奥氏体不锈钢还应注意：冷加工硬化、高温时效脆化
参考文献：王志文, 张而耕. 奥氏体不锈钢使用中值得注意的几个问题[J]. 化工机械, 2002, 29(6).
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题、应力腐蚀开裂问题，大家都比较熟悉。可参考我们之前的文章《应力腐蚀及晶间腐蚀》。
应力腐蚀和晶间腐蚀是设计中经常需要考虑的腐蚀，大致总结如下。
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应 力 腐 蚀（SCC） |
晶 间 腐 蚀 |
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起 因 |
拉应力（工作应力+残余应力）和特定腐蚀环境（材质、介质）共同作用下引起的破裂 |
微电池作用引起的腐蚀破坏，对于奥氏体不锈钢的晶间腐蚀可以用贫铬理论来解释 |
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腐蚀工况 |
一般认为，纯金属不会发生SCC，含杂质的金属或合金才会发生SCC。 典型的有：黄铜-氨溶液、奥氏体SS-Cl－溶液、碳钢-OH－溶液、低合金高强度钢-潮湿大气（甚至蒸馏水），详细的见表2-1。 |
许多种合金都可能出现晶间腐蚀，但对于不锈钢的晶间腐蚀研究最多[3]。 奥氏体不锈钢经焊接或不正确的热处理后容易出现晶间腐蚀。 HG/T20581-2011第6.1.2条给出了可能出现奥氏体不锈钢晶间腐蚀的介质。 |
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控制措施 |
1、降低设计应力； 2、减少局部应力集中； 3、热处理（退火）消除残余应力或改善合金组织：如碳钢500~600℃，0.5~1h处理，奥氏体SS加热到900℃以上，高强度铝合金可以通过时效处理，改善组织； 4、合理选材：对于海水，普通碳钢优于不锈钢，高Ni奥氏体不锈钢，或含1~2%Ti的低碳钢 |
1、固溶处理，加热到1050~1150℃，使碳化铬重新溶入奥氏体，再水冷； 2、（含有稳定化元素的SS）稳定化退火，加热到850~900℃保温2~5h后空冷，这个温度区间元素在金属中的扩散相当迅速，晶粒各处铬量均匀； 3、超低碳法，控制焊缝中的C含量，或采用超低碳不锈钢； 4、合金化法，加入钛，铌，钽等比铬更亲碳的元素，避免晶间贫铬，同时能起到细化晶粒的作用； 5、在焊缝中加入钛、铝、硅等铁素体元素，使焊缝呈奥氏体-铁素体双相组织，提高抗晶间腐蚀能力。因为铬在铁素体内的深度大，可补充奥氏中的贫铬区。 |
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其他要点 |
1、发生机理还没有定论； 2、60℃以下几乎不发生SCC； 3、对于奥氏体不锈钢，还有以下几项控制措施：降低C、N、P含量，添加MO、Ni、Cr元素，采用高合金钢铁素体SS，采用双相钢，添加外加电流的阴极保护法，减弱介质的浸蚀性。 以上引自文献[2] |
1、奥氏体不锈钢在其敏化区间（450~850℃，其中700~750℃最危险）内长时间加热（如焊接），晶间生成铬碳化合物，形成晶间贫铬区，贫铬区相对碳化物和固溶体形成微电池，发生晶间腐蚀； 2、晶间腐蚀试验，在特定介质条件下检验金属材料晶间腐蚀敏感性的加速金属腐蚀试验方法，目的是了解材料的化学成分、热处理和加工工艺是否合理。 3、敏化处理，奥氏体不锈钢在500~850度加热，造成晶间贫铬，衡量奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向，是一种检测手段。 |
HG/T20581-2011第6.1.2条
[1]闰康平,王贵欣,罗春晖.过程装备腐蚀与防护（第3版）.北京:化学工业出版社,2015
[2]微信公众号“阿斯米”《不锈钢腐蚀的原理、影响因素及控制》
[3]ASM Handbook Volume13 Corrosion
不锈钢的晶间腐蚀倾向试验是设计文件中常见的内容，HG/T 20581等标准中的相关内容也比较明确。而水压试验或操作介质中的氯离子含量，也是奥氏体不锈钢设备设计时关注的基本内容。除氯离子外，像湿硫化氢、连多硫酸及其他一些可能产生硫化物环境，也能够引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂。
值得一提的是，虽然HG/T 20581湿硫化氢腐蚀的章节中未提及奥氏体不锈钢，但参考文献指出，虽奥氏体不锈钢比铁素体钢对原子氢的溶解能力大得多, 但仍旧会发生氢致型的湿硫化氢应力腐蚀开裂, 尤其是冷加工硬化出现形变马氏体组织转变后更容易发生这种开裂。
冷加工硬化增加应力腐蚀开裂敏感性
奥氏体不锈钢具有优良的冷加工性能，但其加工硬化非常明显，冷加工变形程度越大, 硬度升得越高。加工硬化引起的硬度升高也是不锈钢发生应力腐蚀开裂的重要原因，尤其是那些母材而非焊缝开裂的情况。
有以下一些案例：
第1类案例是奥氏体不锈钢冷旋压加工椭圆或碟形封头之后, 其过渡区的冷变形最大, 硬度随之也达到最高。投用之后于过渡区发生了氯离子应力腐蚀开裂, 导致设备泄漏。
第2 类案例是不锈钢板材卷圆之后用液压成型法制造U 形波纹膨胀节, 在波峰处冷变形最大, 硬度也最高, 沿波峰发生应力腐蚀开裂的情况最多, 甚至发生沿一圈波峰开裂形成低应力脆断的爆炸事故。
第3 类案例是波纹形换热管的应力腐蚀开裂。波纹形换热管是由不锈钢无缝管冷挤压成型的, 波峰、波谷都受到不同程度的冷变形减薄, 波峰、波谷都可能引发若干应力腐蚀裂纹。
奥氏体不锈钢的冷加工硬化的实质是产生了形变马氏体，冷加工变形越大，产生的形变马氏体也愈多，其硬度也愈高，同时, 材料内部的内应力也愈大。事实上，如果在其加工成形之后进行固溶热处理，可以达到降低硬度、使残余应力大幅度下降的效果，同时马氏体组织也可消除，从而避免应力腐蚀开裂。
长期在高温下服役的脆化问题
目前，400～500℃的容器与管道材料以选用高温强度较高Cr-Mo钢为主，500～600 ℃甚至700 ℃时则以选用各种奥氏体不锈钢为主。设计中人们往往更关注奥氏体不锈钢的高温强度，要求其含碳量不能过低。高温下的许用应力基本上依赖外推的高温持久强度试验而得到, 可以保证在设计应力下10万h服役不发生蠕变断裂。
但奥氏体不锈钢高温下的时效脆化问题也不能忽视，奥氏体不锈钢在高温下长期服役后会在组织上出现一系列变化, 会严重影响到钢的一系列力学性能, 特别是使脆性明显上升, 韧性大幅度下降。
高温下长期服役后的脆化问题一般由两个因素所造成，一是形成碳化物，二是形成σ相。碳化物相、σ相在材料长期服役后不断沿晶析出, 在晶界上甚至形成连续的脆性相, 极易形成沿晶断裂。
σ相( Cr-Fe 的金属间化合物) 的形成温度区间大约为600～980 ℃，但具体的温度区间与合金成分有关。σ相析出的结果是使奥氏体钢强度大幅上升(强度可能升高一倍) , 还变得又硬又脆。高铬是形成高温σ相的主要原因, Mo、V 、Ti、Nb等是强烈促使形成σ相的合金元素。
碳化物( Cr23C6) 的形成温度是在奥氏体不锈钢的敏化温度区间, 即400～850 ℃。Cr23C6 在敏化温度上限温度以上会发生溶解, 但溶解以后的Cr又会促进σ相的进一步形成。
因此，奥氏体钢作为耐热钢使用时，应加强对高温时效脆化的认识及其防范。可以像火力发电厂的金属监测那样, 定期检验金相组织以及硬度的变化，必要时取出试样做金相、硬度检查，乃至进行全面的力学性能与持久强度测试。
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