不锈钢的晶间腐蚀

与许多其他形式的不锈钢腐蚀不同，不锈钢的晶间腐蚀发生在微观层面，影响金属的结构。损坏的迹象并不总是出现在金属表面。晶间腐蚀的发生需要一定的条件，在某些情况下由其造成的损害是可以避免的。

让我们仔细看看什么是晶间腐蚀、它发生的时间和方式，以及预防晶间腐蚀和最 大程度地减少其造成的损害的最 佳方法。

什么是不锈钢的晶间腐蚀？

与许多其他金属和合金一样，不锈钢具有晶体结构。这意味着金属本身是由不同尺寸的晶粒组成的。这些颗粒相遇的地方称为颗粒极限。

不锈钢的晶间腐蚀（也称为焊缝崩解）会破坏这些限制，从而在分子水平上对金属造成损坏。可能会发生裂纹和晶粒损失，从而降低结构完整性、承压能力并进一步促进额外腐蚀。

与应力腐蚀开裂类似，它发生时几乎没有或没有明显的腐蚀迹象。

因此，忽视晶间腐蚀的风险可能会导致管道、单个零件、结构和不锈钢部件的灾难性故障或部分故障。

不锈钢晶间腐蚀的原因是什么？

当某些不锈钢牌号和合金达到 425°C 至 870°C 的温度时，就会发生不锈钢的晶间腐蚀。这种温度在焊接、热处理或高温环境下操作/工作期间最常见。

当不锈钢金属承受如此极端的温度时，它会在结构层面上发生变化。合金中存在的铬与碳反应，在晶界附近形成碳化铬。这种碳化物的形成本质上将边界转变为阳极单元。然后内部晶粒充当阴极电池，晶间腐蚀过程开始。

预防和修复晶间腐蚀造成的损坏

如何防止晶间腐蚀的发生？

正确的材料选择是降低风险并确保不锈钢结构和部件的长期安全性和性能的重要因素。在寻找具有优异抗晶间腐蚀能力的不锈钢牌号时，请特别注意低碳合金，它们通常用字母 L 表示（AISI 316L、AISI 317L 等）。

选择低碳不锈钢合金时，碳含量低于 0.03% 的选项可确保没有足够的碳形成碳化物。

如果低碳不锈钢合金不适合您的预期用途，添加钛或铌的合金可提供出色的抗晶间腐蚀能力。然而，添加钛或铌的合金很容易受到特殊形式的晶间腐蚀，即所谓的刀腐蚀。

什么是不锈钢刀具腐蚀？

刀腐蚀是不锈钢金属/合金（通常是稳定不锈钢）在加热到敏化温度后沿着焊缝的相邻线或接触线发生晶间腐蚀的一种形式。当碳与钛或铌而不是铬发生反应时，就会发生刀具腐蚀。

腐蚀作用仅限于与熔线相邻的非常窄的线内。从外观上看，这种损坏显得十分锋利（因此得名“刀线”腐蚀、“刀腐蚀”）。如果沿着焊缝已经形成线条，您可以直观地识别刀具腐蚀的外观。

刀具为何会发生腐蚀？

对于稳定化的不锈钢和合金，碳与稳定剂（钛或铌）结合，在热影响区焊接时不会发生焊缝分解。然而，随着进一步的热处理或焊接，碳化铬可能会释放出来，在熔线附近留下一条对晶间腐蚀敏感的窄带。

可以防止晶间腐蚀的发生，包括刀腐蚀。热处理通常可以解决问题并使金属结构恢复到几乎其原始状态。在某些情况下，固溶退火（也称为淬火退火或固溶淬火）是消除奥氏体不锈钢晶间腐蚀损伤的有效手段。该过程涉及将金属加热至 1060 °C 至 1120 °C 之间的温度。加热后，不锈钢金属用水进行退火，快速冷却并确认晶粒和结构。

不幸的是，热处理方法对于加工大型结构或零件并不理想。此外，它不能保护管道或其他部件在维修过程中重新焊接时免受损坏。

ASTM 等国际标准提供了长期制定的标准，有助于确定每种合金、不锈钢等级或部件对晶间腐蚀的敏感性。

奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

对于奥氏体不锈钢，晶间损伤通常是由于碳化铬 (Cr23C6) 在晶界处的沉淀造成的，这会在晶界处形成狭窄的贫铬区。这种情况称为敏化。敏化涉及碳化铬在晶界处的沉淀，导致晶界处出现狭窄的贫铬区。

由于铬是使不锈钢耐腐蚀的主要合金元素，因此铬含量低的区域容易受到腐蚀的影响。发生这种情况被认为是因为紧邻碳化物的铬含量可能低于不锈钢合金所需的铬含量。如果碳化物在晶界处形成连续的网络，则腐蚀会导致晶界处分层或破裂，并可能导致晶粒掉落或损失。

奥氏体不锈钢的碳化铬沉积

在 510 °C 至 790 °C 的温度范围内，碳化铬倾向于在奥氏体不锈钢晶粒内析出。在金属生产、制造或维修过程中，任何暴露或温度转变到该温度范围都可能增加不锈钢的敏感性。

焊接、应力消除和热成型等传统技术可使奥氏体不锈钢暴露在敏化温度范围内。通过固溶退火热处理很容易逆转碳化铬的形成。ASTM A262中概述的测试方法旨在确定奥氏体不锈钢对晶间断裂的敏感性。

产生晶间断裂敏感性所需的时间和温度取决于合金的成分，尤其是其碳含量。

对于奥氏体不锈钢，采用了三种方法来最 大限度地减少晶间腐蚀的影响。可以通过加热至碳化物溶解并且贫铬区域被去除的温度来对敏化材料进行固溶退火。然后通过在敏化温度范围内快速冷却将碳保持在溶液中。建议的固溶退火温度取决于合金，通常在 1040 °C 至 1180 °C 范围内，然后快速冷却。

通过将碳含量降低到0.030%以下也可以实现耐晶间腐蚀。AISI 304L、316L 和 317L 等低碳牌号已开发用于在典型焊接工艺中抵抗敏化，但在关键工作温度范围内长时间暴露时它们不能抵抗敏化。高合金和更耐腐蚀的不锈钢（例如 AISI 904L 合金）的碳含量非常低，并且对晶间腐蚀的敏感性通常不是问题。

添加 Ti、Nb (Cb) 和 Ta 等稳定元素还可以提高抗敏化能力，尤其是在关键工作范围内长期暴露时。在 1230 °C 至 790 °C 的温度范围内，这些稳定元素倾向于形成比碳化铬更稳定的碳化物。因此，当合金从高温冷却时，碳与稳定元素结合，并且在 510 °C 至 790 °C 的较低敏化温度范围内无法析出碳化铬。常见的稳定奥氏体钢种包括 AISI 321、347 和 316Ti。

对于稳定等级的不锈钢，标准固溶退火程序通常不会结合所有可用的碳。因此，当固溶退火稳定牌号长时间暴露于敏化温度范围（790°C 至 510°C）时，可能会发生碳化铬沉淀和敏化。稳定化热处理可用于通过完成沉淀反应来更有效地固碳。这些处理包括将合金在 820 °C 至 870 °C 的温度下保持几个小时。

铁素体不锈钢的晶间腐蚀

尽管铁素体不锈钢的晶间断裂与奥氏体不锈钢相似，但两者之间存在一些重要的区别。由于氮在铁素体晶体结构中的溶解度较低，导致铁素体牌号敏化的析出物包括碳化铬（Cr23C6）和氮化铬（Cr2N）。

对于铁素体不锈钢，从较高温度 (930 °C) 冷却时会发生敏化。在如此高的温度下，碳化物和氮化物会进入固溶体，在冷却过程中它们会沉积在晶界处，导致铬贫化。铁素体结构中非常高的扩散速率不允许钢足够快地冷却以避免晶粒内碳化物和氮化物的沉淀。因此，大多数商业级铁氧体通过限制 C 和 N 的含量并需要添加稳定元素（例如 Ti、Ta 或 Nb）来避免敏化。

如果铁素体不锈钢发生敏化，可以通过铬向后扩散到贫化区域来治愈这种情况。将材料在 590 °C - 650 °C 的温度下保持几个小时即可实现“愈合”。ASTM A763中概述的测试方法旨在确定铁素体不锈钢的晶间断裂敏感性。

马氏体不锈钢的晶间腐蚀

大多数致力于晶间腐蚀的出版物都涉及奥氏体钢。现代技术文献中几乎没有或很少有关于马氏体不锈钢晶间腐蚀的研究。

晶间腐蚀是这些材料的一个潜在问题，因为马氏体不锈钢几乎总是在碳化物沉淀的回火状态下使用。ASTM A2621（奥氏体钢）和 ASTM A7632（铁素体钢）中描述了测试不锈钢晶间断裂敏感性的一般方法。

双相不锈钢的晶间腐蚀

双相不锈钢作为传统奥氏体不锈钢的替代品变得越来越普遍，特别是对于需要在侵蚀性氯化物/硫化物环境中具有高腐蚀/应力腐蚀开裂性的酸性应用。

尽管这些钢具有许多优异的特性，但焊接这些钢仍存在局限性，特别是在控制焊缝结构和性能以及了解焊缝冶金如何影响晶间腐蚀敏感性方面。

主要发现

  1、不锈钢的晶间腐蚀（也称为不锈钢焊缝崩解）会在结构层面影响不锈钢，并且在腐蚀显着进展之前可能不会显示出明显的损坏迹象。

  2、焊接、不当热处理以及暴露在 425°C 至 870°C 的温度下是引发晶间腐蚀过程所必需的。

  3、选择低碳含量的不锈钢合金和牌号或添加钛或铌的合金可以显着提高耐晶间腐蚀能力。

  4、选择低碳合金/牌号时，建议选择碳含量为 0.03% 或更低的合金。

  5、尽管固溶退火和热处理可以提供消除或减轻晶间腐蚀损伤的选择，但它们通常不能防止未来的损伤。根据腐蚀过程的严重程度，它们在逆转腐蚀方面的成功可能有限。