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不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

作者:鎮田機械 时间:2019-04-02 17:27
不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析 图3-1(a)和(b)分别为试样中部分裂纹在低倍和高倍光学显微镜下的形貌,由 图3-1(a)可见图中裂纹形貌具备典型应力腐蚀裂纹特征,如裂纹形貌呈树枝状, 信息摘要:

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

图3-1(a)和(b)分别为试样中部分裂纹在低倍和高倍光学显微镜下的形貌,由 图3-1(a)可见图中裂纹形貌具备典型应力腐蚀裂纹特征,如裂纹形貌呈树枝状, 主裂纹垂直于焊缝方向扩展且不连续,在裂纹末端分支较多,在主裂纹周围存在 二次裂纹等[55]。图3-1(a)中二次裂纹一般与主裂纹成一定的角度,有些几乎与主 裂纹扩展方向垂直,因此其萌生并不局限于几个固定的方向,而可能与主裂纹成 各种角度。对于图3-1(a)中发展成一定尺寸的裂纹来说,其只有固定一个走向, 如图中黑色箭头所示。因为裂纹萌生后,必须满足一定的应力条件,才能继续扩 展达到临界裂纹长度,所以裂纹只会在与主应力方向相一致的方向上扩展,形成 具有一定宏观尺寸的裂纹。与主应力方向不一致的裂纹要么止裂要么改变方向, 很难进一步扩展。

从宏观上看,图3-1(a)中裂纹的宽度并不是沿扩展方向由粗到细均匀变化的, 而是在裂纹扩展路径上存在与裂纹宽度不成比例的尺寸较大的孔洞,如图3-1(a) 中圆圈所示。这说明裂纹并不是单纯的在熔合区萌生并垂直于焊缝向外扩展,也 会在点蚀坑或其他缺陷周围,在应力和腐蚀介质的作用下萌生微裂纹,随着裂纹 的不断扩展,它们将互连接形成尺寸较大的宏观裂纹。

图3-1(b)为高倍下裂纹端部的微观形貌。在高倍下裂纹扩展的方向性强,主 裂纹明显,并且分支较多,形似落叶后的树干和树枝,在主裂纹周围还存在大量 的二次裂纹,如前文所述这些都属于不锈钢儲罐典型的应力腐蚀裂纹特征。此外在试样表面 还发现有大量的点蚀坑存在,说明试样在服役期间耐腐蚀性能已经有了一定的下 降。

图3-1中的裂纹的扩展是不连续的,这主要是因为裂纹在试样内部的扩展是 多向的,具有三维特征,因此裂纹在试样表面虽然不连续,但其在试样内部是相 互连接的。

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

(a)儲罐封头表面裂纹低倍OM照片 (b)儲罐封头裂纹高倍OM照片

图3-1儲罐封头表面裂纹照片

 

图3-2为经腐蚀剂腐蚀后部分裂纹的形貌。由图3-2可见裂纹主要以穿晶和 沿晶混合的形式扩展,裂纹周围的奥氏体晶粒尺寸和形状没有发生明显的变化。 图3-2(b)为图3-2(a)黑框内区域的放大图,从图3-2(b)中可以清楚地看出裂纹末 端裂纹的扩展形式从穿晶模式转化为沿晶模式。

在一般情况下,应力腐蚀裂纹萌生的时间占整个应力腐蚀时间的90%以上, 因此澄清应力腐蚀裂纹萌生的特点、过程和原因对于研宄材料的应力腐蚀机理是 相当重要的。由于本研宄所用不锈钢材料经过15年服役,大多数应力腐蚀裂纹 已进入扩展开裂阶段,且经过长时间的腐蚀,产生了大量的腐蚀产物,其扩展特 征已难以分辨,因此本文将采用二次裂纹来研宄应力腐蚀裂纹的萌生。

图3-3是从主裂纹分支而出的二次裂纹的金相照片和SEM照片。由图3-3(b) 可以清楚地看出在与主裂纹的连接处二次裂纹主要以穿晶的形式萌生。然而整体 来看,在二次裂纹是以穿晶和沿晶相混合的模式扩展的,在裂纹扩展过程中存在 着沿晶和穿晶两种模式的相互转化,如图3-3(b)(图3-3(b)中黑色箭头所示为穿 晶,白色箭头所示为沿晶)。

通常认为,穿晶应力腐蚀裂纹和沿晶应力腐蚀裂纹的机理是不同的,沿晶应 力腐蚀裂纹的产生和扩展是由于在裂纹尖端阳极优先溶解造成的,而穿晶应力腐 蚀裂纹的产生主要与在应力作用下环境介质诱发的解理开裂有关[56,57]。因此通过 二次裂纹的萌生与扩展的特点可以推断,在儲罐表面应力腐蚀裂纹的萌生中,由 应力造成的解理开裂占主导作用,而裂纹的扩展是在腐蚀介质和应力的共同作用 下进行的。

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

(a)腐蚀后奥氏体不鏽鋼儲罐封头表面裂纹宏观形貌

 

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

(b)腐蚀后奥氏体不鏽鋼儲罐封头表面裂纹形貌放大图 图3-2腐蚀后不鏽鋼儲罐表面应力腐蚀裂纹形貌

 

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

 

(a)主裂紋分支二次裂紋OM照片

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

 

(b)主裂紋分支二次裂紋SEM照片

圖3-3試樣表面主裂紋分支二次裂紋形貌OM和SEM照片

不鏽鋼儲罐裂紋試樣表面裂紋形貌分析

 

圖3-4試樣表面主裂紋裂紋尖端二次裂紋形貌的SEM照片

图3-4为应力腐蚀裂纹尖端二次裂纹形貌的SEM照片。由图3-4可见主裂 纹尖端的二次裂纹主要为沿晶裂纹。在裂纹尖端,应力集中程度很大,裂纹在应

力下並沒有在奧氏體晶粒內部繼續擴展,而是在其附近發生了沿晶開裂。如圖

4中的箭头所示,在裂纹萌生路径内部开裂的晶界上,存在一定尺寸的第二相 粒子。这些第二相粒子的存在一方面使晶界的强度降低,起到了弱化晶界的做用; 另一方面能在晶界处引起应力集中,因而使得裂纹更容易在晶界产生。这些微裂 纹也会在腐蚀介质和应力的作用下将不断扩展,直至达到应力腐蚀开裂的临界长 度,最终发生应力腐蚀开裂。

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