应变强化对S31603不锈钢母材与焊接接头应力腐蚀敏感性的影响

2柴军辉2周晓彤

(1. 宁波市劳动安全技术服务公司，宁波 315048； 2. 宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048)

应变强化技术是指金属在常温或者低温下发生塑性变形后，随着塑性变形量增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象[1]。应变强化充分利用奥氏体不锈钢的塑性变形，显著提高其屈服强度，进而提高材料的许用应力，实现压力容器轻型化的目标[2-3]。这种强化技术特别适合用于以薄膜应力为主、结构简单的压力容器。中、德、美、英、澳等国已成功地将应变强化技术用于低温压力容器的制造中[4]。国内外学者对经应变强化后材料的性能与抗应力腐蚀性能进行了较多的研究。彭德全等[5]研究了应变强化速率对304L焊接件应力腐蚀开裂行为的影响。陈勇等[6]研究了应变强化对S30408不锈钢性能组织的影响，结果显示经10%形变后S30408钢的显微组织为相间分布的α′马氏体与γ奥氏体。杜东海等[7]采用恒应力强度因子的加载方法，研究了冷变形316L不锈钢在高温高压水中的应力腐蚀行为，结果显示温度对裂纹扩展速率的影响是热活化的过程，它通过改变应力腐蚀开裂子过程的进行速率来影响材料的裂纹扩展速率。应变强化会对材料的宏观结构、微观组织[8]、焊接残余应力[9]等众多方面造成影响，进而影响材料的抗应力腐蚀性能[10-11]。

本工作针对奥氏体不锈钢应变强化工艺特点，采用室温单轴拉伸对试样进行应变强化，通过磁性马氏体检测、金相分析、硬度测试研究了应变强化对材料组织性能的影响，通过慢应变速率试验研究了应变强化对材料应力腐蚀性能的影响。

1 试验

1.1 试样制备

试验钢为奥氏体不锈钢S31603(以下称S31603不锈钢)，交货状态为固溶酸洗，采用ER316L焊条对S31603不锈钢板进行焊接，焊接方法为手工电弧焊，焊接坡口为单“V”型坡口(采用机加工方法加工)，如图1所示，焊后磨平焊缝。S31603不锈钢与ER316L焊条的化学成分如表1所示。

图1 焊接坡口型式 Fig. 1 Welding groove type

%

根据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法》，沿平行于母材轧制方向线切割制取S31603不锈钢母材拉伸试样。根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》与GB/T 15970.8-2005《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第8部分 焊接试样的制备和应用》的要求沿垂直于焊缝方向制取S31603不锈钢焊接接头试样，试样正中间为焊缝，远离焊缝处为母材。拉伸试样的具体尺寸如图2所示。

(a) 母材

(b) 焊接接头图2 S31603不锈钢母材和焊接接头拉伸试样的尺寸Fig. 2 Dimension of tensile samples of S31603 stainless steel: (a) base metal; (b) welded joint

1.2 应变强化处理

采用室温单轴拉伸试验对S31603不锈钢母材与焊接接头进行应变强化。单轴拉伸试验在Instron疲劳试验机上进行，拉伸速率为2 mm/min，应变量分别为0、5%、10%、15%、20%、30%。拉伸过程中应变量的控制采用引伸计来实时测量。

1.3 性能测试

1.3.1 金相检验

参考GB/T 13298-2015《金相显微组织检验方法》，采用电火花线切割方法从应变强化后试样的中部取样，取样方向均为平行于轧制方向的纵截面。其中，焊接接头金相试样包含焊缝与热影响区。依次采用400、600、800、1 000号金相砂纸打磨金相试样，机械细抛光后将试样放入10%(质量分数)草酸溶液中电解浸蚀60 s，浸蚀溶液温度为20 ℃。然后，采用金相显微镜观察各试样的组织。

1.3.2 磁性检测

依据GB/T 1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》，用德国产MP30E-S型铁素体检测仪对应变强化后母材和焊接接头进行磁性检测。对于不同应变强化量下的母材试样，在试样原始标距内沿试样长度方向平均取8点测试点；对于不同应变强化量下的焊接接头试样，研究对象为焊缝，共选取6测试点，每点间隔5 mm。

1.3.3 硬度测试

参考GB/T 4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》和GB/T 27552-2011《金属材料焊缝破坏性试验 焊接接头显微硬度试验》对应变强化后母材和焊接接头进行硬度测试。试验仪器为HMV-I7型维氏显微硬度计，维氏显微硬度试验载荷为1.98 N，保载时间为30 s，试验温度为25 ℃，每一显微区域测3个点。

1.3.4 应力腐蚀敏感性测试

通过在5%氯化钠溶液中进行慢应变速率试验(SSRT)，研究了在不同应变量下，S31603不锈钢母材和焊接接头应力腐蚀敏感性的变化规律。依照GB/T 15970.4-2000《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第4部分：单轴加载拉伸试样的制备和应用》和GB/T 15970.8-2005，在拉伸试样中部沿长度方向采用电火花切割加工SSRT试样，每组平行试样3根，取样位置见图3，试样尺寸见图4。

图3 慢应变速率试样取样位置Fig. 3 The sampling position of slow strain rate testing sample

SSRT的拉伸速率为3.5×10-5mm/s，试验温度为室温，腐蚀溶液为5%氯化钠溶液，pH为6.8±0.4，由分析纯氯化钠与蒸馏水配制而成。拉伸断裂后，采用扫描电镜对断口形貌进行观察。

(a) 母材

(b) 焊接接头图4 慢应变速率母材和焊接接头试样的尺寸Fig. 4 Dimension of slow train rate test samples: (a) base metal; (b) welded joint

2 结果与讨论

2.1 显微组织

不同应变量下S31603不锈钢母材的显微组织见图5。结果表明：未强化S31603不锈钢母材的显微组织是等轴的奥氏体晶粒，晶粒大小均匀，且有少量孪晶存在；随着应变量的增加，显微组织变化沿变形方向不明显，但是孪晶的数量有明显增加，奥氏体晶界内没有明显可见的形变马氏体，仅在应变量为30%下，组织中出现了少量沿变形方向的形变马氏体，这是由于S31603不锈钢具有较高的层错能与镍当量，在常温下，应变量增加对马氏体相变影响较小。

(a) 0% (b) 5%(c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 30%图5 不同应变量下S31603不锈钢母材的显微组织Fig. 5 Microstructure of base metal of S31603 stainless steel under different strain degrees

不同应变量下S31603不锈钢焊接接头的显微组织见图6。结果表明：S31603不锈钢焊接接头结晶模式是F-A(铁素体-奥氏体结晶)[9]，焊缝处组织都为柱状奥氏体和板条状或蠕虫状δ铁素体双相组织；随着应变量增加，焊缝处组织变化不明显。熔合线附近的组织是等轴奥氏体，但是晶粒尺寸要比远离熔合线的晶粒尺寸大得多，说明在整个焊接过程中，δ铁素体的扩散融合作用较弱，对晶粒长大的阻碍作用很小，所以熔合线附近的母材晶粒明显长大，形成了显著的热影响区，且随着应变量增加，组织变化不明显，都为粗大的奥氏体晶粒，热影响区的晶粒尺寸达到200～300 μm，母材部分的晶粒尺寸一般为100 μm左右。

(a) 0% (b) 5% (c) 10%

(d) 15% (e) 20% (f) 30%图6 不同应变量下S31603不锈钢焊接接头的显微组织Fig. 6 Microstructure of welded joint of S31603 stainless steel under different strain degrees

2.2 磁性

图7为应变量对S31603不锈钢母材、焊接接头中磁性相含量的影响。对于母材来说，磁性相为形变马氏体，对于焊接接头来说，磁性相为δ铁素体。结果表明：S31603不锈钢母材在室温应变强化过程中产生了极少量的马氏体相转变，随着应变量增加，形变马氏体含量仅有微小的增加，即使达到最大应变量30%，其体积分数也仅为0.68%，这与S31603不锈钢层错能及镍当量有密切关系[12]。

图7 应变量对S31603不锈钢母材、焊接接头中磁性相含量的影响Fig. 7 Effect of strain degree on magnetic phase content in base metal and welded joint of S31603 stainless steel

层错能的计算公式为

γ=-53+6.2wNi+0.7wCr+3.2wMn+9.3wMo

(1)

式中：γ为室温奥氏体不锈钢层错能，mJ/m2；wNi，wCr，wMn，wMo分别为Ni，Cr，Mn，Mo的质量分数，%。

镍当量是表示不锈钢中金属组织中奥氏体化程度的指标，镍当量越高，材料稳定性越高， 其计算公式为

wNi(eq)=wNi+0.65wCr+0.98wMo+1.05wMn+

0.35wSi+12.6wC+0.03(T-300)-

{2.31 g[100/(100-R)]+2.9}

(2)

式中：wNi(eq)为镍当量，%；T为热力学温度，K；R为应变量，%；wSi和wC分别为Si，C的质量分数，%。

经计算，S31603不锈钢的层错能为44.36 mJ/m2，镍当量为23.21%。当镍当量在20.5%～25.5%时，室温下塑性变形能诱发马氏体相变，镍当量越低，马氏体相变量越高；镍当量在25.5%～26%时，室温下塑性变形不能诱发马氏体相变。S31603不锈钢具有较高的层错能与镍当量，因此在常温下稳定性较高，不易发生形变马氏体转变。

对于S31603不锈钢焊接接头，随着应变量的增加，δ铁素体含量无明显变化，只出现了小幅震荡，这是由于焊缝在凝结过程中化学成分偏析，导致δ铁素体分布不均匀造成的。

2.3 硬度

应变量与S31603不锈钢不同区域显微硬度的关系见图8。结果表明：随着应变量的增大，S31603不锈钢焊接接头母材、焊缝与热影响区的显微硬度都有明显的增大。这是由于随着应变量的增加，位错强化与第二相粒子不断析出造成的。对于S31603不锈钢来讲，位错强化占主导地位，位错强化的机制可由流变应力表示。流变应力是指金属晶体产生一定量的塑性变形需要的应力[13]，金属的位错密度增加，其流变应力也随之增加，表现为金属强度与硬度的提高。

图8 应变量与S31603不锈钢焊接接头不同区域显微硬度的关系Fig. 8 Relationship between strain degree and micro hardness of different zones in welded joint of S31603 stainless steel

S31603不锈钢焊接接头焊缝与热影响区的显微硬度增幅趋势大致相同。由于S31603不锈钢的高层错能与镍当量导致热影响区随应变量增加只产生微量的形变马氏体，焊缝处由于含有部分δ铁素体，因此硬度最低，所以热影响区显微硬度高于母材与焊缝的。

2.4 应力腐蚀敏感性

选取应力腐蚀敏感性指数F作为评价应力腐蚀敏感性的指标，其定义如式(3)所示。F的值越大，材料的应力腐蚀敏感性就越大。

(3)

式中：A和A0分别为试样在腐蚀介质、惰性介质中拉伸断裂前吸收的能量。

在工程上，评定材料应力腐蚀敏感性的一般标准为：当F≤25%，材料没有明显应力腐蚀倾向；当25%≤F≤35%，材料有一定的应力腐蚀倾向，但不敏感；当F≥35%，材料有明显的应力腐蚀倾向[14]。

从图9与表2中可以看出：未强化(应变量0%)的S31603不锈钢母材在氯化钠溶液中的F仅为4.9%，表现出很好的耐应力腐蚀性能；当应变量小于5%时，S31603不锈钢母材的F随应变量增加而降低，当应变量大于5%时，S31603不锈钢母材的F随应变量增加而增加，但增幅较小，即使应变量达到30%，F仅为19.5%，没有明显的应力腐蚀倾向。F值的变化主要与材料强化、位错及缺陷有关。当应变量小于5%时，材料的强化效应占主导地位[13]，应力腐蚀敏感性会出现小幅下降；当应变量大于5%时，由于位错与缺陷的增加，应力腐蚀敏感性会小幅上升，但始终处于较低水平。另外，当应变量达到30%时，已有小部分形变马氏体产生，这些马氏体与奥氏体在氯化物水溶液中会形成腐蚀电耦[15]，且由于马氏体的腐蚀电位比奥氏体的低，马氏体被优先腐蚀溶解，从而形成应力腐蚀裂纹扩展的活性通道[16]，导致应力腐蚀敏感性小幅上升。

图9 S31603不锈钢母材慢应变速率拉伸试验的应力-应变曲线Fig. 9 Stress-strain curves of S31603 stainless steel base metal in slow strain rate tensile testing

应变量/%试验介质F/%0室温空气-05%氯化钠4.955%氯化钠1.7105%氯化钠10.9155%氯化钠16.1205%氯化钠18.3305%氯化钠19.5

从图10与表3中可以看出，未强化的S31603不锈钢焊接接头的F仅为6.2%，表现出良好的耐应力腐蚀性能；当应变量小于5%时，F随应变量增加而降低，当应变量大于5%时，F随应变量增加而增加，即使达到最大应变量30%，F仅为18.3%，没有明显的应力腐蚀倾向，因此应变强化对S31603不锈钢焊接接头应力腐蚀性能影响较小。

2.5 断口形貌

通过分析断口的宏观和微观形貌可以诊断出失效模式和失效机理[17]。

从图11可以看出，S31603不锈钢母材断口的宏观形貌均有明显缩颈现象，呈现出塑性变形特征。

图10 S31603不锈钢焊接接头的慢应变速率拉伸试验的应力-应变曲线Fig. 10 Stress-strain curves of S31603 stainless steel welded joint in slow strain rate tensile testing

应变量/%试验介质F/%断裂部位0室温空气-焊缝05%氯化钠6.2焊缝55%氯化钠1.4焊缝105%氯化钠10.8焊缝155%氯化钠14.0焊缝205%氯化钠15.6焊缝305%氯化钠18.3焊缝

(a) 应变量0%,空气 (b) 应变量0%，氯化钠溶液(c) 应变量5%，氯化钠溶液

(d) 应变量10%，氯化钠溶液(e) 应变量20%，氯化钠溶液(f) 应变量30%，氯化钠溶液图11 S31603不锈钢母材断口的宏观形貌Fig. 11 Macro morphology of fracture of S31603 stainless steel base metal under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

从图12可以看出，S31603不锈钢母材断口的微观形貌显示为典型的韧窝形貌，它是金属材料在微观范围内塑性变形产生的显微孔洞，经过形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂在断口处留下的痕迹形貌，无应力腐蚀脆性断裂形貌。以上结果表明，经应变强化的S31603不锈钢母材在5%氯化钠溶液属于韧性断裂，因此没有明显的应力腐蚀倾向，应力腐蚀敏感性指数较低。

(a) 应变量0%,空气 (b) 应变量0%，氯化钠溶液(c) 应变量5%，氯化钠溶液

(d) 应变量10%，氯化钠溶液 (e) 应变量20%，氯化钠溶液(f) 应变量30%，氯化钠溶液图12 S31603不锈钢母材断口的微观形貌Fig. 12 Micro morphology of fracture of S31603 stainless steel base metal under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

从图13可以看出， S31603不锈钢焊接接头断口的宏观形貌均有缩颈现象，但缩颈程度没有母材的严重，说明焊接接头在断裂前发生的塑性变形量小于母材，呈现出塑性变形特征。从图14可以看出， S31603不锈钢焊接接头断口微观形貌均为典型的韧窝形貌，由于断裂位置均出现在焊缝处，与母材相比，焊接接头断裂韧窝相对细小和致密，可确定断裂模式为单一的韧性断裂，没有应力腐蚀脆断的迹象。以上结果表明，应变强化后的S31603不锈钢焊接接头在5%氯化钠溶液没有应力腐蚀倾向性，应力腐蚀敏感性指数较低。

2.6 讨论

S31603不锈钢母材的应力腐蚀敏感性较低，主要原因为：S31603不锈钢产生的形变马氏体极其微量，不会造成大量马氏体优先溶解，阻止了应力腐蚀裂纹的形核与裂纹扩展的活性通道[18]；当不锈钢中的铬质量分数一定时，含碳量越高，形成的碳化铬也越多，使不锈钢固溶体中的含铬量减少，导致不锈钢的耐腐蚀性能下降[19]，S31603不锈钢属于超低碳不锈钢，其含碳量小于0.03%(质量分数)，碳化铬的形成相对较少；S31603不锈钢中铬质量分数为16.78% ，当铬质量分数达到16%以上时，铬能形成致密的氧化铬保护膜，可以大幅提升抗应力腐蚀能力[19]；根据膜破裂理论[21]，镍含量越高，不锈钢抗应力腐蚀性能越好，S31603不锈钢中镍质量分数为10.11%，达到较高水平；S31603不锈钢中含有2%左右的钼，钼与卤素离子有极强的亲和性，能够固定卤素离子并阻止其扩散，不锈钢表面氧化膜由于钼的加入，原始点阵排列由固溶点阵变为大畸变点阵，能大幅阻挡卤素离子地侵入[21]；S31603不锈钢中的碳质量分数仅为0.015%，含碳量越低，材料的耐腐蚀性越好，因此提高了S31603不锈钢的抗应力腐蚀性能。

S31603不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性也处于较低的水平，从应力腐蚀敏感性指数可以看出，焊缝的应力腐蚀敏感性低于母材的，其原因除了焊缝具有上述母材所具备的因素外，还包括：有连续网状分布的δ铁素体阻断裂纹扩展的连续通道[22]；δ铁素体具有良好的抗氯离子应力腐蚀的能力，氯化物应力腐蚀敏感性比奥氏体低[23]；焊缝中铬、镍、钼的质量分数分别为18.57%、11.50%、2.18%，均高于母材的，因此抗应力腐蚀能力好于母材的。

(a) 应变量0%,空气 (b) 应变量0%，氯化钠溶液(c) 应变量5%，氯化钠溶液

(d) 应变量10%，氯化钠溶液 (e) 应变量20%，氯化钠溶液(f) 应变量30%，氯化钠溶液图13 S31603不锈钢焊接接头断口的宏观形貌Fig. 13 Macro morphology of fracture of S31603 stainless steel welded joints under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

(a) 应变量0%,空气 (b) 应变量0%，氯化钠溶液(c) 应变量5%，氯化钠溶液

(d) 应变量10%，氯化钠溶液 (e) 应变量20%，氯化钠溶液(f) 应变量30%，氯化钠溶液图14 S31603不锈钢焊接接头断口的微观形貌Fig. 14 Micro morphology of fracture of S31603 stainless steel welded joints under different strain degrees in air (a) and NaCl solution (b-f)

3 结论

(1) S31603不锈钢母材经应变强化后产生了极其微量的形变马氏体，焊接接头则没有显著的变化，仍然为柱状奥氏体+δ铁素体的双相组织，随着应变量的增加，S31603母材、热影响区和焊缝的显微硬度均有明显增加，且增幅大小为热影响区>母材>焊缝。

(2) 应变强化对S31603不锈钢的应力腐蚀敏感性有较小的影响，应力腐蚀腐蚀敏感性指数均小于25%，断口形貌均为典型的韧性断裂，无明显的应力腐蚀倾向。在应变量为5%左右时，应变强化可以小幅提高材料的抗应力腐蚀性能。