尹立军;寿比南;刘智勇;赵博;刘翔;杜翠薇;李晓刚
【摘 要】用U型试样浸泡试验、慢应变速率拉伸试验，结合腐蚀形貌和断口形貌的扫描电子显微镜观察，在常温和-196℃下，分别研究了不同预变形量的S30403不锈钢和S31608不锈钢在H2 S介质中的应力腐蚀开裂（ Stress corrosion cracking ，SCC）行为。研究表明：S30403不锈钢和S31608不锈钢在实验溶液中均有较强的SCC敏感性，S30403不锈钢的SCC敏感性高于S31608不锈钢；随着预拉应变量的增大，两种材料的SCC敏感性均呈现增大的趋势。在-196℃下应变强化处理的两种材料在H2 S环境中的SCC敏感性低于其在室温应变强化处理时的SCC敏感性，同时表现出更好的抗拉性能。%At room temperature and -196 ℃,stress corrosion cracking(SCC) behaviors of S30403 stain-less steel and S31608 stainless steel with different predeformations in acid H 2 S solution are investigated by slow strain rate test ( SSRT) and U-bent specimen test .The result shows that both S 30403 stainless steel and S31608 stainless steel are all easy to subject to SCC damage in H 2 S solution,the SCC susceptiv-ities of S30403 stainless steel are higher than these of S 31608 stainless steel;with the increase of prede-formations ,the SCC susceptivities of these two kinds of stainless steel increase ;these two kinds of stainless steel have lower SCC susceptivities and higher strength at -196 ℃.
【期刊名称】《压力容器》
远华案内幕【年(卷),期】2013(000)009
泰囧侵权案【总页数】10页(P1-10)
【关键词】应变强化不锈钢S30403;应变强化不锈钢S31608;硫化氢;应力腐蚀开裂
【作 者】尹立军;寿比南;刘智勇;赵博;刘翔;杜翠薇;李晓刚
【作者单位】中国特种设备检测研究院，北京 100013;中国特种设备检测研究院，北京 100013;北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083;中国特种设备检测研究院，北京 100013;北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083;北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083;北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083
【正文语种】中 文
【中图分类】TH142;TG142.71;TG172.9
0 引言
加权平均法奥氏体不锈钢因其优良的耐腐蚀性能被广泛应用于石油化工设备中，奥氏体不锈钢在硫化氢介质中的应力腐蚀开裂时有发生，但因不易被发现而常引起重大事故［1］。因此，奥氏体不锈钢在硫化氢环境中的应力腐蚀开裂(Stress corrosion cracking，SCC)倍受关注。同时，由于奥氏体不锈钢屈服强度普遍较低、变形能力较好，工业上广泛利用应变强化工艺，在确保奥氏体不锈钢原有力学性能不受大的影响的前提下，使材料发生一部分塑性变形，可以有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度［2－3］，减小设备壁厚。但是，这种方法会增加不锈钢本体内微观缺陷的密度和尺寸，可能导致其在硫化氢环境中SCC敏感性增加。而目前相关报道还比较少，相关研究具有重要的实用价值。
文中针对奥氏体不锈钢的应变强化工艺特点，采用慢应变速率拉伸(SSRT)试验和U型弯浸泡试验，并结合微观形貌观察，研究了湿硫化氢环境下的预变形量和温度对S30403不锈钢
和S31608不锈钢的应力腐蚀开裂行为的影响规律，探索其使用的范围和条件，为国内相关工业设备选材提供参考。
1 试验材料与方法
试验所用S30403及S31608两种不锈钢的主要化学成分如表1所示。其处理工艺为在常温(25℃)和低温(－196℃，液氮保温)两种温度下，通过单向拉伸制备应变量为3%，6%，8%和12%的形变处理后样品，加上原始状态样品，每种钢有9种试验样品。
表1 S30403和S31608两种不锈钢的化学成分 %Si Mn P S Cr Ni Mo S30403 0.0172 0.3931 1.7139 0.0350 0.0017 18.元素C 209 8.0177 0.067 S31608 0.0330 0.5300 1.1600 0.0330 0.0060 16.840 10.020 2.090
试验溶液采用NACE TM0177—2005规定的标准溶液，即5.0%NaCl+0.5%CH3COOH+饱和H2S(质量百分比，Wt%)，pH 值为 2.7，试验温度恒定为25±2℃。
试验用SSRT试样和U型弯试样尺寸均参照GB/T 15970系列标准制定，试验前经水磨砂纸逐级打磨至1200#，丙酮除油并冷风吹干后待用。SSRT试验在WDML－30KN型微机控制
慢应变速率拉伸试验机上进行，应变速率为1.33×10－6/s。U型试样浸泡试验中通过肉眼观测SCC最先出现的时间，并进行记录，然后继续浸泡至720 h。试样的裂纹及断口形貌在FEI公司生产的Quanta 250环境扫描电子显微镜上进行观察，并结合上述试验结果对SCC的机制进行分析。
2 试验结果与讨论
工夫在诗外2.1 慢应变速率拉伸试验
图1，2分别示出S30403及S31608两种不锈钢在标准H2S溶液中的SSRT曲线，表2列出S30403和S31608不锈钢在SSRT试验中的抗拉强度值。可以看出，材料经过两种温度下的应变强化后，随预拉应变量的增大，材料断裂时的应变减小，抗拉强度增大［4－5］。说明材料的脆性随预拉应变量的增大而增强。
为进一步分析材料的应力腐蚀敏感性，采用延伸率Iδ和断面收缩率Iψ作为应力腐蚀敏感性的评价指标，其计算公式如下:
式中 I0——拉伸试样标距部分的原始长度，mm IA——拉伸试样伸长后的标距部分长度，
mm
S0——拉伸试样标距部分的原始截面积，mm2
SA——拉断后断口部位的截面积，mm2
郑州大学
图3示出不同预拉应变量的S30403和S31608不锈钢SCC敏感性指标计算结果。
图1 常温应变强化S30403和S31608不锈钢的SSRT曲线
dmtn图2 低温应变强化S30403和S31608不锈钢的SSRT曲线
表2 S30403和S31608不锈钢SSRT抗拉强度0% 3% 6% 8% 12%S30403 室温材料 应变强化温度 不同预拉应变量下的SSRT抗拉强度/MPa 404 440 487 556 601 404 465 535 592 680 468 482 484 525 564－196℃S31608 室温－196℃ 501 553 588 627 795
从图3可以看出，两种不锈钢的Iδ，Iψ随着预拉应变量的增加近似线性增大。其中，S30403不锈钢其 Iδ，Iψ均超过 70%，当预拉应变量达到12%时，Iδ，Iψ 则超过 80%;S31608 不锈钢的 Iδ，Iψ均超过40%，当预拉应变量达到12%时，Iδ达到80%左右，I
ψ接近70%。上述结果表明，S30403和S31608不锈钢在试验溶液中有着较高的SCC敏感性［6－7］，随着预拉应变量的增大，SCC 敏感性呈上升趋势，更容易发生SCC开裂，而S30403不锈钢的SCC敏感性相较S31608不锈钢更高。
图3 应变强化S30403和S31608不锈钢SCC敏感性指标
从图3中还可以看出，应变强化温度对材料的SCC敏感性也有一定的影响，在相同预拉应变量下，－196℃应变强化的延伸率损失均低于25℃时应变强化的延伸率损失。应变强化温度对两种材料脆性的影响呈现一致的规律:应变强化温度降低，SCC敏感性降低同时抗拉性能也更好。
图4，5分别示出了两种材料在不同温度下SSRT中的断口微观形貌。可以看出，常温下S30403不锈钢呈现明显的脆性断裂特征;在－196℃低温强化时，试样的断口基本呈层状形貌，以穿晶断口为主。S31608不锈钢断口表面较为平整，但是断口边缘附近均发生了较为明显的颈缩现象，但发生断裂时仍具有一定的韧性特征;在－196℃时，断口均以穿晶断口为主，与常温应变强化试样断口差别不明显。SSRT断口微观形貌表明，S30403不锈钢具有很高的应力腐蚀敏感性，S31608不锈钢具有一定的SCC敏感性。
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