供稿|韓鳳軍，于宗洋，許強，唐亮，房翀 / HAN Feng-jun, YU Zong-yang, XU Qiang, TANG Liang,FANG Chong

內容導讀

晶間腐蝕將導致不銹鋼的強度、塑性和韌性急劇降低，輕者稍經彎曲便可產生裂紋，重者敲擊即可碎成粉末。晶間腐蝕不易檢測，常造成零件或者設備的突然破壞，危害性很大。2Cr13Mn9Ni4鋼常用來制作翼梁、機身、機尾及軍械系統(tǒng)中的重要零件，因此研究2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕的控制方法具有極為重要的意義。文章在冷加工變形比不同的情況下研究了冷加工對2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕及組織性能的影響，同時對比了晶間腐蝕試樣在不同的加工狀態(tài)下晶間腐蝕的傾向情況，為2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕的控制及檢驗提供了依據(jù)。

不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕時，金屬外形幾乎不發(fā)生任何變化，但是晶粒間的結合力下降，不銹鋼的強度、塑性和韌性急劇降低[1]，如果遇有內外應力的作用時，輕者稍經彎曲便可產生裂紋，重者敲擊即可碎成粉末[2]。晶間腐蝕不易檢測，常造成設備的突然破壞，危害性很大[3]。

2Cr13Mn9Ni4鋼是低鎳亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，在固溶狀態(tài)下為奧氏體，但冷加工變形時易轉變?yōu)轳R氏體，與18-8型奧氏體不銹鋼相比，其含碳量高，含鉻量較低，用9%的錳取代其中4%的鎳[4]。2Cr13Mn9Ni4鋼具有較高的強度及良好的耐大氣腐蝕性能，在固溶狀態(tài)下，塑性較高，可進行深壓延及冷沖壓[5]。2Cr13Mn9Ni4鋼可作為1Cr18Ni9鋼代用料，用于制造要求有較高強度，一定耐腐蝕能力的結構件，如翼梁、機身、機尾及軍械系統(tǒng)中的零件等[6]。因此研究2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕的控制方法具有極為重要的意義。

生產工藝流程

2Cr13Mn9Ni4鋼的生產工藝流程為冶煉(電爐+LF+VOD+VHD)φ430 mm電極→電渣重熔φ610 mm電渣錠→初軋開90 mm×310 mm坯→精軋開23 mm×300 mm坯→板材熱軋開3.0 mm厚坯→板材冷拔成材。表1為2Cr13Mn9Ni4鋼的化學成分。

表1 2Cr13Mn9Ni4鋼的化學成分控制(質量分數(shù)，%)

實驗及分析

不同冷變形下組織狀態(tài)

本次實驗采用坯料尺寸為2.0 mm厚板坯，室溫下軋制，設定變形比為3%、8%、10%、13%及14%，其冷軋規(guī)格分別為1.94、1.84、1.80、1.74和1.72 mm，在不同冷加工變形比下觀察組織狀態(tài)。由圖1可以看出隨著冷軋變形比的增大，其組織拉長比逐漸增大，但其基體組織仍未發(fā)生變化。

圖1 不同變形比下組織狀態(tài)：(a) 變形比為3%；(b) 變形比為8%；(c) 變形比為10%；(d) 變形比為13%；(e) 變形比為14%

不同冷變形比下機械性能情況

不同的冷軋變形比的2Cr13Mn9Ni4不銹鋼板材取2個試樣測量其機械性能。由表2的實驗數(shù)據(jù)可知，隨著冷軋變形比的增加，其抗拉強度逐漸增加，斷面伸長率逐漸降低，在冷軋變形比≥10%時，性能指標滿足標準要求。

表2 機械性能實驗結果

不同冷變形比下晶間腐蝕傾向

按GB/T4334—2008檢驗晶間腐蝕，將100 g CuSO4溶解于700 mL蒸餾水中再加入100 mL純硫酸，用水稀釋到1000 mL，放入試樣，將以上液體加熱到微微沸騰，保持16 h，拿出試樣進行彎曲實驗，觀察試樣彎曲處裂紋情況。將試樣按標準檢驗晶間腐蝕時，一旦出現(xiàn)宏觀的晶間腐蝕傾向，也就是裂紋，為確保檢驗的準確性需對裂紋進行微觀確認，如果是穿晶裂紋則為應力裂紋，如果為沿晶裂紋則為晶間腐蝕裂紋。另外關于應力裂紋，晶間腐蝕試樣側面的加工狀態(tài)對其邊緣是否出現(xiàn)裂紋有很大影響，雖然在標準中沒有規(guī)定試樣側面的狀態(tài)，但為論證側面狀態(tài)對腐蝕裂紋的影響，對側面設計了三種加工方式來檢驗側面是否會出現(xiàn)裂紋，檢驗結果見表3。

表3 晶間腐蝕實驗結果

由表3晶間腐蝕結果可知：在原始固溶后的坯料上側面檢驗均未發(fā)現(xiàn)裂紋，即均無晶間腐蝕傾向；冷軋后的鋼板即冷作硬化態(tài)鋼板，其剪切態(tài)試樣在所有變形比下均存在側面裂紋，在側面刨光狀態(tài)下，當變形比≥10%時，側面出現(xiàn)裂紋；在側面磨光狀態(tài)下，當變形比≥14%時側面出現(xiàn)裂紋，彎曲試樣外表面也出現(xiàn)裂紋。

將側面出現(xiàn)裂紋的試樣，磨制金相試樣觀察高倍組織。圖2(a)所示側面裂紋為穿晶裂紋，所以側面出現(xiàn)裂紋的原因為應力裂紋，而非晶間腐蝕裂紋；圖2(b)所示彎曲試樣外表面裂紋為沿晶裂紋，為晶間腐蝕裂紋。

圖2 側面裂紋及彎曲試樣外表面裂紋照片：(a) 側面裂紋；(b) 彎曲試樣外表面裂紋

晶間腐蝕及實驗結果分析

晶間腐蝕是金屬在特定的腐蝕環(huán)境中沿著或緊挨著材料的晶界發(fā)生和發(fā)展的局部腐蝕破壞狀態(tài)。晶間腐蝕從金屬材料表面開始，沿著晶界向內部發(fā)展，使晶粒間的結合力大大喪失，以致材料的強度幾乎完全消失[7]。例如，經受這種腐蝕的不銹鋼材料，外表雖然還十分光亮，但輕輕敲擊即可碎成細粉。因此，晶間腐蝕是一種危害性很大的局部腐蝕。晶間腐蝕不僅導致材料的承載能力下降，而且能誘發(fā)晶間應力腐蝕開裂、點腐蝕等。產生晶間腐蝕的根本原因是晶界及其附近區(qū)域與晶粒內部存在電化學腐蝕的不均勻性，這種不均勻性是金屬材料在熔煉、焊接和熱處理等過程中造成的。

由于不銹鋼具有優(yōu)良的抗均勻腐蝕的性能，它在汽車工業(yè)、水工業(yè)、建筑業(yè)、家電業(yè)、環(huán)保工業(yè)和工業(yè)設施等很多領域都得到了廣泛應用。如果在450~900℃的腐蝕性介質中使用時，不銹鋼極易發(fā)生晶間腐蝕，甚至出現(xiàn)應力腐蝕開裂[7]。

不銹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(qū)域的鉻含量下降，形成一個貧鉻區(qū)。這個貧鉻區(qū)域很容易被腐蝕，導致腐蝕開裂[8]，所以化學成分配比是決定材料晶間腐蝕傾向的主要因素。對于奧氏體鋼而言，在化學成分配比不變時，材料是否固溶對晶間腐蝕的影響尤為重要；對鋼板來說，在材料不固溶時冷軋變形比是控制晶間腐蝕的主要因素。

由本次實驗結果可知：2Cr13Mn9Ni4不銹鋼冷加工變形比≥10%時性能結果滿足標準要求；固溶態(tài)的側面無論是何種狀態(tài)均未出現(xiàn)裂紋，彎曲試樣外表面也沒有晶間腐蝕傾向；冷作硬化剪切態(tài)試樣，所有變形比下均存在側面裂紋；冷作硬化側面刨光狀態(tài)的試樣，當變形比≥10%時，側面出現(xiàn)應力裂紋；冷作硬化側面磨光狀態(tài)的試樣，當變形比≥14%時側面出現(xiàn)裂紋，彎曲試樣外表面也出現(xiàn)裂紋。

攝影 劉繼鳴

結束語

本文研究了不同冷加工變形比對2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕及組織性能的影響，同時對比了晶間腐蝕試樣在不同的加工狀態(tài)下晶間腐蝕的傾向情況，為2Cr13Mn9Ni4不銹鋼晶間腐蝕的控制及檢驗提供了依據(jù)。隨著冷加工變形比的增大，2Cr13Mn9Ni4鋼的強度逐漸增大，斷面伸長率逐漸降低，當變形比≥10%時性能結果滿足標準要求。其固溶態(tài)的側面無論是何種狀態(tài)均未出現(xiàn)裂紋，彎曲試樣外表面也沒有晶間腐蝕傾向。其冷作硬化剪切態(tài)試樣，所有變形比下均存在側面應力裂紋：冷作硬化側面刨光狀態(tài)的試樣，當變形比≥10%時，側面出現(xiàn)應力裂紋；冷作硬化側面磨光狀態(tài)的試樣，當變形比≥14%時側面出現(xiàn)裂紋，彎曲試樣外表面也出現(xiàn)裂紋。