摘 要:晶間腐蝕敏感性是不銹鋼的重要檢驗項目之一。GB/T4334—2020現(xiàn)已發(fā)布實施,針 對標(biāo)準(zhǔn)更新內(nèi)容進(jìn)行解讀和分析。新標(biāo)準(zhǔn)在名稱、取樣和制備以及敏化制度等方面進(jìn)行了一系列 改動;在試驗方法上進(jìn)行了較大更新,廢除了硝酸-氫氟酸法,新增銅-硫酸銅-35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同) 硫酸法和40%硫酸-硫酸鐵法;明確了各類試驗方法的使用條件和適用范圍;對彎曲評定法的試驗 參數(shù)進(jìn)行了變更。
關(guān)鍵詞:不銹鋼;晶間腐蝕;標(biāo)準(zhǔn);解讀
中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)05-0074-04
從20世紀(jì)20年代起,科學(xué)界開始對不銹鋼晶間 腐蝕產(chǎn)生原因和不銹鋼晶間腐蝕敏感性檢驗技術(shù)進(jìn) 行研究。1943年美國首先發(fā)布了奧氏體不銹鋼晶間 腐蝕檢驗方法標(biāo)準(zhǔn) ASTM A262StandardPractics forDetectingSusceptibilitytoIntergranularAttackin AusteniticAtainlessSteels,1979年又發(fā)布了鐵素體不 銹鋼晶間腐蝕檢驗方法標(biāo)準(zhǔn) ASTM A763Standard PracticsforDetectingSusceptibilitytoIntergranular AttackinFerriticStainlessSteels,此后各主要工業(yè)國 家和組織也制定了檢驗標(biāo)準(zhǔn)[1]。近年來歐盟標(biāo)準(zhǔn)都 采用了ISO3651-(1~2):1998,日本、美國標(biāo)準(zhǔn)中的 一些內(nèi)容也逐步向ISO 靠攏。國內(nèi)現(xiàn)已形成了較為 獨立、完善的試驗標(biāo)準(zhǔn)系列。截至2020年11月,國 內(nèi)晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)通用版本為 GB/T4334—2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》,其 主要內(nèi)容與上述國家或組織的標(biāo)準(zhǔn)基本一致,僅在試 驗方法、適用范圍和敏化制度的選擇上有所差別。
新標(biāo) 準(zhǔn) GB/T4334—2020 結(jié) 合 ISO 3651-1: 1998《不銹鋼耐晶間腐蝕的測定 第1部分:奧氏體 及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼 含硝酸介質(zhì)中的腐 蝕試驗》和ISO3651-2:1998《不銹鋼耐晶間腐蝕的測定 第 2 部分:鐵素體、奧氏 體 及 鐵 素 體-奧 氏 體 (雙相)不銹鋼 含硫酸介質(zhì)中的腐蝕試驗》進(jìn)行了重 新起草,在結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上對 GB/T4334—2008進(jìn)行 修整,主要包括標(biāo)準(zhǔn)名稱、取樣及制備、敏化制度和 試驗方法等4個方面。
1 標(biāo)準(zhǔn)名稱
由于雙相不銹鋼的應(yīng)用普及較晚,尚無與其相 關(guān)的晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)。目前,德、法、英等歐洲國 家的晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完全等效采用了標(biāo)準(zhǔn) ISO3651。標(biāo)準(zhǔn)ISO3651-1:1998中明確規(guī)定其適 用范圍為奧氏體及鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。標(biāo) 準(zhǔn)ISO3651-2:1998中明確規(guī)定其適用范圍為鐵素 體不銹鋼、奧氏體不銹鋼及鐵素體-奧氏體雙相不 銹鋼。
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) GB/T4334—2008試驗方法也大都 適用于奧氏體不銹鋼,僅 E 法明確地指出了其適用 于奧氏體、鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼。對于鐵素體 不銹鋼,近年國內(nèi)相繼發(fā)布了鐵素體不銹鋼的晶間 腐蝕標(biāo)準(zhǔn) GB/T31935—2015 《金屬和合金的腐蝕 低鉻 鐵 素 體 不 銹 鋼 晶 間 腐 蝕 試 驗 方 法》和 GB/T 32571—2016《金屬和合金的腐蝕 高鉻鐵素體不銹 鋼晶間腐蝕試驗方法》。新標(biāo)準(zhǔn) GB/T4334—2020 將名稱變更為 《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素 體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》,明確 了雙相不銹鋼的適用范圍,便于使用和實施,符合行 業(yè)發(fā)展需求。至此,國內(nèi)已建立了針對不同類型不 銹鋼晶間腐蝕試驗方法的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系(見表1)。
2 取樣及制備
鐵 素 體 不 銹 鋼 晶 間 腐 蝕 試 驗 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 31935—2015 和 GB/T 32571—2016 在 GB/T 4334—2008的基礎(chǔ)上,對取樣及制備方法進(jìn)行了改 進(jìn),涉 及 了 試 樣 尺 寸 和 試 驗 報 告。新 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 4334—2020與鐵素體不銹鋼晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)作 了適當(dāng)?shù)牡韧?使不同類型不銹鋼晶間腐蝕試驗在 取樣及制備要求上得到了統(tǒng)一。此外,對于彎曲法 取樣要求附加了備注:因試樣尺寸有限無法對同一 試樣的兩個被檢驗面進(jìn)行彎曲,則可取兩個試樣,分 別彎曲兩個試樣的不同檢驗面,作為代替試驗。同 時,取樣時標(biāo)記出兩個試樣的檢驗面。這種取樣要 求體現(xiàn)了制樣的靈活性和標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、合理性。
3 敏化制度
某研究院試驗分析表明,8mm 厚度的18-8鋼 板的正常焊條電弧焊試樣的晶間腐蝕敏化程度不超 過鋼板試樣經(jīng)650 ℃敏化15min的晶間腐蝕敏化 程度,因而認(rèn)為1h的敏化時間,對焊接構(gòu)件而言留 有較大余地[2]。GB/T4334—2008敏化制度規(guī)定, 超低碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%)和穩(wěn)定化 鋼種(添加鈦或鈮)的敏化處理溫度為650 ℃,壓力加工試樣保溫2h,鑄件保溫1h,空冷,無供需雙方 協(xié)商條款。這一規(guī)定導(dǎo)致試驗敏化制度沒有任何調(diào) 整空間。實際上,對于不同牌號、不同合金含量的不 銹鋼,其第二相析出的敏感溫度是有差異的,將敏化 溫度限定在一個固定溫度顯然不合理[3]。大量試驗 研究表明[2,4],使用 GB/T4334—2008標(biāo)準(zhǔn)的敏化 制度往往會造成試驗過程中試樣的非晶間腐蝕開 裂,從而增加了評定工作量。ASTM A262要求敏 化溫度為650~675℃,對敏化時間和冷卻方式不作 強(qiáng)制要 求,但 是 推 薦 了 一 種 常 用 的 敏 化 制 度,即 675 ℃,保溫1h,同時也允許供需雙方協(xié)商敏化時 間及冷卻方式。ASTM262中的 E 法特別提到,除 非需方聲明,否則可以使用ISO 3651-2中的 A 法 替代該試驗,以及使用ISO 3651-2 推薦的敏化制 度,說明 ASTM A262對ISO3651的敏化制度也是 認(rèn)可的。
新標(biāo) 準(zhǔn) GB/T4334—2020 對 于 奧 氏 體 不 銹 鋼,采用 GB/T4334—2008 的 敏 化 制 度。對 于 鐵 素體-奧氏體雙相不銹鋼,推薦使用ISO3651-2的 敏化制度。對于其他不銹鋼試樣是否需要敏化處 理以及敏化 處 理 制 度 的 選 擇,由 產(chǎn) 品 標(biāo) 準(zhǔn) 或 供 需 雙方協(xié)商確定。表2為標(biāo)準(zhǔn) GB4334—2020推薦 的敏化制度。
4 試驗方法
4.1 C法(65%硝酸法)硝酸溶液
關(guān)于 C法溶液的配制,標(biāo)準(zhǔn)要求將符合 GB/T 626《化學(xué)試劑 硝酸》的優(yōu)級純硝酸用蒸餾水或去 離子水配制成(65.0±0.2)%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的硝 酸溶液。該配制方法較為繁瑣,需要對硝酸試劑進(jìn) 行滴定,確定其實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)后再配制符合標(biāo)準(zhǔn)要 求的硝酸溶液,大大增加了工作量。有研究表明,硝 酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對不銹鋼腐蝕速率的影響較大[5]。C法 規(guī)定試驗需進(jìn)行5個周期,每個周期48h,且每個周 期使用新配制的試液。硝酸在滴定過程中會產(chǎn)生誤 差,影響試樣的腐蝕速率。經(jīng)過多次周期、長時間試 驗,誤差不斷累積,對試驗結(jié)果影響較大。
新標(biāo)準(zhǔn) GB/T4334—2020在硝酸法溶液配制 方法后備注ρ20 =1.40g/mL(ρ20 為 20 ℃ 下 的 密 度),表示可以采用比重法間接測定所配試液濃度是 否符合要求,提升了試驗的可操作性和便捷性,減小 了試驗誤差。
4.2 廢除 D法(10%硝酸+3%氫氟酸法)
硝酸-氫氟酸法最早于1984年修改采用自日本 標(biāo)準(zhǔn)JISG0574—1980《不銹鋼硝酸-氫氟酸腐蝕試 驗方法》。ASTM A262早期版本中也包含 D法,并 特別指明適用于測定316/316L不銹鋼中僅是由于 碳化鉻而非σ相引起的晶間腐蝕,但在發(fā)布 ASTM A262-1998時廢除了此法。當(dāng)前其他各國和組織 的試驗標(biāo)準(zhǔn)中已無此方法。從適用性來講,硝酸-氫 氟酸法僅適用于非穩(wěn)定化的含鉬奧氏體不銹鋼,不 適用于雙相不銹鋼,有其局限性。從試驗方法來講, 試樣在此溶液中的腐蝕電位處在活化-鈍化區(qū),均勻 腐蝕速率較高,所以必須采用參照試樣,借助腐蝕速 率比值的評定方法來排除均勻腐蝕的干擾影響。此 外,該方法試驗溫度為70 ℃,既非室溫,又未達(dá)沸 點,控制相對不方便。試驗溶液含有劇毒的氫氟酸, 不能使用常規(guī)的玻璃容器,而需采用耐硝酸和氫氟 酸腐蝕的特制塑料容器,試驗過程產(chǎn)生的水汽對人 員健康 也 不 利,導(dǎo) 致 該 方 法 一 直 未 被 廣 泛 使 用。 GB/T4334—2008雖然還保留了硝酸-氫氟酸法(D 法),但從 GB/T21433—2008 《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗》開始對壓力容器晶間腐蝕試驗 已經(jīng)不推薦使用該方法。
4.3 修改 E法(銅-硫酸銅-16%硫酸)彎曲參數(shù)
在眾多關(guān)于晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)的探討中,對于 彎曲參 數(shù) 的 爭 議 最 大。 行 業(yè) 內(nèi) 普 遍 認(rèn) 為,GB/T 4334—2008中關(guān)于彎曲參數(shù)的規(guī)定過于嚴(yán)苛,母材 往往能通過測試,而焊接件經(jīng)常會發(fā)生冷彎斷裂,導(dǎo) 致使用 E 法時往往會增加很多金相檢驗的工作[6]。 為此,相關(guān)單位進(jìn)行了大量的試驗研究,多篇報道建 議修改彎曲試驗參數(shù)[6-8]。
新標(biāo)準(zhǔn) GB/T4334—2020關(guān)于彎曲參數(shù)保留 了壓力加工件試樣彎曲角度為180°,對于焊管和焊 接件規(guī)定彎曲角度由原來的180°改為不小于90°, 主要是考慮到焊接件塑性較差,即使不經(jīng)過晶間腐 蝕試驗,彎曲到180°后也會由于冷變形而超過其塑 性,導(dǎo)致開裂。對于鑄鋼件的彎曲角度從90°改為 不小于90°,兼容了此前版本的要求。對于低韌性 材料參照了 ASTM A262,無須彎曲180°,而是采用 一個未經(jīng)過腐蝕環(huán)境侵蝕的試樣來確定該材料不產(chǎn) 生冷彎裂紋的最大彎曲角度,以此作為彎曲試驗的 彎曲角度。
近年來,無論是理論計算還是試驗研究都表明 壓頭直徑對于彎曲試驗結(jié)果有很大的影響[6,9]。對 此,新標(biāo)準(zhǔn) GB/T4334—2020對壓頭直徑也進(jìn)行了 修正,對于壓力加工件,彎曲試驗用的壓頭直徑應(yīng)不 大于試樣厚度的2倍;對于鑄鋼件、焊管和焊接件, 彎曲試驗用的壓頭直徑應(yīng)不大于試樣厚度的4倍, 這與ISO3651-2是等同的。相比于 ASTM A262, 其優(yōu)點在于不需要針對每個厚度采用不同直徑的壓 頭。在新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下,對于壓力加工件而言,原先的 5mm 壓頭適用于厚度不小于2.5mm 的試樣,對于 鑄件、焊接件等低塑性工件,其適用于厚度不小于 1.25mm 的試樣。
4.4 新增F法(銅-硫酸銅-35%硫酸)和 G 法(40% 硫酸-硫酸鐵)
GB/T4334—2008規(guī)定的晶間 腐 蝕 試 驗 方 法 多適用于奧氏體不銹鋼,僅有 E 法明確地指出了其 適用于雙相不銹鋼,這對于雙相不銹鋼晶間腐蝕試 驗方法的選擇過于單一。有文獻(xiàn)表明[10],對高鉻鉬 的奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼,采用 16% 硫酸-硫 酸銅法檢驗晶間腐蝕的結(jié)果往往與工程實際不相 符。ISO3651:1998首次列出了35%硫酸-硫酸銅銅屑試驗 法 和 40% 硫 酸-硫 酸 鐵 試 驗 法,但 GB/T4334—2008并未納入,導(dǎo)致國內(nèi)部分不銹鋼產(chǎn)品在 晶間腐蝕檢驗時面臨無相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)可依的困境, 只能引用ISO 標(biāo)準(zhǔn),如標(biāo)準(zhǔn) GB/T21433—2008中 引用了標(biāo)準(zhǔn)ISO3651-(1~2)。
新 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 4334—2020 在 GB/T 4334— 2008的基礎(chǔ)上增加 F法(銅-硫酸銅-35%硫酸)和 G 法(40% 硫 酸-硫 酸 鐵),并 給 出 了 適 用 范 圍 (見 表 3)。新增試驗方法符合當(dāng)前檢驗需求,有助于指導(dǎo) 和規(guī)范高鉻高鉬奧氏體不銹鋼及鐵素體-奧氏體雙 相不銹鋼的生產(chǎn)和驗收。
5 結(jié)語
GB/T4334—2020將標(biāo)準(zhǔn)名稱變更為《金屬和 合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼 晶間腐蝕試驗方法》,同時明確了各類試驗方法的使 用條件和適用范圍。新標(biāo)準(zhǔn)的修改提高了不銹鋼晶 間腐蝕試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和實用性,有 助于指導(dǎo)和規(guī)范高鉻高鉬奧氏體不銹鋼及鐵素體奧氏體雙相不銹鋼的生產(chǎn)和驗收,有助于提高國內(nèi) 不銹鋼產(chǎn)品的性能和安全可靠性。
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