李嘉和 李文娟

摘要：奥氏体不锈钢若在焊接等热加工时处理不当，容易在焊缝、熔合线及热影响区出现危险性大的晶间腐蚀使不锈钢几乎丧失强度。本文对奥氏体不锈钢焊接时产生晶间腐蚀的原因机理进行了分析，并对奥氏体不锈钢避免晶间腐蚀或改善晶间腐蚀的方法进行介绍，为奥氏体不锈钢结构设计，冷热加工，使用管理和维护保养等提供指导。

关键词：奥氏体不锈钢;热加工;晶间腐蚀

1.引言

奥氏体不锈钢在焊接等热加工过程中如未采取良好的控制措施，其受热部位在之后可能出现三种腐蚀现象：晶间腐蚀，应力腐蚀，整体腐蚀。通常认为腐蚀为多种类型同时存在及转变，本文主要就晶间腐蚀进行描述，晶间腐蚀可在焊缝，熔合线及热影响区出现。晶间腐蚀发生在晶粒边界，向金属内部深入形成脆弱的结合面（见图1），使金属几乎丧失强度，在低应力条件下即可快速失效。在晶间腐蚀导致金属失效的过程中，金属的表面仍保持原有外观形貌而不易被察觉。由此，晶间腐蚀被认为是一种危险性大的破坏形式。

2.晶间腐蚀产生的原理

晶间腐蚀产生的原理现有公认的贫铬理论可以进行解释：不锈钢在高温状态下，晶粒边界析出碳化铬、氮化铬、西格玛相和铬的化合物。这些高于不锈钢平均铬含量的高铬相导致晶粒外缘临接区域的铬含量下降，称为贫铬区。碳化铬析出导致的区域贫铬不会导致加速腐蚀，同时取决于腐蚀介质类型。在之后当接触到具有导致不锈钢晶间腐蚀能力的介质时，晶界与晶粒内化学成分的差异，在适宜的介质中形成腐蚀的电池，晶界为阳极，晶粒为阴极（见图2），晶界产生选择性溶解，贫铬区溶解速度远大于晶粒本身，导致向金属内部深入形成脆弱的结合面，使金属丧失强度。不锈钢贫铬区是不锈钢产生晶间腐蚀的重要原因之一。

3.避免晶间腐蚀或改善晶间腐蚀的方法

3.1控制碳含量

將奥氏体不锈钢中碳的含量降低，则相应的减少了碳化铬形成，也就降低了晶间贫铬产生的程度。其中碳的来源分为内部和外部。内部的碳来源可以通过材料的成分进行控制，如：选用超低碳的不锈钢母材和焊材，从根本上减少碳化铬的形成。外部的碳来源可以通过避免或清除的方式进行控制，如避免接触含碳物质或者对接触过碳的不锈钢使用专用磨具进行表层清除。

3.2控制金属冷却速度

450℃至850℃之间的温度被称之为不锈钢的敏化温度，这是由于温度低于450℃时贫铬不发生。温度超过850℃时，晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳化合避免贫铬。当金属在敏化区停留时间短，则碳原子向不锈钢晶间的扩散量相应降低。同时由于奥氏体不锈钢在急冷时不会向马氏体进行转变，即没有淬硬性。所以可以使用一些高速率的降温方式，如：在焊接过程中使用小的热输入、使用铜垫块或者水加速冷却等。

3.3添加稳定元素及稳定热处理

当金属中存在比铬更易于与碳结合的元素，如：钛、铌和钽等，这些元素优先与碳形成稳定碳化物，则对不锈钢晶间的贫铬现象进行改善。但稳定元素在特定条件下仍可能无法完全避免贫铬区域的形成。以钛为例，当温度继续升高时，碳化钛也会进行溶解，从而导致钛对碳的稳定作用降低甚至消失。在随后的冷却过程中，碳原子由于相较于钛原子体积更小，所以碳原子的扩散速度高于钛，仍会有部分与铬结合产生区域贫铬，发生在热影响区的此类现象被称作刀蚀，刀蚀可以通过将焊接接头温度再次加热到约870℃来进行消除。在此温度下，钛、铌和钽优先于铬形成碳化物，此工艺被称作稳定热处理，稳定热处理仅针对含有稳定元素的不锈钢类型（由于钽和钴可以被激发具备放射性，在核工业中此类元素被限制使用）。

3.4添加铁素体

通过改变填充金属的成分，使焊缝成为奥氏体-铁素体的双向组织，以提高耐晶间腐蚀的能力。双组织中奥氏体的高碳浓度和铁素体中的高铬浓度有相互扩散的趋势，都向两相交界处进行扩散。其中奥氏体中的碳扩散速度较快，在两相边界行成碳化铬。同时铁素体中的铬扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速度。则一旦晶界出现贫铬时，铁素体中的铬能够及时的进行补充，使得奥氏体晶界出现的贫铬降低，分布不连续，且打乱单一的奥氏体柱状晶方向，从而改善奥氏体晶粒间的腐蚀集中。但应注意铁素体含量过高反而会由于西格玛相而降低耐晶间腐蚀能力。奥氏体不锈钢焊材中的铁素体含量具体选值应基于裂纹敏感性，抗腐蚀性能，机械性能，所接触介质等多方面因素考虑。如：服役于碳酰胺工况，高温等特殊工况时应控制铁素体含量在较低水平，对于磁性的要求，对于低温性能的要求等。

3.5合理安排焊接顺序

应充分考虑后续焊层对前续焊层的升温作用。条件允许的情况下，将与介质接触的表面安排最后进行焊接;条件受限的情况下，对焊接工艺进行调整，减免后续焊层对前续焊层的敏化影响。

3.6固溶热处理

将焊接完成的奥氏体不锈钢加热至1050℃-1100℃之间，在此温度时碳重新熔入奥氏体之中，经过适当的保温时间，然后使其快速冷却通过敏化温度区域使基体中析出的组份来不及析出，以过饱和固溶于基体之中并形成稳定的奥氏体组织。此方法可以避免晶间贫铬但并未减少碳元素的总量，所以如果构件将来服役于相当于敏化温度区的环境时，贫铬区将可能会在碳的熔入区域形成。

3.7均匀化热处理

将焊接完成的奥氏体不锈钢加热至850℃-900℃之间进行数小时的保温，使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间向晶间进行扩散，对晶界的原贫铬区进行补充铬，恢复此区域的耐腐蚀性能。

4.结论

奥氏体不锈钢晶间腐蚀作为一种在外观上不易发现且会造成突然失效的严重腐蚀，其形成的机理与结构设计，材料选用，冷热加工，使用管理和维护保养等多方面因素有关。合理的应用考虑可有效的减少此失效的发生。