不銹鋼之所以會發(fā)生晶間腐蝕,是因?yàn)椴讳P鋼中的碳在較低的溫度下以富鉻碳化物的形式析出,使得晶界和鄰近區(qū)域的鉻含量下降,形成一個(gè)貧鉻區(qū)。這個(gè)貧鉻區(qū)域很容易被腐蝕,導(dǎo)致晶間腐蝕或者應(yīng)力腐蝕開裂。為了將晶界的性質(zhì)與晶間腐蝕聯(lián)系起來,很多研究者通過經(jīng)驗(yàn)或分析模型,對貧鉻區(qū)進(jìn)行了定量的理論研究。例如,Stawstr(o)m和Hillert、Was和Kruger以及Bruemmer等采用熱力學(xué)模型研究了碳在晶界和晶粒內(nèi)部的濃度分布。雖然由熱力學(xué)公式所建立的模型能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符,但是大量的實(shí)驗(yàn)表明,鉻濃度達(dá)到最低值需要一定時(shí)間,并不是在沉淀開始析出時(shí)就達(dá)到最低濃度。所以,Sahlaoui等將敏化分為兩部分:沉淀物的成核和生長。Yin等人提出的模型則包括了鉻在三個(gè)方向上的分布情況,不僅模擬了敏化時(shí)間、溫度對鉻濃度分稚的影響,還研究了晶粒尺寸對鉻濃度分布的影響。一般來說,這些模型在研究敏化與去敏化的過程中是相當(dāng)成功的,但是這些模型只能給出鉻在晶界處沿某個(gè)方向的分布情況,并不能顯示整個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布情況。
 

　　 本文的研究目的是采用更加快速、無損、能夠用于現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)方法來檢測不銹鋼的晶間腐蝕,研究各因素對不銹鋼晶間腐蝕的影響,并且通過建立合理的理論模型,模擬沉淀物的析出過程、鉻在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的三維濃度分布、以及不同實(shí)驗(yàn)條件對不銹鋼晶間腐蝕的影響。本文采用電化學(xué)動電位再活化法(EPR)法研究了固溶處理以及敏化處理對304、316不銹鋼晶間腐蝕的影響,并通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜(EDS)、電子背散射衍射(EBSD)對晶間腐蝕做了進(jìn)一步的研究,探討了引起不銹鋼晶間腐蝕變化的因?yàn)?。通過元胞自動機(jī)方法(CA)模擬了晶粒的生長、富鉻碳化物的析出過程、鉻的三維濃度分布,直觀地展示了固溶處理和敏化處理等實(shí)驗(yàn)條件對晶間腐蝕的影響。另外,還通過元胞自動機(jī)方法,研究了冷加工對304不銹鋼晶間腐蝕的影響,模擬了冷加工過程中的重結(jié)晶和粒徑的變化情況,討論了粒徑的變化以及敏化處理對富鉻碳化物的析出、鉻濃度分布的影響。本文利用電位階躍法研究了304不銹鋼的晶間腐蝕行為,找到了最佳的實(shí)驗(yàn)條件,并討論了不同處理?xiàng)l件對304不銹鋼晶間腐蝕的影響。論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:
 

　　 1.304不銹鋼晶間腐蝕的實(shí)驗(yàn)與理論研究

　　 將304不銹鋼在900、1000和1100℃固溶處理0、0.25、0.5、1、2和6小時(shí),然后在650℃敏化12小時(shí)。為了研究敏化處理對304不銹鋼晶問腐蝕的影響,首先將試樣在1100℃固溶處理1小時(shí),然后在600、650和700℃敏化0-72小時(shí)。從電化學(xué)動電位再活化法得到的結(jié)果可知,隨著固溶處理溫度的升高和固溶時(shí)間的增加,敏化度不斷降低。對于沒有經(jīng)過固溶處理的試樣來說,其敏化度高達(dá)85.1％,而固溶處理后的試樣其敏化度下降得非常明顯,例如,當(dāng)試樣在1100℃固溶處理的時(shí)間從0延長到6小時(shí),敏化度從85.1％降到了10.4％。在其它的固溶處理溫度下,敏化度隨固溶處理時(shí)間的變化情況也是一樣的,隨著固溶處理時(shí)間的增加而降低,這表明不銹鋼晶間腐蝕的程度是逐漸減弱的。而隨著敏化溫度的升高,敏化度逐漸增加。當(dāng)敏化時(shí)間為24小時(shí),敏化度從21.9％上升到

　　 33.3％,這意味著晶間腐蝕隨著敏化溫度的升高是加重的。出SEM得到的腐蝕形貌圖,非常清楚地顯示了固溶處理溫度、時(shí)間以及敏化溫度對晶間腐蝕的影響,與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的。為了進(jìn)一步研究引起晶間腐蝕的因素,分析了鉻在晶界處的濃度與晶粒大小之間的關(guān)系,其結(jié)果與理論計(jì)算相符合,這說明晶粒尺寸的改變引起了晶間腐蝕的變化。而敏化溫度對晶間腐蝕的影響則主要是由于鉻的擴(kuò)散速率而引起的。溫度越高,鉻原子的擴(kuò)散速率越快,析出的沉淀物也就越多,因此,晶間腐蝕的程度隨著敏化溫度的升高逐漸加重。采用元胞自動機(jī)模擬方法,模擬了晶粒的生長,富鉻碳化物的析出以及鉻的三維濃度分布,形象地反映了晶粒尺寸、敏化溫度等對晶間腐蝕的影響。
 

　　 2.316不銹鋼晶間腐蝕的實(shí)驗(yàn)與理論研究

　　 將316不銹鋼在1000、1050和1100℃固溶處理0、0.25、0.5、1和2小時(shí),然后在700℃敏化48小時(shí)。為了研究敏化處理對316不銹鋼晶間腐蝕的影響,首先將試樣在1100℃固溶處理1小時(shí),然后在600、650和700℃敏化0-96小時(shí)。根據(jù)電化學(xué)動電位再活化法得到的結(jié)果可知,隨著固溶處理溫度、時(shí)間的升高,敏化度不斷降低。當(dāng)試樣沒有經(jīng)過固溶處理時(shí),試樣的敏化度高達(dá)90％,而在1100℃固溶處理后,敏化度急劇下降。當(dāng)固溶處理時(shí)間從0.25小時(shí)增加到2小時(shí),敏化度從35.2％幾乎降到了0％。在1000℃和1050℃,試樣的敏化度隨著固溶處理時(shí)間的變化趨勢與在1100℃時(shí)的變化趨勢基本相同,這說明不銹鋼晶間腐蝕的程度是逐漸減弱的。而隨著敏化溫度的升高,敏化度逐漸增加,這意味著晶間腐蝕隨著敏化溫度的升高而加重。由SEM得到的腐蝕形貌圖,清楚地顯示了固溶處理溫度、時(shí)間以及敏化溫度對晶間腐蝕的影響,與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的。EBSD實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低∑-CSL晶界的比例并沒有隨著固溶處理溫度的升高而增加,這說明了晶間腐蝕隨著固溶處理溫度、時(shí)間的增加而減輕并不是由于低∑-CSL晶界的變化引起的。對于經(jīng)過敏化處理的試樣來說,其低∑-CSL晶界的含量隨著敏化溫度的升高不斷增加,說明晶間腐蝕應(yīng)該隨著敏化溫度的升高而減弱,但這與EPR的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相矛盾的。所以敏化處理對不銹鋼晶間腐蝕的影響也不是低∑-CSL晶界的變化引起的。而從SEM得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,晶粒的大小隨著固溶處理和敏化處理?xiàng)l件的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢,能夠很好地解釋不同實(shí)驗(yàn)條件對晶間腐蝕的影響。因此采用元胞自動機(jī)模擬方法模擬了晶粒的生長、富鉻碳化物的析出以及鉻的三維濃度分布,形象地反映了晶粒尺寸、敏化溫度等對晶間腐蝕的影響。
 

　　 3.元胞自動機(jī)法研究冷加工對不銹鋼晶間腐蝕的影響

　　 采用元胞自動機(jī)法模擬了冷加工304不銹鋼晶間腐蝕的影響,模擬了重結(jié)晶過程以及敏化時(shí)間、變形量對晶間腐蝕的影響,清楚地顯示了各因素對沉淀物的析出、鉻濃度分布的影響。從模擬結(jié)果得到的重結(jié)晶動力學(xué)曲線與根據(jù)經(jīng)典的重結(jié)晶動力學(xué)方程計(jì)算的結(jié)果是一致的,說明了該模擬方法的正確性。從模擬結(jié)果可以看到,變形量越大,重結(jié)晶后的晶粒尺寸越小。這是由于變形量越大,變形儲存能增加。從而導(dǎo)致了成核位置的增多,使得重結(jié)晶后的晶粒尺寸減小。隨著晶粒尺寸的增大,晶間腐蝕的程度是減弱的。對于敏化溫度的影響,則是由于鉻的擴(kuò)散速率受溫度影響而造成的。
 

　　 4.電位階躍法研究304不銹鋼的晶間腐蝕

　　 采用電位階躍法,結(jié)合了恒電位脈沖法與電化學(xué)再活化法的優(yōu)點(diǎn),定量地研究了304不銹鋼的晶間腐蝕,討論了不同實(shí)驗(yàn)條件對晶間腐蝕的影響。通過改變實(shí)驗(yàn)條件,確定了檢測晶間腐蝕的最佳實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)果表明,鈍化電位對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有顯著的影響。而活化電位的影響比較大。在活化電位較低時(shí),電流能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值,并保持基本不變,而當(dāng)活化電位較高時(shí),電流上升得較慢,不能達(dá)到最大值。因此,所有實(shí)驗(yàn)都是在一個(gè)較低的活化電位下進(jìn)行的。SEM結(jié)果表明,電化學(xué)實(shí)驗(yàn)后的試樣發(fā)生了晶間腐蝕,這說明了電位階躍法可以用來檢測不銹鋼的晶間腐蝕。與傳統(tǒng)的電化學(xué)動電位再活化法相比,此方法更加快速,而且對試樣的損傷也比較小。