林淑嫻,黃毓暉,軒福貞,涂善東

(華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

汽輪機(jī)作為核電站常規(guī)島的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要功能，汽輪機(jī)的安全可靠性將直接影響整個(gè)核電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為保證核能發(fā)電的安全，反應(yīng)堆供給汽輪機(jī)的蒸汽初始參數(shù)較低，蒸汽經(jīng)汽缸逐級(jí)做功后，壓力和溫度又不斷降低，容易在汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子中后段發(fā)生相變，進(jìn)入濕蒸汽狀態(tài)[1-2]。濕蒸汽的存在，使得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片表面較易凝結(jié)水膜，腐蝕介質(zhì)(Cl-、SO42-、CO32-等)融入其中形成腐蝕溶液，再加上汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子承受著巨大的離心力、扭轉(zhuǎn)力矩以及機(jī)組頻繁啟動(dòng)停機(jī)帶來(lái)的交替變化的熱應(yīng)力等，在環(huán)境與載荷共同作用下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)風(fēng)險(xiǎn)[3]。

應(yīng)力腐蝕開裂是材料、腐蝕環(huán)境和載荷三種因素共同作用的結(jié)果。材料方面，SCC主要受到材料化學(xué)成分、熱處理工藝、力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素的影響[4]。

1969年,英國(guó)Hinkley Point A核電站汽輪機(jī)發(fā)生第一例SCC事故，自此之后許多國(guó)外學(xué)者開始對(duì)核電站汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕問題進(jìn)行研究[5]，關(guān)于材料性能方面的研究主要集中于雜質(zhì)元素(P、S、Mn等)[6-7]、屈服強(qiáng)度[8-10]及晶界碳化物[11]等影響因素，結(jié)果表明，材料的純凈度越高，屈服強(qiáng)度越低，其抗SCC能力就越強(qiáng)；晶界碳化物的析出會(huì)增大材料的SCC敏感性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者及制造廠商針對(duì)核電站汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)材料也開展了新材料研發(fā)[3]、制造工藝改進(jìn)[12-13]、防蝕技術(shù)[13]等方面的研究，并取得了一定進(jìn)展。但目前，關(guān)于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和使用的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子材料的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏[2]，這制約了國(guó)產(chǎn)核電站用汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕研究的發(fā)展。因此，本工作針對(duì)核電站汽輪機(jī)常用的三種低壓轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行了微觀組織、力學(xué)性能和電化學(xué)特性的分析比較，并采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)對(duì)其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性進(jìn)行評(píng)定，以期合理描述汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼常用材料的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)采用核電站汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鋼常用材料，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 顯微形貌觀察與顯微硬度測(cè)試

試樣表面用砂紙(180～2 000號(hào))逐級(jí)打磨并機(jī)械拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù),下同)硝酸酒精侵蝕。侵蝕適當(dāng)時(shí)間后將試樣沖洗干凈并吹干，采用蔡司Axio Observer A1m金相顯微鏡觀察顯微組織，隨后采用維氏硬度儀進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷為4.9 N，保載時(shí)間為10 s。

表1 三種材料的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of three materials %

1.3 電化學(xué)試驗(yàn)

電化學(xué)試驗(yàn)用試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，通過點(diǎn)焊將試樣與帶絕緣皮的銅導(dǎo)線連接，只留出一個(gè)工作面(尺寸為10 mm×10 mm)與環(huán)境接觸，非工作面用環(huán)氧樹脂密封。試驗(yàn)采用三電極體系:經(jīng)砂紙(180～2 000號(hào))逐級(jí)打磨后的工作面為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極。電化學(xué)測(cè)量使用辰華CHI660E型電化學(xué)工作站，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液，掃描范圍為-900～200 mV，掃描速率為1 mV/s。內(nèi)置計(jì)算程序可自動(dòng)得到自腐蝕電流密度(Jcorr)和自腐蝕電位(Ecorr)。試樣浸泡10 min后先測(cè)量其開路電位，待開路電位穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線測(cè)定。每個(gè)試樣進(jìn)行三次試驗(yàn)，取平均值作為最后結(jié)果。

1.4 慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

為模擬汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的運(yùn)行環(huán)境，SSRT在180 ℃、3.5% NaCl溶液中進(jìn)行，另有一組在180 ℃空氣中進(jìn)行，作為對(duì)照。試驗(yàn)采用圓棒拉伸試樣，尺寸如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)Cortest公司生產(chǎn)的高溫高壓慢應(yīng)變速率腐蝕試驗(yàn)機(jī)，利用其自帶的位移傳感器(Solartron生產(chǎn)，S型號(hào))測(cè)量位移變化，載荷傳感器(Honeywell生產(chǎn)，RM型號(hào))測(cè)量試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)的應(yīng)變速率均為10-6s-1，每種材料在腐蝕環(huán)境中進(jìn)行兩組試驗(yàn)。

圖1 圓棒拉伸試樣的尺寸示意圖Fig. 1 Dimension of round bar tensile specimen

試驗(yàn)前，試樣依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮進(jìn)行超聲清洗。試驗(yàn)開始時(shí)，先將溶液加熱至180 ℃，再給試樣施加恒定的應(yīng)變速率，記錄應(yīng)力-應(yīng)變值，直至試樣斷裂。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣再次進(jìn)行超聲清洗，測(cè)算試樣的斷面收縮率，并通過掃描電鏡觀察試樣斷口及標(biāo)距段表面形貌，然后沿縱截面剖開，制備金相試樣，觀察應(yīng)力腐蝕裂紋及表面氧化膜，并通過能譜儀進(jìn)行點(diǎn)掃，探究元素的分布規(guī)律。

采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，可以分析腐蝕環(huán)境對(duì)材料性能的影響，從而評(píng)定材料在特定腐蝕環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，見式(1)：

(1)

式中:k為應(yīng)力腐蝕開裂敏感性評(píng)定指標(biāo)，k值越小，表示材料的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性越大。式(1)中的結(jié)果可用同一個(gè)初始應(yīng)變速率下的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來(lái)表征，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的面積、斷裂時(shí)間和斷面收縮率等，本工作中惰性介質(zhì)環(huán)境為180 ℃空氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織與顯微硬度

由圖2可見:25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的顯微組織為板條狀馬氏體，其碳化物顆粒細(xì)小，主要沿板條邊界分布;26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的馬氏體基體上分布著較多條狀貝氏體，其碳化物顆粒呈短桿狀或顆粒狀，在條間、條內(nèi)和基體上均有分布，且沿板條界呈一定取向;30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的組織中含少量外形不規(guī)則的中溫塊狀鐵素體(黑色部分)[14]，同時(shí),圖2(e)中，部分M-A島呈半連續(xù)長(zhǎng)條型，近似于平行排列，傾向于沿晶界長(zhǎng)大，符合粒狀貝氏體特征；部分M-A島無(wú)規(guī)則分布，跨越晶界長(zhǎng)大，使母相晶界不易顯示，符合粒狀組織特征[15],故其組織為粒狀貝氏體+粒狀組織，其碳化物部分沿晶界及M-A島的不規(guī)則邊緣分布，部分則分布在M-A島內(nèi)，呈顆粒狀或短桿狀。

觀察不同視場(chǎng)下的晶粒圖像，采用三圓截點(diǎn)法對(duì)三種轉(zhuǎn)子鋼的晶粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)級(jí)。結(jié)果顯示，25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼和26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的晶粒度均為7.5～8.0級(jí)，對(duì)應(yīng)平均晶粒直徑為22.5～26.7 μm;30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的晶粒度為6～7級(jí)，對(duì)應(yīng)平均晶粒直徑為31.8～44.9 μm，這三種轉(zhuǎn)子鋼的晶粒均較細(xì)小均勻。

由圖3可見:26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼(2號(hào)鋼)和30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼(3號(hào)鋼)的硬度相差不大，分別為231 HV0.5和242 HV0.5，而25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼(1號(hào)鋼)的硬度最高，為285 HV0.5。這主要是因?yàn)?5Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的馬氏體晶粒極細(xì)，亞顯微結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)，可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而表現(xiàn)出較高的硬度。

2.2 電化學(xué)性能

由圖4和表2可見:三種轉(zhuǎn)子鋼在3.5% NaCl溶液中均處于活性溶解狀態(tài)，未發(fā)生鈍化。26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的自腐蝕電流密度最低，僅為2.246 μm/cm2，表明其腐蝕速率最低、且耐蝕性較好，而25Cr2Ni2MoV和30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的自腐蝕電流密度則相差不大，比較這兩種轉(zhuǎn)子鋼的Ecorr,可見25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的Ecorr平均值為-0.414 V，更負(fù)于30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的(-0.367 V)，表明其熱力學(xué)性能更不穩(wěn)定，耐蝕性更差?？偟膩?lái)說(shuō)，在25 ℃、3.5% NaCl環(huán)境中，三種轉(zhuǎn)子鋼的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼>30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼>25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼，500× (b) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼，5 000× (c) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼，500×

(d) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼，5 000× (e) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，500× (f) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，5 000×圖2 三種轉(zhuǎn)子鋼的顯微組織Fig. 2 Microstructures of 25Cr2Ni2MoV rotor steel (a,b), 26NiCrMoV10-10 rotor steel (c,d), and 30Cr2Ni4MoV rotor steel (e,f)

圖3 三種轉(zhuǎn)子鋼的顯微硬度Fig. 3 Micro-hardness of three rotor steels

圖4 三種轉(zhuǎn)子鋼在25 ℃,3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線Fig. 4 Potentiodynamic polarization curves of three rotor steels in 3.5% NaCl solution at 25 ℃

表2 三種轉(zhuǎn)子鋼在3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位、點(diǎn)蝕電位和自腐蝕電流密度Tab. 2 Ecorr, Epit and Jcorr of three rotor steels in 3.5% NaCl solution

一般來(lái)說(shuō)，馬氏體的耐蝕性優(yōu)于貝氏體的，而貝氏體的耐蝕性又優(yōu)于鐵素體的[16-18]。本工作中，微觀組織含少量中溫塊狀鐵素體的30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼并沒有表現(xiàn)出較差的耐蝕性，反而組織為馬氏體的25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的耐蝕性最低。這是由于30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼微觀組織中的鐵素體以孤島狀分布，即使被腐蝕也不會(huì)造成更大的危險(xiǎn)，可以改善其抗SCC性能[19]。同時(shí)，材料的耐蝕性除了受微觀組織的影響，還受到晶粒大小、化學(xué)成分等因素的影響[20-21]。研究表明，晶粒尺寸增大，有利于降低材料的耐蝕性[22-23]，30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的晶粒較大，故其耐蝕性較好。從化學(xué)成分看，26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的Cr、Ni含量較高，相關(guān)研究[21]表明Cr、Ni含量的增加可提高氧化膜的致密性，并使自腐蝕電位正移，降低腐蝕速率，故其耐蝕性較好。30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼與25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼相比，雖然Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低了0.58%，但其Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高了1.42%，而Ni的熱力學(xué)性能比Cr更穩(wěn)定，故30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的自腐蝕電位更正。

2.3 SSRT結(jié)果

2.3.1 應(yīng)力腐蝕開裂敏感性

由圖5和表3可見:25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼(1號(hào)鋼)的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均比26NiCrMoV10-10(2號(hào)鋼)和30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼(3號(hào)鋼)的高100 MPa以上，而其斷后伸長(zhǎng)率則相差不超過4%；此外，這三種轉(zhuǎn)子鋼在腐蝕環(huán)境中的斷后伸長(zhǎng)率(或總應(yīng)變)明顯比在空氣中的小，這說(shuō)明腐蝕介質(zhì)對(duì)斷裂行為產(chǎn)生了影響。

圖5 三種轉(zhuǎn)子鋼在180 ℃的空氣和3.5% NaCl溶液中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curves of three rotor steels in air and 3.5% NaCl solution at 180 ℃

由圖6可見：25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼在兩種環(huán)境中的斷面收縮率都是最小的，這表明25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的塑性低于另外兩種轉(zhuǎn)子鋼的。

根據(jù)式(1)，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線所包圍的面積、斷裂時(shí)間及斷面收縮率這三個(gè)指標(biāo)在腐蝕介質(zhì)和空氣環(huán)境中的試驗(yàn)結(jié)果的比值分別記為kA、kT、kR，結(jié)果如表4所示。由表4可見:25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的k值最小，而30Cr2Ni4MoV和26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的k值相差不大，這表明在180 ℃、3.5% NaCl溶液中，25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的SCC敏感性較大，而30Cr2Ni4MoV與26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的SCC敏感性較小且相近。

表3 三種轉(zhuǎn)子鋼在180 ℃空氣和3.5% NaCl溶液中的力學(xué)性能Tab. 3 Mechanical properties of three rotor steels in air and 3.5% NaCl solution at 180 ℃

(a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圍成的變積

(b) 斷裂時(shí)間

(c) 斷面收縮率圖6 三種轉(zhuǎn)子鋼的力學(xué)性能Fig. 6 Mechanical properties of three rotor steels: (a) area of stress-strain curve; (b) fracture time; (c) reduction in area

表4 三種轉(zhuǎn)子鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的評(píng)定結(jié)果Tab. 4 Evaluation results of stress corrosion cracking sensitivity of three rotor steels

與26NiCrMoV10-10和30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼相比，25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的組織為板條狀馬氏體，強(qiáng)度、硬度較高，斷面收縮率較低，在外加應(yīng)力作用下，抵抗塑性變形能力較低；同時(shí)，其Ni含量比26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼的低0.63%，比30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的低1.42%，這降低了其耐蝕性，故其SCC敏感性較低。而對(duì)于30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，其Ni含量較高，為3.65%，這保證了其良好的抗SCC性能，且其組織中的鐵素體以孤島狀分布，對(duì)抗SCC性也有改善作用[19]。

2.3.2 斷口形貌

由圖7可見：三種轉(zhuǎn)子鋼試樣在180 ℃空氣中經(jīng)SSRT后，斷口均呈韌窩狀，且斷口中間部分的韌窩尺寸大于邊緣的，表明三種轉(zhuǎn)子鋼試樣的斷裂形式為延性斷裂；而在腐蝕環(huán)境(180 ℃,3.5% NaCl溶液)中，三種轉(zhuǎn)子鋼試樣的斷口邊緣相對(duì)較平，河流花紋明顯，呈脆性斷口特征(黑色虛線到邊緣區(qū)域)，中間部分則呈韌窩狀，表明在此環(huán)境中，試樣具有一定的SCC敏感性。試樣與腐蝕環(huán)境接觸后，斷口邊緣在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的交互影響下，優(yōu)先發(fā)生開裂并向內(nèi)部擴(kuò)展，故斷口邊緣較平；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試樣所受載荷不斷增大，進(jìn)入強(qiáng)化階段后，試樣因無(wú)法承受載荷而發(fā)生嚴(yán)重的局部塑性變形，并最終在高應(yīng)力作用下被快速拉斷，此時(shí)應(yīng)力作用占主導(dǎo)，故在三種轉(zhuǎn)子鋼試樣斷口的中間部分均發(fā)現(xiàn)韌窩。

2.3.3 應(yīng)力腐蝕裂紋及氧化膜形貌

由圖8和圖9可見：在空氣中經(jīng)過SSRT后，三種轉(zhuǎn)子鋼試樣斷口均呈杯錐狀，有明顯頸縮現(xiàn)象，標(biāo)距段表面沒有出現(xiàn)微裂紋；而在3.5% NaCl溶液中，三種轉(zhuǎn)子鋼試樣斷口呈45°斜面，可觀察到許多微小裂紋，斷斷續(xù)續(xù)，裂紋方向近似垂直于拉伸方向，且主要集中在頸縮段。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼，空氣 (b) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼，3.5% NaCl溶液中

(c) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼，空氣 (d) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼，3.5% NaCl溶液中

(e) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，空氣 (f) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼，3.5% NaCl溶液中圖7 三種轉(zhuǎn)子鋼試樣在180 ℃空氣和3.5% NaCl溶液中經(jīng)SSRT后的斷口形貌Fig. 7 Fracture morphology of three rotor steel samples after SSRT in air (a,c,e) and 3.5% NaCl solution (b,d,f) at 180 ℃

(a) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼圖8 三種轉(zhuǎn)子鋼試樣在180 ℃空氣中經(jīng)SSRT后的側(cè)面形貌Fig. 8 Profile morphology of three rotor steel samples after SSRT in air at 180 ℃

(a) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼圖9 三種轉(zhuǎn)子鋼試樣在180 ℃,3.5% NaCl溶液中經(jīng)SSRT后的側(cè)面形貌Fig. 9 Profile morphology of three rotor steel samples after SSRT in 3.5% NaCl solution at 180 ℃

將SSRT試驗(yàn)后的試樣沿縱截面剖開，打磨、拋光、腐蝕后，采用掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕裂紋的形態(tài)，如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)，在SSRT試驗(yàn)中，應(yīng)變主導(dǎo)的腐蝕開裂沒有形成腐蝕坑，動(dòng)態(tài)應(yīng)變直接破壞表面氧化膜，促使裂紋萌生，并向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，部分裂紋呈樹枝狀，這與前期的研究結(jié)果一致[24]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及前期研究，可認(rèn)為在動(dòng)態(tài)應(yīng)變主導(dǎo)的腐蝕中，陽(yáng)極溶解機(jī)理占主導(dǎo)，具體過程如下：CrNiMoV鋼在含氧的氯離子溶液中，首先在金屬表面形成一層氧化膜，阻止腐蝕進(jìn)行；在動(dòng)態(tài)應(yīng)變作用下，位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)到試樣的標(biāo)距段表面，形成滑移臺(tái)階；滑移臺(tái)階的反復(fù)出現(xiàn)使氧化膜出現(xiàn)破壞并產(chǎn)生縫隙，腐蝕溶液通過縫隙進(jìn)入氧化膜-基體金屬界面，形成局部陽(yáng)極溶解區(qū)，加速基體金屬的溶解；腐蝕一定程度后，氧化膜又重新形成，但在拉應(yīng)力作用下，氧化膜再次發(fā)生破裂；氧化膜的反復(fù)破壞和形成促進(jìn)了裂紋的萌生與擴(kuò)展[24-25]。

(a) 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼 (b) 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼 (c) 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼圖10 三種轉(zhuǎn)子鋼試樣經(jīng)SSRT后的SCC裂紋形貌Fig. 10 Stress corrosion crack morphology of three rotor steel samples after SSRT

由圖10還可見：三種轉(zhuǎn)子鋼的應(yīng)力腐蝕開裂形式均為穿晶開裂。有研究認(rèn)為[26]，Cr元素在晶界處的擴(kuò)散比在晶粒內(nèi)部的更快，晶界處附近的氧化膜中Cr元素含量更高，具有更高的致密性與塑性，而在距離晶界更遠(yuǎn)的氧化膜中的Cr含量較低，氧化膜強(qiáng)度與塑性較差，故更容易發(fā)生開裂。同時(shí)，這三種轉(zhuǎn)子鋼的晶粒度都在6級(jí)及以上，晶粒較細(xì)，增大了晶界面積，使得晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中，強(qiáng)化晶界，降低了沿晶開裂的可能[27]。

利用SEM在高倍下觀察腐蝕裂紋及表面氧化膜，并通過能譜儀(EDS)進(jìn)行元素分析，結(jié)果見圖11～圖13?？梢园l(fā)現(xiàn)，三種轉(zhuǎn)子鋼試樣表面氧化膜中的Cr、Ni、Mo含量與基體中的相近，有的甚至高于基體中的，這表明在SCC過程中，金屬表面形成了含Cr、Ni、Mo的氧化層，對(duì)基體起到了保護(hù)作用。

3 結(jié)論

(1) 在180 ℃、3.5% NaCl溶液中，25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的SCC敏感性最高，而26NiCrMoV10-10和30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的SCC敏感性相近，且優(yōu)于25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼的。

(2) 轉(zhuǎn)子鋼的SCC敏感性受材料化學(xué)成分、微觀組織及力學(xué)性能的影響：Ni含量的增加，有利于降低材料的SCC敏感性；馬氏體組織的硬度、強(qiáng)度較高，塑性較低，具有更高的SCC敏感性。

(3) 在SSRT中，對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼，應(yīng)變主導(dǎo)的腐蝕開裂沒有形成腐蝕坑，動(dòng)態(tài)應(yīng)變直接破壞表面氧化膜，促使裂紋萌生，并向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，呈穿晶開裂的形式。

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結(jié)果 (c) 基體的EDS分析結(jié)果圖11 25Cr2Ni2MoV轉(zhuǎn)子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區(qū)域的EDS分析結(jié)果Fig. 11 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 25Cr2Ni2MoV rotor steel

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結(jié)果 (c) 基體的EDS分析結(jié)果圖12 26NiCrMoV10-10轉(zhuǎn)子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區(qū)域的EDS分析結(jié)果Fig. 12 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 26NiCrMoV10-10 rotor steel

(a) SEM形貌 (b) 氧化膜的EDS分析結(jié)果 (c) 基體的EDS分析結(jié)果圖13 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼試樣表面SEM形貌及SCC附近區(qū)域的EDS分析結(jié)果Fig. 13 Surface SEM morphology (a) and EDS analysis results at the position near the SCC (b,c) of 30Cr2Ni4MoV rotor steel