不銹鋼的晶間腐蝕

與許多其他形式的不銹鋼腐蝕不同，不銹鋼的晶間腐蝕發生在微觀層面，影響金屬的結構。損壞的跡象并不總是出現在金屬表面。晶間腐蝕的發生需要一定的條件，在某些情況下由其造成的損害是可以避免的。

讓我們仔細看看什么是晶間腐蝕、它發生的時間和方式，以及預防晶間腐蝕和最 大程度地減少其造成的損害的最 佳方法。

什么是不銹鋼的晶間腐蝕？

與許多其他金屬和合金一樣，不銹鋼具有晶體結構。這意味著金屬本身是由不同尺寸的晶粒組成的。這些顆粒相遇的地方稱為顆粒極限。

不銹鋼的晶間腐蝕（也稱為焊縫崩解）會破壞這些限制，從而在分子水平上對金屬造成損壞。可能會發生裂紋和晶粒損失，從而降低結構完整性、承壓能力并進一步促進額外腐蝕。

與應力腐蝕開裂類似，它發生時幾乎沒有或沒有明顯的腐蝕跡象。

因此，忽視晶間腐蝕的風險可能會導致管道、單個零件、結構和不銹鋼部件的災難性故障或部分故障。

不銹鋼晶間腐蝕的原因是什么？

當某些不銹鋼牌號和合金達到 425°C 至 870°C 的溫度時，就會發生不銹鋼的晶間腐蝕。這種溫度在焊接、熱處理或高溫環境下操作/工作期間最常見。

當不銹鋼金屬承受如此極端的溫度時，它會在結構層面上發生變化。合金中存在的鉻與碳反應，在晶界附近形成碳化鉻。這種碳化物的形成本質上將邊界轉變為陽極單元。然后內部晶粒充當陰極電池，晶間腐蝕過程開始。

預防和修復晶間腐蝕造成的損壞

如何防止晶間腐蝕的發生？

正確的材料選擇是降低風險并確保不銹鋼結構和部件的長期安全性和性能的重要因素。在尋找具有優異抗晶間腐蝕能力的不銹鋼牌號時，請特別注意低碳合金，它們通常用字母 L 表示（AISI 316L、AISI 317L 等）。

選擇低碳不銹鋼合金時，碳含量低于 0.03% 的選項可確保沒有足夠的碳形成碳化物。

如果低碳不銹鋼合金不適合您的預期用途，添加鈦或鈮的合金可提供出色的抗晶間腐蝕能力。然而，添加鈦或鈮的合金很容易受到特殊形式的晶間腐蝕，即所謂的刀腐蝕。

什么是不銹鋼刀具腐蝕？

刀腐蝕是不銹鋼金屬/合金（通常是穩定不銹鋼）在加熱到敏化溫度后沿著焊縫的相鄰線或接觸線發生晶間腐蝕的一種形式。當碳與鈦或鈮而不是鉻發生反應時，就會發生刀具腐蝕。

腐蝕作用僅限于與熔線相鄰的非常窄的線內。從外觀上看，這種損壞顯得十分鋒利（因此得名“刀線”腐蝕、“刀腐蝕”）。如果沿著焊縫已經形成線條，您可以直觀地識別刀具腐蝕的外觀。

刀具為何會發生腐蝕？

對于穩定化的不銹鋼和合金，碳與穩定劑（鈦或鈮）結合，在熱影響區焊接時不會發生焊縫分解。然而，隨著進一步的熱處理或焊接，碳化鉻可能會釋放出來，在熔線附近留下一條對晶間腐蝕敏感的窄帶。

可以防止晶間腐蝕的發生，包括刀腐蝕。熱處理通常可以解決問題并使金屬結構恢復到幾乎其原始狀態。在某些情況下，固溶退火（也稱為淬火退火或固溶淬火）是消除奧氏體不銹鋼晶間腐蝕損傷的有效手段。該過程涉及將金屬加熱至 1060 °C 至 1120 °C 之間的溫度。加熱后，不銹鋼金屬用水進行退火，快速冷卻并確認晶粒和結構。

不幸的是，熱處理方法對于加工大型結構或零件并不理想。此外，它不能保護管道或其他部件在維修過程中重新焊接時免受損壞。

ASTM 等國際標準提供了長期制定的標準，有助于確定每種合金、不銹鋼等級或部件對晶間腐蝕的敏感性。

奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕

對于奧氏體不銹鋼，晶間損傷通常是由于碳化鉻 (Cr23C6) 在晶界處的沉淀造成的，這會在晶界處形成狹窄的貧鉻區。這種情況稱為敏化。敏化涉及碳化鉻在晶界處的沉淀，導致晶界處出現狹窄的貧鉻區。

由于鉻是使不銹鋼耐腐蝕的主要合金元素，因此鉻含量低的區域容易受到腐蝕的影響。發生這種情況被認為是因為緊鄰碳化物的鉻含量可能低于不銹鋼合金所需的鉻含量。如果碳化物在晶界處形成連續的網絡，則腐蝕會導致晶界處分層或破裂，并可能導致晶粒掉落或損失。

奧氏體不銹鋼的碳化鉻沉積

在 510 °C 至 790 °C 的溫度范圍內，碳化鉻傾向于在奧氏體不銹鋼晶粒內析出。在金屬生產、制造或維修過程中，任何暴露或溫度轉變到該溫度范圍都可能增加不銹鋼的敏感性。

焊接、應力消除和熱成型等傳統技術可使奧氏體不銹鋼暴露在敏化溫度范圍內。通過固溶退火熱處理很容易逆轉碳化鉻的形成。ASTM A262中概述的測試方法旨在確定奧氏體不銹鋼對晶間斷裂的敏感性。

產生晶間斷裂敏感性所需的時間和溫度取決于合金的成分，尤其是其碳含量。

對于奧氏體不銹鋼，采用了三種方法來最 大限度地減少晶間腐蝕的影響。可以通過加熱至碳化物溶解并且貧鉻區域被去除的溫度來對敏化材料進行固溶退火。然后通過在敏化溫度范圍內快速冷卻將碳保持在溶液中。建議的固溶退火溫度取決于合金，通常在 1040 °C 至 1180 °C 范圍內，然后快速冷卻。

通過將碳含量降低到0.030%以下也可以實現耐晶間腐蝕。AISI 304L、316L 和 317L 等低碳牌號已開發用于在典型焊接工藝中抵抗敏化，但在關鍵工作溫度范圍內長時間暴露時它們不能抵抗敏化。高合金和更耐腐蝕的不銹鋼（例如 AISI 904L 合金）的碳含量非常低，并且對晶間腐蝕的敏感性通常不是問題。

添加 Ti、Nb (Cb) 和 Ta 等穩定元素還可以提高抗敏化能力，尤其是在關鍵工作范圍內長期暴露時。在 1230 °C 至 790 °C 的溫度范圍內，這些穩定元素傾向于形成比碳化鉻更穩定的碳化物。因此，當合金從高溫冷卻時，碳與穩定元素結合，并且在 510 °C 至 790 °C 的較低敏化溫度范圍內無法析出碳化鉻。常見的穩定奧氏體鋼種包括 AISI 321、347 和 316Ti。

對于穩定等級的不銹鋼，標準固溶退火程序通常不會結合所有可用的碳。因此，當固溶退火穩定牌號長時間暴露于敏化溫度范圍（790°C 至 510°C）時，可能會發生碳化鉻沉淀和敏化。穩定化熱處理可用于通過完成沉淀反應來更有效地固碳。這些處理包括將合金在 820 °C 至 870 °C 的溫度下保持幾個小時。

鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕

盡管鐵素體不銹鋼的晶間斷裂與奧氏體不銹鋼相似，但兩者之間存在一些重要的區別。由于氮在鐵素體晶體結構中的溶解度較低，導致鐵素體牌號敏化的析出物包括碳化鉻（Cr23C6）和氮化鉻（Cr2N）。

對于鐵素體不銹鋼，從較高溫度 (930 °C) 冷卻時會發生敏化。在如此高的溫度下，碳化物和氮化物會進入固溶體，在冷卻過程中它們會沉積在晶界處，導致鉻貧化。鐵素體結構中非常高的擴散速率不允許鋼足夠快地冷卻以避免晶粒內碳化物和氮化物的沉淀。因此，大多數商業級鐵氧體通過限制 C 和 N 的含量并需要添加穩定元素（例如 Ti、Ta 或 Nb）來避免敏化。

如果鐵素體不銹鋼發生敏化，可以通過鉻向后擴散到貧化區域來治愈這種情況。將材料在 590 °C - 650 °C 的溫度下保持幾個小時即可實現“愈合”。ASTM A763中概述的測試方法旨在確定鐵素體不銹鋼的晶間斷裂敏感性。

馬氏體不銹鋼的晶間腐蝕

大多數致力于晶間腐蝕的出版物都涉及奧氏體鋼。現代技術文獻中幾乎沒有或很少有關于馬氏體不銹鋼晶間腐蝕的研究。

晶間腐蝕是這些材料的一個潛在問題，因為馬氏體不銹鋼幾乎總是在碳化物沉淀的回火狀態下使用。ASTM A2621（奧氏體鋼）和 ASTM A7632（鐵素體鋼）中描述了測試不銹鋼晶間斷裂敏感性的一般方法。

雙相不銹鋼的晶間腐蝕

雙相不銹鋼作為傳統奧氏體不銹鋼的替代品變得越來越普遍，特別是對于需要在侵蝕性氯化物/硫化物環境中具有高腐蝕/應力腐蝕開裂性的酸性應用。

盡管這些鋼具有許多優異的特性，但焊接這些鋼仍存在局限性，特別是在控制焊縫結構和性能以及了解焊縫冶金如何影響晶間腐蝕敏感性方面。

主要發現

  1、不銹鋼的晶間腐蝕（也稱為不銹鋼焊縫崩解）會在結構層面影響不銹鋼，并且在腐蝕顯著進展之前可能不會顯示出明顯的損壞跡象。

  2、焊接、不當熱處理以及暴露在 425°C 至 870°C 的溫度下是引發晶間腐蝕過程所必需的。

  3、選擇低碳含量的不銹鋼合金和牌號或添加鈦或鈮的合金可以顯著提高耐晶間腐蝕能力。

  4、選擇低碳合金/牌號時，建議選擇碳含量為 0.03% 或更低的合金。

  5、盡管固溶退火和熱處理可以提供消除或減輕晶間腐蝕損傷的選擇，但它們通常不能防止未來的損傷。根據腐蝕過程的嚴重程度，它們在逆轉腐蝕方面的成功可能有限。