浙江至德鋼業(yè)有限公司在對(duì)核級(jí)奧氏體不銹鋼管焊接接頭性能分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕試驗(yàn)不合格，且發(fā)生晶間腐蝕開(kāi)裂的位置為母材，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致母材晶間腐蝕不合格的原因可能是由于不合理的元素成分（過(guò)高的錳含量和過(guò)低的鎳含量）和不合理的熱處理制度導(dǎo)致了母材在敏化后微觀(guān)組織為奧氏體＋δ鐵素體＋σ相，從而使得晶間敏化時(shí)貧鉻更嚴(yán)重，同時(shí)針對(duì)該種情況給出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
18-8型奧氏體不銹鋼因其具有較高的強(qiáng)度、塑形和良好的耐腐蝕性能在核電站中廣泛應(yīng)用，其中包括某些設(shè)備的重要部件以及需承擔(dān)耐高溫、耐腐蝕等而惡劣環(huán)境的重要系統(tǒng)管道。重要部件及管道用奧氏體不銹鋼在使用過(guò)程中需要復(fù)驗(yàn)，同時(shí)在焊接過(guò)程中還需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，其中就包括進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。由于晶間腐蝕對(duì)于奧氏體不銹鋼的應(yīng)用影響很大，且其發(fā)生過(guò)程不易覺(jué)察，所以?shī)W氏體不銹鋼晶間腐蝕現(xiàn)象受到了廣泛關(guān)注。
至德鋼業(yè)針對(duì)某一核級(jí)奧氏體不銹鋼管在焊接實(shí)施前焊接工藝評(píng)定不合格問(wèn)題，進(jìn)行了包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能、微觀(guān)組織、耐腐蝕性能等方面的試驗(yàn)，分析了造成工藝評(píng)定不合格的原因主要為晶間腐蝕試驗(yàn)不合格，并對(duì)造成晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的原因進(jìn)行了分析，并提出了避免該種問(wèn)題出現(xiàn)的相關(guān)措施，從而為核級(jí)奧氏體不銹鋼在核電站中的廣泛應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
一、焊接接頭的制備與試驗(yàn)方法
1. 焊接接頭的制備
母材為Z2CN18.10，規(guī)格為Φ21.3mm×3.37mm，填充焊絲為ER316L，規(guī)格為Φ2.0，焊接工藝為惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊（TIG）。對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，包括目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)和射線(xiàn)檢測(cè)，結(jié)果表明焊接接頭的表面缺陷及內(nèi)部缺陷在采購(gòu)規(guī)定的要求范圍之內(nèi)。
2. 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果
為了檢驗(yàn)焊接接頭是否滿(mǎn)足要求，從焊接接頭上分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、橫向拉伸、彎曲、微觀(guān)組織、晶間腐蝕等試驗(yàn)項(xiàng)目，具體要求如下。
a. 化學(xué)成分
按照GB/T 20066-2001的規(guī)定從焊接接頭上截取試樣，試驗(yàn)方法按照GB/T 11170-2008的要求在M5000直讀光譜儀進(jìn)行。化學(xué)成分分析結(jié)果如表所示，從表中可以看出測(cè)量值符合規(guī)范要求，同時(shí)雜質(zhì)元素銅、硼、氮、磷、硫等含量較低，這可以保證焊接質(zhì)量的可靠性；另外其中還含有微量的穩(wěn)定化元素鈮，元素鈮的存在是為了形成碳化物，從而降低基體中的碳含量，從而對(duì)于提高材料的抗晶間腐蝕能力有益；另外根據(jù)Delong圖計(jì)算得到δ鐵素體含量約為6％，符合規(guī)范要求的鐵素體含量在5～15％的要求。焊接接頭中一定量鐵素體的存在，是為了提高焊接接頭在凝固過(guò)程中的強(qiáng)度，從而避免凝固收縮形成的張力將焊縫撕裂。
b. 橫向拉伸
按照GB/T 2651-2008的規(guī)定截取管接頭板狀試樣，其中試樣平行長(zhǎng)度部分的寬度為6mm，試驗(yàn)設(shè)備均為WAW-300液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度Rm為575MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求的不低于490MPa的要求，同時(shí)斷裂位置在焊縫以外區(qū)域，這說(shuō)明焊接接頭強(qiáng)度優(yōu)于母材強(qiáng)度。
c. 彎曲
根據(jù)GB/T 2653-2008的規(guī)定，截取橫向彎曲試樣，其中試樣厚度為鋼管厚度（3.37mm），試樣的寬度為8mm，試樣的長(zhǎng)度為100mm，且焊縫處于試樣的中間位置，試驗(yàn)設(shè)備為WAW-300液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。截取4個(gè)橫向彎曲試樣，其中2個(gè)進(jìn)行面彎試驗(yàn)，2個(gè)進(jìn)行背彎試驗(yàn)，彎曲過(guò)程所采用的圓形壓頭直徑為15mm，彎曲角度為180°，試驗(yàn)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有裂紋或其他缺陷產(chǎn)生。
d. 微觀(guān)組織
從焊接接頭上截取長(zhǎng)度為30mm的管段，沿縱截面監(jiān)測(cè)焊縫和焊縫附近區(qū)域的微觀(guān)組織，侵蝕劑為300mL HCl＋500gFeCl 3＋700mlH2O，侵蝕時(shí)間2秒，然后在CMM-40E金相顯微鏡上觀(guān)察不同區(qū)域的微觀(guān)組織。
焊縫處的微觀(guān)組織如圖所示，可以看出存在明顯的兩種組織，根據(jù)表中的化學(xué)成分分析及Delong圖計(jì)算結(jié)果可知，該組織主要為奧氏體的基體和沿奧氏體基體分布的枝狀鐵素體，由于該鐵素體為直接從液相中析出，可以判斷出為δ鐵素體，據(jù)此可以判斷得出焊縫處的組織為鑄態(tài)的奧氏體＋δ鐵素體。
焊縫附近熱影響區(qū)的組織如圖所示，可以看出該區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和焊縫的鑄態(tài)組織明顯不同，出現(xiàn)了經(jīng)加工和熱處理后由于材料發(fā)生再結(jié)晶而存在的明顯晶界，同時(shí)晶內(nèi)出現(xiàn)了異與基體的其他組織，且存在一定數(shù)量的孿晶。
另外，母材區(qū)域的微觀(guān)組織如圖所示，根據(jù)張文華的研究，鉻－鎳型奧氏體不銹鋼在1100～1300℃固溶處理過(guò)程后，其δ鐵素體含量隨著固溶溫度的升高而增加，根據(jù)F-2A型鐵素體儀測(cè)母材的微觀(guān)組織中除了奧氏體基體外，還包括7.3％的鐵素體，據(jù)此推測(cè)此鐵素體應(yīng)為δ鐵素體；除δ鐵素體，還可以觀(guān)測(cè)得知在部分晶界存在碳化物析出；同時(shí)對(duì)δ鐵素體析出區(qū)域放大倍數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行觀(guān)察，如圖所示，可以看出在條形δ鐵素體周?chē)嬖谄渌鼔K狀析出相，利用平衡相圖計(jì)算結(jié)果及相關(guān)研究，可分析得知該析出相為σ相。
e. 晶間腐蝕
晶間腐蝕試驗(yàn)按照GB／T4334.5-2000的規(guī)定進(jìn)行，試樣長(zhǎng)度為100mm，寬為20mm的厚度為管材壁厚的條形試樣；晶間腐蝕前應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行敏化，敏化溫度為650℃，敏化保溫時(shí)間為2小時(shí)，保溫后在空氣中冷卻；晶界腐蝕試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)是按照該標(biāo)準(zhǔn)要求配置的硫酸－硫酸銅溶液；試驗(yàn)完成后，取出試樣，洗凈、干燥、并進(jìn)行聲響試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，彎曲角度為180°。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靠近焊縫熱影響區(qū)的母材區(qū)域存在裂紋，而焊縫區(qū)域無(wú)裂紋，這表明母材的晶間腐蝕結(jié)果不合格。
f. 母材性能
根據(jù)母材的質(zhì)量證明文件，可知母材的化學(xué)成分，具體如表所示。根據(jù)表的結(jié)果可以看出，錳含量接近上限，鎳含量接近下限，且根據(jù)Delong圖計(jì)算得到母材中的δ鐵素體含量約為8％。同時(shí)，母材的拉伸性能結(jié)果表明其室溫抗拉強(qiáng)度為575MPa，滿(mǎn)足采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)中不低于490MPa的要求；屈服強(qiáng)度為260MPa，滿(mǎn)足采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)中不低于175MPa的要求。
二、分析討論
根據(jù)對(duì)焊接接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能、彎曲、微觀(guān)組織、晶間腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果，可以看出該焊接接頭是不符合要求的，主要原因是由于母材區(qū)域在晶間腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中的彎曲檢測(cè)中出現(xiàn)開(kāi)裂造成的。對(duì)于奧氏體不銹鋼而言，晶間腐蝕開(kāi)裂的主要原因是因?yàn)椴讳P鋼在熱處理過(guò)程中發(fā)生了“敏化”，即沿晶界析出M23C6碳化物（其中的M主要指鉻和鐵），導(dǎo)致晶界附近貧鉻，同時(shí)遠(yuǎn)離晶界基體中的鉻在短時(shí)間無(wú)法擴(kuò)散到晶界，使得晶界附近的鉻含量低于材料發(fā)生腐蝕所要求的最低值，從而導(dǎo)致在腐蝕溶液中晶界位置優(yōu)先被侵蝕，最后導(dǎo)致材料失效。
研究表明，在奧氏體不銹鋼中一定含量的δ鐵體有助于提高合金的抗晶間腐蝕性能，這主要是由于δ鐵素體與奧氏體界面的界面能比奧氏體晶界的界面能低，使得M23C6碳化物優(yōu)先在δ鐵素體與奧氏體界面上析出；同時(shí)該相界面的存在相當(dāng)于增加了碳化物的析出區(qū)域面積，使得單位面積上的碳化物濃度降低，從而使得材料發(fā)生“敏化”晶界附近區(qū)域鉻含量也不至于過(guò)低，從而減少材料形成晶間腐蝕敏感性。另外，如果奧氏體不銹鋼中錳過(guò)高，鎳含量較低時(shí)則容易形成σ相。σ相是一種含有較高鉻含量的Cr-Fe金屬間化合物，當(dāng)其沿晶界析出時(shí)，同時(shí)將使晶界周?chē)纬韶氥t區(qū)，從而使得材料的晶間腐蝕更敏感。
根據(jù)對(duì)焊接接頭和母材的微觀(guān)組織分析，可以得知焊接接頭的最終組織為奧氏體基體＋δ鐵素體，且焊縫為鑄態(tài)組織，因此根據(jù)最終金相檢查的分析結(jié)果可以得知焊接接頭在焊接完成后沒(méi)有發(fā)生明顯的敏化；母材的微觀(guān)組織為奧氏體基體＋δ鐵素體＋σ相，同時(shí)在某些晶界部分發(fā)現(xiàn)有碳化物的析出；由于富鉻的σ相在靠近δ鐵素體區(qū)域析出，這將使得奧氏體基體中的鉻含量降低，另外某些晶界存在碳化物析出，這就使得晶界附近的貧鉻更為嚴(yán)重。根據(jù)化學(xué)成分結(jié)果可知焊縫區(qū)域的δ鐵素體含量要高于母材，同時(shí)焊縫的鑄態(tài)組織由于無(wú)明顯晶界也無(wú)明顯的敏化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接接頭在敏化時(shí)未發(fā)生開(kāi)裂；而母材由于即在基體中存在σ相析出，導(dǎo)致基體中的鉻含量降低，同時(shí)某些晶界存在碳化物的析出，導(dǎo)致晶界區(qū)域的貧鉻更為嚴(yán)重，最終使得母材在相同的腐蝕環(huán)境中發(fā)生晶間腐蝕開(kāi)裂。
對(duì)于18/8型奧氏體不銹鋼，一般在交貨前均要求進(jìn)行最終固溶熱處理，固溶熱處理溫度為1050～1150℃，保溫時(shí)間約為10min，該熱處理將會(huì)保證該類(lèi)型奧氏體不銹鋼為奧氏體＋δ鐵素體組織，只不過(guò)由于δ鐵素體的含量很少，不易被覺(jué)察到因此一般被認(rèn)為是單一的奧氏體基體組織。另外，當(dāng)18/8型奧氏體不銹鋼具有較高的錳和氮時(shí)，在500℃～900℃長(zhǎng)時(shí)間加熱，則σ相形成傾向就會(huì)比較強(qiáng)烈。對(duì)于本文中出現(xiàn)的該種焊接接頭，由于在晶界試驗(yàn)中需要對(duì)試樣進(jìn)行敏化，而敏化過(guò)程溫度正處于σ相的析出溫度范圍，同時(shí)在母材中錳含量處于上限、鎳含量處于下限，從而對(duì)于σ相的形成較為有利。而對(duì)于焊接接頭，由于熔覆金屬的錳含量為1.60％，鎳含量為12.09％，相對(duì)于母材中的錳含量為1.904％，鎳含量為9.348％具有較低的錳和較高的鎳，且δ鐵素體也更少，從而導(dǎo)致了在相同的敏化條件下焊縫區(qū)域沒(méi)有σ相產(chǎn)生。另外，由于鉻是鐵素體形成元素，鎳是奧氏體形成元素，因此δ鐵素體中的鉻含量要明顯高于奧氏體中的鉻，則δ鐵素體中將更容易析出富鉻的σ相，這也與圖中的金相檢查結(jié)果相吻合。
綜上分析可知，由于母材中的錳含量較高、鎳含量較低，導(dǎo)致其在晶間腐蝕試驗(yàn)的敏化過(guò)程中形成了奧氏體＋δ鐵素體＋σ相的微觀(guān)組織，且同時(shí)沿晶界存在碳化物析出，這導(dǎo)致了晶間腐蝕試驗(yàn)不合格；而焊接接頭中由于僅存在δ鐵素體，無(wú)σ相和碳化物析出，而單一的δ鐵素體對(duì)于奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕是有益的，從而其在晶間腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)有裂紋。
三、結(jié)論及建議
1. 導(dǎo)致焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的主要部位在母材區(qū)域，而導(dǎo)致母材晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的原因是由于不合理的元素成分（過(guò)高的錳含量和過(guò)低的鎳含量）導(dǎo)致在敏化后母材的微觀(guān)組織為奧氏體＋δ鐵素體＋σ相，從而導(dǎo)致母材的抗晶間腐蝕性能降低；
2. 建議在奧氏體不銹鋼制造過(guò)程中鎳含量應(yīng)取中間值范圍，錳含量取較低值。
