第9期 关裔心等：高温水环境下温度对316L不锈钢应力腐蚀开裂的影响 。1125。 降低，脆性增加，材料的SCC敏感性增加.如图3所 纯水中，随着温度的升高腐蚀电位降低在含氧量很 示曲线变化趋势表明，在250Q时，材料的最大抗拉 低（≤1X1010mgL1)的情况下温度影响更突出， 强度、延伸率和断面收缩率的值都有所降低。表明试 在氧的质量浓度为1×1010mgL1时，304不锈钢 样塑性降低，脆性最大.试样断裂时间在250℃时 腐蚀电位由191℃时的约一02VsE降到274℃时 最短，也说明316L不锈钢在此温度下最敏感. 的约一0.6VsHE,当氧的质量浓度大于1× 500 -200℃ 1010mgL-时，这种变化趋势减小.不锈钢在 ◆-250℃ 288C纯水中裂纹开裂速率随着腐蚀电位的降低而 4-300℃ 400 *345℃ 降低，但在低电位区域，电位由一0.2Vs匪降到 一06Vs细时，裂纹扩展速率下降并不明显. 300 不锈钢在250Q时所表现出塑性降低脆性增大 150 200 的这一特殊现象，与Jones和Henager1的慢应变 140克 速率实验结果一致.图4为不锈钢裂纹开裂速率和 00 200 300 30130 抗拉强度与温度的关系，图中的其中两条曲线是经 温度 敏化的304不锈钢在高温含氧水中发生SCC的裂 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 应变 纹开裂速率随温度的变化.结果表明，在氧含量较 高(8X106,质量分数)环境下，裂纹扩展速率随着 图3316L不锈钢在不同温度下的应力应变曲线 温度的升高而增加，而在氧含量较低(0.2X106, Fig.3 Stwess strain curves of 316 L stainles steel at dfferent tem- 质量分数)环境下，温度对裂纹扩展速率的影响则出 现一个峰值温度，低于这一温度时裂纹扩展速率随 23温度影响分析 温度的变化与高氧含量相似，但当高于这一温度时 通过上文对试样宏观形貌和微观断口的分析， 裂纹扩展速度随温度的增加明显降低.氧的质量分 得出试样的失效模式为脆性断裂和韧性断裂同时存 数为0.2X106,敏化304不锈钢发生SCC的敏感 在，以韧性断裂为主.随温度的升高，断面呈现准解 温度区间为200~225℃.随溶液中氧含量降低，敏 理面或解理面等脆性断口形貌信息，说明在模拟压 感温度区间缩小，敏感温度降低.本实验材料316L 水堆一回路水环境下，当温度高于200℃时，316L 在氧的质量分数小于0.2×10厂6的高温水中拉伸至 不锈钢具有应力腐蚀开裂敏感性.在250℃时，颈 断裂，发生SCC的敏感温度区间更小，如图4温度一 缩现象最不明显，解理面所占比例也较大，二次裂纹 抗拉强度曲线所示，最大抗拉强度存在一个最小值， 数目较多，证明250℃是316L不锈钢在此环境中的 即在250℃时材料的抗拉强度最小，说明316L不锈 敏感温度 钢在此温度下塑性较差，脆性较大，SCC敏感性大， 不锈钢材料在高温水中其表面易形成钝化膜， 10 300 在持续的拉应力作用下，试样表面的钝化膜不断被 母裂纹开裂速率，氧的质量分数0.2×10· 敏化304不锈钢，SSRT,文献13】 滑移台阶撕裂，露出的新鲜金属使裂尖成为阳极相， +裂纹开裂速率。氧的质量分数8×10·， 350 10 敏化304不锈锅，SSRT,文献13)。 通过金属溶解而向前扩展，促进了微裂纹在边缘处 ◆抗拉强度，脱气， 316L不锈钢， 400 产生0.根据裂纹扩展速率与温度的倒数的负数 10+ SSRT,本文 工作 呈自然指数关系，可知裂纹扩展速率随着温度的升 450 RAN利补 高而增加.温度与环境和合金内微观粒子的扩散速 500 率有关，温度越高，扩散速率越快，裂纹扩展速率也 越快山.不锈钢材料在室温中形成的氧化膜很薄 0 50 100150200 25030035850 且具有很强的保护性，但在高温水中氧化膜变厚（几 温度/℃ 百甚至几千纳米)，保护性也降低.在应力作用下试 样塑性变形致使氧化膜破裂，裸露的新鲜金属择优 图4温度与304、316L不锈钢裂纹开裂速率和抗拉强度的关系 Fig.4 Effects of tem perature on crack gmow th rate and tensile 溶解，随后形成新的保护膜如此往复，导致SCC的 strength of 304 stainless steel and 316 L stainless steel 形核和扩展1四 关于温度变化对不锈钢SCC的影响 Katadal均和Atkinson1的动态应变时效 Andresen1曾指出，温度影响其腐蚀电位.在含氧 (DSA)理论认为发生DSA会促进材料的环境敏感降低 ,脆性增加 ,材料的SCC 敏感性增加.如图 3 所 示曲线变化趋势表明 ,在 250 ℃时 ,材料的最大抗拉 强度 、延伸率和断面收缩率的值都有所降低, 表明试 样塑性降低 , 脆性最大 .试样断裂时间在 250 ℃时 最短 ,也说明 316 L 不锈钢在此温度下最敏感 . 图 3 316 L 不锈钢在不同温度下的应力应变曲线 Fig.3 Stress strain cu rves of 316 L stainless st eel at different tem￾peratures 2.3 温度影响分析 通过上文对试样宏观形貌和微观断口的分析 , 得出试样的失效模式为脆性断裂和韧性断裂同时存 在,以韧性断裂为主 .随温度的升高 ,断面呈现准解 理面或解理面等脆性断口形貌信息 ,说明在模拟压 水堆一回路水环境下 , 当温度高于 200 ℃时, 316 L 不锈钢具有应力腐蚀开裂敏感性 .在 250 ℃时 , 颈 缩现象最不明显 ,解理面所占比例也较大,二次裂纹 数目较多 ,证明 250 ℃是 316 L 不锈钢在此环境中的 敏感温度 . 不锈钢材料在高温水中其表面易形成钝化膜 , 在持续的拉应力作用下, 试样表面的钝化膜不断被 滑移台阶撕裂, 露出的新鲜金属使裂尖成为阳极相 , 通过金属溶解而向前扩展, 促进了微裂纹在边缘处 产生[ 10] .根据裂纹扩展速率与温度的倒数的负数 呈自然指数关系 ,可知裂纹扩展速率随着温度的升 高而增加 .温度与环境和合金内微观粒子的扩散速 率有关,温度越高, 扩散速率越快 ,裂纹扩展速率也 越快[ 11] .不锈钢材料在室温中形成的氧化膜很薄 且具有很强的保护性 ,但在高温水中氧化膜变厚(几 百甚至几千纳米),保护性也降低 .在应力作用下试 样塑性变形致使氧化膜破裂, 裸露的新鲜金属择优 溶解 ,随后形成新的保护膜, 如此往复, 导致 SCC 的 形核和扩展 [ 12] . 关 于 温 度 变 化 对 不 锈 钢 SCC 的 影 响 Andresen [ 12] 曾指出, 温度影响其腐蚀电位, 在含氧 纯水中 ,随着温度的升高腐蚀电位降低,在含氧量很 低(≤1 ×10 -10 mg·L -1)的情况下温度影响更突出, 在氧的质量浓度为 1 ×10 -10 mg·L -1时 , 304 不锈钢 腐蚀电位由 191 ℃时的约 -0.2 VSHE降到 274 ℃时 的约 -0.6 V SHE , 当 氧 的 质 量 浓 度 大 于 1 × 10 -10 mg·L -1时 , 这种变化趋势减小.不锈钢在 288 ℃纯水中裂纹开裂速率随着腐蚀电位的降低而 降低 , 但在低电位区域 , 电位由 -0.2 VSHE 降到 -0.6 V SHE时 ,裂纹扩展速率下降并不明显 . 不锈钢在 250 ℃时所表现出塑性降低脆性增大 的这一特殊现象, 与 Jones 和 Henager [ 13] 的慢应变 速率实验结果一致 .图 4 为不锈钢裂纹开裂速率和 抗拉强度与温度的关系 , 图中的其中两条曲线是经 敏化的 304 不锈钢在高温含氧水中发生 SCC 的裂 纹开裂速率随温度的变化 .结果表明 ,在氧含量较 高(8 ×10 -6 ,质量分数)环境下, 裂纹扩展速率随着 温度的升高而增加, 而在氧含量较低(0.2 ×10 -6 , 质量分数)环境下 ,温度对裂纹扩展速率的影响则出 现一个峰值温度, 低于这一温度时裂纹扩展速率随 温度的变化与高氧含量相似 ,但当高于这一温度时 裂纹扩展速度随温度的增加明显降低.氧的质量分 数为 0.2 ×10 -6 ,敏化 304 不锈钢发生 SCC 的敏感 温度区间为 200 ～ 225 ℃.随溶液中氧含量降低 ,敏 感温度区间缩小, 敏感温度降低.本实验材料 316 L 在氧的质量分数小于 0.2 ×10 -6的高温水中拉伸至 断裂 ,发生 SCC 的敏感温度区间更小 ,如图 4 温度- 抗拉强度曲线所示 ,最大抗拉强度存在一个最小值, 即在250 ℃时材料的抗拉强度最小, 说明 316 L 不锈 钢在此温度下塑性较差 ,脆性较大, SCC 敏感性大 . 图 4 温度与304 、316 L 不锈钢裂纹开裂速率和抗拉强度的关系 Fig.4 Effects of tem peratu re on crack g row th rate and t ensile strength of 304 st ainless steel and 316 L stainless st eel Katada [ 14] 和 Atkinson [ 15] 的 动 态 应 变 时 效 (DSA)理论认为发生 DSA 会促进材料的环境敏感 第 9 期 关 心等:高温水环境下温度对 316 L不锈钢应力腐蚀开裂的影响 · 1125 ·