白 涛，关凯书，陈 鹏

（华东理工大学机械与动力工程学院，承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237）

0 引 言

小冲杆试验（SPT）是20世纪80年代提出和发展起来的一种既有“无损取样”特点，又能准确提供材料性能的新型试验方法［1－2］。起初该方法主要用于核反应堆壳体材料经中子长期辐射后的脆化评定，后来快速延伸到其它领域，并研发了相应的微型试样现场取样机。目前，日本、韩国和欧盟在这一领域都进行了大量探索并出台了相应标准。我国于20世纪90年代逐步开展这一研究，并开发了试验装置，开展了小冲杆材料常规力学性能的试验研究［3］，进而还开展了材料断裂韧性［4－5］和高温蠕变性能［6］的研究。但是国内目前尚无将小冲杆试验方法应用于应力腐蚀敏感性评估的先例。

不锈钢的应力腐蚀开裂（SCC）是石油化工、核电、冶金和火电行业经常碰到的问题，严重威胁着生产安全。恒应变、恒载荷试验和KISCC测试是常用的应力腐蚀敏感性评估方法，但存在费时、重复性差和需要大量试样等缺点。慢拉伸是一种快速评估应力腐蚀敏感性的手段，但是所需拉伸试样尺寸较大，且取样时要对设备进行破坏。因此如何在不破坏现役设备、又不影响正常生产的前提下对材料的应力腐蚀敏感性进行快速评估，是一个长久困扰业界的难题。而小冲杆试验兼具快速和无损取样的特点，具有解决这一问题的潜力。为此，作者以304L不锈钢对研究对象，尝试用小冲杆试验法来评估其应力腐蚀敏感性，并研究了加载速度和腐蚀介质等试验参数对评估效果的影响。

1 试样制备与试验方法

试验采用14mm厚固溶处理状态的304L不锈钢板，其化学成分（质量分数／%）为 0.021C，18.04Cr，8.02Ni，0.345Si，1.64Mn，0.037P，0.001S，余Fe。图1是试验用304L不锈钢的显微组织，奥氏体晶粒尺寸为50～200μm。试验钢的抗拉强度为605MPa，屈服强度为300MPa，伸长率为64.5%，硬度为167HB。

图1 试验用304L不锈钢的显微组织Fig.1 Microstructure of tested SS304L

小冲杆试验在万能拉伸试验机上进行，其夹具由上下两部分构成（图2），其中上夹具具有中心垂直通孔，用于放钢珠和压杆等施力构件，下夹具开有横通孔以便腐蚀介质可以始终保持与试样底面接触。整套夹具固定在拉伸试验机下架头上的环境筒体里。试验机上夹头夹持一个施力圆柱体向下运动挤压压杆和钢珠对试样施加载荷，直至试样破断以获得载荷－位移曲线。

图2中的压杆直径d1为2.5mm，钢珠半径r为2.5mm，并且二者硬度值均大于55HRC。试样为直径10mm、厚度（0.5±0.01）mm的小圆片，上下表面用1200＃砂纸打磨并且相互平行。下夹具中d2为4mm并倒有0.5×45°的圆角，d3为10mm。

图2 小冲杆应力腐蚀试验装置示意Fig.2 Schematic diagram of small punch test（SPT）for evaluating SCC susceptibility

空气中进行的小冲杆试验分别在0.0003，0.003，0.2，2mm·min－1加载速度下进行；应力腐蚀介质中进行的小冲杆试验分别在0.001，0.003，0.03，0.2mm·min－1加载速度下进行。应力腐蚀介质选用人造海水和NaCl、HCl的混合溶液。根据 ASTM D1141－98（2003）标准配置人造海水，配好后用0.1mol·L－1NaOH 溶液将人造海水的pH调整至8.2，现配现用［7］。NaCl和HCl混合溶液配比如下：①0.62mol·L－1NaCl＋0.1mol·L－1HCl②0.8mol·L－1NaCl＋0.1mol·L－1HCl③0.9mol·L－1NaCl＋ 0.1mol· L－1HCl④1.0mol·L－1NaCl＋ 0.1mol· L－1HCl⑤1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl。①～④溶液pH为1，⑤溶液pH为0.3。试验过程中，如果试样对应力腐蚀不敏感，则试样是韧性断裂、载荷－位移曲线可以延伸较长；而应力腐敏感性大的试样则呈现为脆性开裂，试样在较低的载荷和较小的位移下就会开裂。

采用XJL－03型光学显微镜和EVOMA15型扫描电子显微镜（SEM）对试验后小冲杆试样的显微组织和断口形貌进行观察与分析。

2 试验结果与讨论

2.1 加载速度对空气中试验结果的影响

图3 304L不锈钢小冲杆试样在室温空气中的载荷－位移曲线Fig.3 Load－displacement curves of SS304L small punch samples in ambient air

从图3中可以发现，加载速度在3×10－3～2mm·min－1之间时，小冲杆试验测得的载荷－位移曲线基本一致，最大载荷和位移具有较好的重复性。当加载速度进一步降低为3×10－4mm·min－1后，载荷－位移曲线发生明显改变，屈服强度略有升高，并且弹性段线性明显，曲线屈服阶段在其它曲线之上，最大载荷和位移量均大幅度降低。因为此加载速度下材料在发生弹性变形的同时有足够的时间进行弹性恢复，所以在该速度下获得的载荷－位移曲线弹性段线性相对明显，同时导致了其屈服强度略有提高。同理，在该加载速度下进行塑性变形时，试样组织中的滑移、位错等缺陷也有足够的时间迁移合并，与以其它加载速度达到相同位移的小冲杆试样的组织相比，其内部缺陷更多，更集中，因此需要更大的载荷来使试样的塑性变形程度增大。相同位移时，3×10－4mm·min－1小冲杆试样中缺陷的集中度比高加载速度下的小冲杆试样中的高，所以当在3×10－4mm·min－1下进行小冲杆试验时，试样在较低的位移和载荷下就发生了最终破断。

为了使采用小冲杆法评估的应力腐蚀敏感性结果与空气中的常规小冲杆试样具有可比性，所以明确用于评估应力腐蚀敏感性的小冲杆试验的加载速度应处于10－3～2mm·min－1之间。具体加载速度有待进一步试验确定，为了便于确定小冲杆试验的腐蚀介质，暂取较低的加载速度3×10－3mm·min－1在不同腐蚀介质中进行试验，因为较低的加载速度下材料的应力腐蚀敏感性较大。

2.2 腐蚀介质对试验结果的影响

在3×10－3mm·min－1的加载速度下进行小冲杆应力腐蚀评估验，结果以人造海水为腐蚀介质的试样并未发生断裂，这表明304L不锈钢在人造海水中具有较低的应力腐蚀敏感性，如图4所示。同时从图中还可以看出，以HCl和NaCl的混合溶液作为腐蚀介质时，随着NaCl含量的增加，曲线的最大载荷和位移略有下降，这表明试样的应力的腐蚀敏感性逐渐加强，但NaCl浓度增加到1.0mol·L－1时，SCC现象始终并不明显；当 HCl的浓度为0.5mol·L－1，可以观察到明显的SCC现象，并且试验结果具有较好的重复性，这表明304L不锈钢在酸性较强、含Cl－的溶液中更容易发生SCC。可以推测，随着HCl浓度的增加，最大载荷和位移还将降低，但是HCl浓度过高会造成化学试剂不必要的浪费，并增加了试验的危险性，同时也会由于HCl含量的过多导致均匀腐蚀逐渐占主导地位，影响到试验结果。综上所述，最为合适的腐蚀介质应为1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl的混合溶液。

图4 304L不锈钢小冲杆试样在不同腐蚀介质中的载荷－位移曲线Fig.4 Load－displacement curves of SS304Lsmall punch samples in different corrosion mediums

2.3 加载速度对试验结果的影响

从图5中可以发现，0.2mm·min－1和3×10－2mm·min－1加载速度下，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液中获得的载荷－位移曲线与空气中0.2mm·min－1加载速度下获得的曲线几乎具有相同的最大载荷和位移，这说明试样并未发生明显的SCC。当加载速度降低到3×10－3mm·min－1时，曲线的最大载荷和位移均大幅降低，说明试样表现出了较高的应力腐蚀敏感性，发生了低应力脆断。当加载速度进一步降低为10－3mm·min－1时，同样发生了显著的SCC现象，但是其最大载荷和位移相对于3×10－3mm·min－1下的并未明显降低，这说明10－3mm·min－1加载速度下进行SCC并不比3×10－3mm·min－1下的更敏感。因此，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl腐蚀介质中，较合适的小冲杆应力腐蚀试验加载速度为3×10－3mm·min－1。

图5 304L不锈钢小冲杆试样在不同加载速度下的载荷－位移曲线Fig.5 Load－displacement curves of SS304Lsmall punch samples at different load rates

2.4 断口形貌和显微组织

综上所述，可以确定小冲杆试验评估304L不锈钢应力腐蚀敏感性的最佳试验条件是使用1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液（腐蚀介质），加载速度为3×10－3mm·min－1；试验持续9～10h。

由图6可知，试验后腐蚀介质中的试样中心圆帽凸起位移量较小，试样四周有腐蚀现象，断口长度相对较大，四周可以观察到明显的微小SCC裂纹；空气中的试样表面依旧保持光亮，断口相对整齐。

由图7可见，在空气介质中试样的主断口相对平整，并没有发现细小裂纹，可以观察到大量尺寸为1～5μm的韧窝，显示了良好的韧性；在腐蚀介质中试样的主断口凹凸不平，可以观察到较多的细小SCC裂纹，断口具有混合特征，主要为典型的河流状解离断口，同时还可以观察到部分准解理断口形貌。

图6 304L不锈钢小冲杆试样在3×10－3 mm·min－1加载速度下和不同腐蚀介质中试验后的宏观形貌Fig.6 Macrograph of SS304Lsmall punch samples at load rate of 3×10－3 mm·min－1and in different corrosion mediums：（a）air and（b）mix solution of 1.0mol·L－1 NaCl and 0.5mol·L－1 HCl

由图8可见，在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl腐蚀介质中进行小冲杆试验后，试样的显微组织中发现了呈树枝状扩展的SCC裂纹，并呈穿晶断裂，四周晶粒的晶界由于试样发生下压位移变形而变得断断续续。

图8 在1.0mol·L－1 NaCl＋0.5mol·L－1 HCl腐蚀介质和3×0－3 mm·min－1加载速度下304L不锈钢小冲杆试样的显微组织Fig.8 Microstructure of SS304Lsmall punch sample in mix solution of 1.0mol·L－1 NaCl and 0.5mol·L－1 HCl and at load rate of 3×10－3 mm·min－1

3 结 论

（1）小冲杆试验法是一种有效评估304L不锈钢应力腐蚀敏感性的方法，具有试验周期短、试样尺寸小（近乎无损取样）、可针对不同的显微组织进行多微区检测、可对单侧面进行试验等优点。

（2）室温空气下，常规小冲杆试验在加载速度在3×10－3～2mm·min－1之间的载荷－位移曲线基本一致，最大载荷和位移具有较好的重复性；速度降低为3×10－4mm·min－1后，曲线变化明显，屈服强度略有升高，最大载荷和位移大幅降低。

（3）304L不锈钢最合适的小冲杆应力腐蚀敏感性评估试验条件是：腐蚀介质为1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl的混合溶液，加载速度为3×10－3mm·min－1。

（4）加载速度为3×10－3mm·min－1时，室温空气下，304L不锈钢的小冲杆试样断口呈韧窝状，无细小裂纹产生；而在1.0mol·L－1NaCl＋0.5mol·L－1HCl混合溶液中，断口以穿晶解理为主，还有部分准解理形貌，可以发现呈树枝状扩展的微裂纹。

［1］艾芒，杨镇，王志文.小冲杆试验法的起源、发展和应用［J］.机械强度，2000，22（4）：279－282.

［2］刘玉.小冲杆试验技术在金属材料性能评定中的应用［J］.机械研究与应用，2007，20（4）：10－12.

［3］韩浩.小冲杆实验测定金属材料常温性能的研究［D］.上海：华东理工大学，2003.

［4］郭良辉.评价材料抗断裂性能的小冲杆试验技术［D］.上海：华东理工大学，2004.

［5］关凯书，李璞，黄奕昶，等.小冲杆试验评价材料的断裂韧度［J］.压力容器，2007，24（12）：8－11.

［6］杨镇.小冲杆微试样技术用于测定材料高温蠕变性能的研究［D］.上海：华东理工大学，2001.

［7］YU H S，NA E G，CHUNG S H.Assessment of stress corrosion cracking susceptibility by a small punch test［J］.Fatigue Fract Eng Mater Struct，1999，22：889－896.