焊縫的抗應(yīng)力腐蝕性能比304母材好，主要原因是316L不銹鋼的含碳量較304低，并且合金元素鎳和鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；通過(guò)C型環(huán)試樣應(yīng)力腐蝕裂紋的位置和應(yīng)力分布結(jié)果的分析，可以初步確定材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界應(yīng)力值.

應(yīng)力腐蝕；沸騰氯化鎂；C型環(huán)；應(yīng)力分析；臨界應(yīng)力

不銹鋼由于具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、良好的韌性和加工性能，被廣泛應(yīng)用于化工、石油、航空、能源、紡織和輕工等各個(gè)行業(yè).雖然不銹鋼在一般介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，但采用不銹鋼制成的設(shè)備往往會(huì)受到應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致破壞，它是各種腐蝕行為中破壞性最大的一種，常常在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生，造成災(zāi)難性的事故[1-4].304和316L是較為常用的奧氏體不銹鋼，研究表明：奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，特別是在較高應(yīng)力水平下，應(yīng)力腐蝕破裂現(xiàn)象尤其嚴(yán)重[5-8].目前，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法有很多種，其中C型環(huán)試樣應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法是一種較為常用的方法[9-10].通過(guò)加載螺栓，可以對(duì)C型環(huán)試樣的應(yīng)力水平進(jìn)行精確的控制.一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算C型環(huán)在期望應(yīng)力下的直徑變化量，再對(duì)C型環(huán)加載，使其直徑產(chǎn)生所需的變形.通過(guò)這種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的C型環(huán)應(yīng)力是一個(gè)近似值，而且只能得到最大應(yīng)力數(shù)值，不能確定其應(yīng)力分布.采用數(shù)值模擬方法，對(duì)C型環(huán)進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，得到沿試樣環(huán)向和厚度方向的應(yīng)力分布.分別加工304母材和316L焊縫的C型環(huán)試樣，在沸騰氯化鎂溶液中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，分析比較兩種試樣的化學(xué)成分和和應(yīng)力分布對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為304和316L奧氏體不銹鋼，其中316L奧氏體不銹鋼為焊縫試樣.304和316L不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示.

表1 304和316L不銹鋼化學(xué)成分

304母材試樣直接從無(wú)縫鋼管中截取，制取316L焊縫試樣時(shí)先將管材沿縱向割開(kāi)，然后采用氬弧焊將其焊接在一起.采用線切割方法將管材切割60度缺口，根據(jù)試樣寬度截取C型環(huán)試樣，其尺寸如表2和圖1所示.

表2 C型環(huán)尺寸

圖1 C型環(huán)示意圖Fig.1 Schematic presentation of C-ring

316L試樣的焊接采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為Ar氣，焊接電流為110～130 A，電弧電壓為10～11 V，焊接速度為13～18 cm/min，線能量為3.7～6.6 kJ/cm.

1.2 C型環(huán)應(yīng)力分析

螺栓加載后C型環(huán)主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，因在缺口對(duì)應(yīng)的圓環(huán)中心彎矩最大，所以該處的應(yīng)力達(dá)到最大值.據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，C型環(huán)的應(yīng)力和直徑變形量之間存在關(guān)系[11]，即

Df=D±ΔD

通過(guò)上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算將C型環(huán)加載到一定應(yīng)力所需的直徑變形量.筆者參考有關(guān)研究結(jié)果，選取C型環(huán)中應(yīng)力水平為80%Rel.加載后的C型環(huán)如圖2所示.

圖2 加載后的C型環(huán)Fig.2 Loaded C-ring specimen

采用ANSYS軟件對(duì)304和316L不銹鋼試樣的應(yīng)力進(jìn)行了模擬計(jì)算，建立C型環(huán)實(shí)體模型，如圖3所示.通過(guò)有限元求解，得到應(yīng)力分布云圖，如圖4(a，b)所示.

圖3 C型環(huán)網(wǎng)格Fig.3 Elements of C-ring

圖4 C型環(huán)應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of C-ring

由圖4(a，b)可見(jiàn)：304母材和316L焊縫的最大環(huán)向應(yīng)力均為180MPa左右，位于圓環(huán)中心的外表面，應(yīng)力分布關(guān)于Y—Z平面對(duì)稱.在圓環(huán)中心區(qū)域，環(huán)向應(yīng)力較大，隨著離中心距離增加，應(yīng)力逐漸減小，在加載螺栓與缺口之間的應(yīng)力水平則比較低.

1.3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

C型環(huán)的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)在42%沸騰氯化鎂溶液中進(jìn)行，將MgCl2·6H2O和適量水配成42%氯化鎂溶液，放入溫控試驗(yàn)容器中加熱直至沸騰.試驗(yàn)前C型環(huán)試樣外表面分別采用粒度為300～2 000#砂紙打磨，經(jīng)丙酮除油，乙醇清洗后用吹風(fēng)機(jī)吹干，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的直徑變形量對(duì)C型環(huán)加載.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每2 h將試樣取出，采用放大鏡觀察試樣表面的裂紋情況，觀察記錄完成后立即放入溶液中繼續(xù)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn).304母材和316L焊縫試樣分別經(jīng)過(guò)8 h和168 h的試驗(yàn)，試樣照片如圖5(a,b)所示.

圖5 C型環(huán)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后照片F(xiàn)ig.5 Photographs of C-ring after stress corrosion test

從試驗(yàn)結(jié)束照片圖5可以看出，304母材試樣經(jīng)過(guò)8 h試驗(yàn)后出現(xiàn)了4條比較明顯裂紋a,b,c,d，裂紋從試樣邊緣啟裂，沿寬度方向擴(kuò)展并出現(xiàn)分叉，呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征，最大的裂紋長(zhǎng)度約有9 mm，如圖6所示.316L焊縫試樣經(jīng)過(guò)8 h試驗(yàn)后試樣沒(méi)有開(kāi)裂，繼續(xù)在溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)到168 h始終沒(méi)有裂紋產(chǎn)生.

圖6 304母材C型環(huán)裂紋圖Fig.6 Cracks of 304 base metal C-ring

2 結(jié)果與分析

2.1 材料成分對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響

304和316L的化學(xué)成分明顯不同(表1)，316L不銹鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較304低，而316L的鎳和鉬合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于304.

材料的化學(xué)成分對(duì)不銹鋼的應(yīng)力腐蝕性能有較大影響.在加熱過(guò)程中或由于熱處理工藝不當(dāng)，奧氏體不銹鋼中碳和鉻會(huì)結(jié)合形成碳化鉻沿晶界析出，造成晶界附件的基體貧鉻，腐蝕沿著貧鉻區(qū)進(jìn)行[12].當(dāng)不銹鋼中的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，含碳量越高，形成的碳化鉻也越多，使不銹鋼固溶體中的含鉻量減少，導(dǎo)致不銹鋼的耐腐蝕性能下降.316L屬于超低碳不銹鋼，其含碳量小于0.03%，而304不銹鋼的含碳量高于316L，因此耐腐蝕性能不及316L.Cr是促進(jìn)鐵素體形成元素，可形成致密的氧化鉻保護(hù)膜，使不銹鋼具有良好的耐氧化及耐酸腐蝕能力，鋼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到16%以上時(shí)，能改善鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能[13-14].304和316L的含鉻量均大于16%，而且兩種材料的含鉻量基本相同，所以鉻元素引起的兩種材料的應(yīng)力腐蝕性能的差別不大.Ni是不銹鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)、穩(wěn)定奧氏體組織的重要元素[15].根據(jù)膜破裂理論，提高鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提高抗應(yīng)力腐蝕性能，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高的合金在氯化物溶液中越不易破裂[16].316L的含鎳量要明顯高于304，因此有效提高了其抗應(yīng)力腐蝕性能.鉬元素是形成鐵素體的元素，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在鉻鎳奧氏體不銹鋼中加入2%～3%Mo能夠有效提高不銹鋼在氯化物溶液中的耐應(yīng)力腐蝕性能[17].304中不含鉬元素，而316L含2%～3%Mo，因此導(dǎo)致304抗應(yīng)力腐蝕性能要低于316L.

2.2 C型環(huán)應(yīng)力分布對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響

螺栓加載后C型環(huán)試樣主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，此應(yīng)力沿厚度方向線性分布，即從外表面上的最大拉應(yīng)力變化到內(nèi)表面上的最大壓應(yīng)力，見(jiàn)圖7.

圖7 C型環(huán)應(yīng)力沿厚度方向的分布Fig.7 Stress distribution along thick direction of C-ring

在圓環(huán)中心應(yīng)力達(dá)到最大值，隨著沿C型環(huán)圓周方向距離增大，應(yīng)力逐漸減小，見(jiàn)圖8.

由圖4(a，b)應(yīng)力云圖可以看出：在鄰近圓環(huán)中心區(qū)域，C型環(huán)應(yīng)力較大，因此容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂.304母材應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果圖5(a)顯示裂紋均出現(xiàn)在鄰近圓環(huán)中心區(qū)域，對(duì)應(yīng)圖8中a，b，c，d位置的裂紋.因此數(shù)值模擬的應(yīng)力分布結(jié)果和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中裂紋出現(xiàn)的位置兩者相互對(duì)應(yīng).

圖8 C型環(huán)應(yīng)力沿環(huán)向的分布Fig.8 Stress distribution along circumferential directions of C-ring

由圖5(a)可見(jiàn)：裂紋d離開(kāi)圓環(huán)中心距離最大，沿圓周弧長(zhǎng)約11.2 mm，而在該距離以外應(yīng)力逐漸減小，沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂.根據(jù)304母材C型環(huán)應(yīng)力分布，裂紋d處的最大環(huán)向應(yīng)力為147 MPa，見(jiàn)表3.根據(jù)上述分析，我們可以初步確定304母材的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界應(yīng)力值為147 MPa.

表3 應(yīng)力腐蝕裂紋位置和應(yīng)力數(shù)值

C型環(huán)外表面最大應(yīng)力沿寬度方向分布如圖9所示，應(yīng)力呈現(xiàn)兩邊高中間底的分布特性，因此應(yīng)力腐蝕裂紋從C型環(huán)的邊緣啟裂，然后沿著寬度向中間擴(kuò)展.

圖9 C型環(huán)應(yīng)力在寬度方向的分布Fig.9 Stress distribution along width direction of C-ring

2.3 焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響

焊接殘余應(yīng)力是由焊接過(guò)程中產(chǎn)生的，會(huì)對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕性能和疲勞壽命產(chǎn)生一定影響[18-19].在制取316L焊縫試樣時(shí)先將管材沿縱向割開(kāi)，然后采用氬弧焊將其焊接在一起.再沿縱向在焊縫對(duì)稱位置采用線切割方法將焊接管材切割60度缺口，因此焊縫部位的約束得到了一定程度緩解，焊接殘余應(yīng)力有所降低.另外，C型環(huán)試樣加載到80%Rel，焊縫部位產(chǎn)生了一定變形，也使焊接殘余應(yīng)力得到一定程度釋放[20].因此盡管316L采用焊縫C型環(huán)試樣，其焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響不及化學(xué)成分的影響大，導(dǎo)致316L焊縫的抗應(yīng)力腐蝕性能比304母材好.

3 結(jié) 論

對(duì)316L焊縫和304母材試樣在沸騰氯化鎂溶液中進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，304母材經(jīng)過(guò)8 h腐蝕試驗(yàn)后出現(xiàn)明顯得應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而316L焊縫經(jīng)過(guò)168 h腐蝕試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此在沸騰氯化鎂溶液中316L焊縫的抗應(yīng)力腐蝕性能比304母材好.結(jié)合C型環(huán)試樣的應(yīng)力數(shù)值模擬分析和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，提出了一種確定材料應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力值的方法，即首先對(duì)C型環(huán)試樣進(jìn)行應(yīng)力數(shù)值模擬得到應(yīng)力分布，然后通過(guò)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)確定離圓環(huán)中心距離最大的裂紋位置，該位置對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力即為材料的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力.奧氏體不銹鋼化學(xué)成分對(duì)抗應(yīng)力腐蝕性能影響較大.與304相比，316L含碳量低、合金元素鎳和鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，所以其抗應(yīng)力腐蝕性能較好.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Research on stress corrosion sensitivity of 316L weld joint and 304 base metal C-ring specimen

LU Zhiming, HE Kailun, HUO Peidong, WANG Kang, JIN Gaofeng

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang Univerdity of Technology, Hangzhou 310014, China)

The detailed stress distribution along circumferential and thick direction of C-ring specimen was obtained by numerical simulation method. Through stress corrosion tests of 316L weld and 304 base metal in the boiling magnesium chloride solution, the effects of alloying elements and stress distribution were analyzed. Results show that the stress corrosion resistance of 316L weld joint is superior to 304 base metal, it’s mainly because that the carbon content of 316L is lower than that of 304, and the Nickel and Molybdenum content of 316L are higher than that of 304; The critical stress value of stress corrosion can be primary determined after a particular analysis about the location of stress corrosion cracks and stress distribution of C-ring specimen.

stress corrosion; boiling magnesium chloride; C-ring specimen; stress analysis; critical stress

2016-11-14

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY16E050012)

盧志明(1966—)，男，浙江東陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和機(jī)理研究，E-mail: lzm@zjut.edu.cn.

TG178

A

1006-4303(2017)03-0270-04