玻璃喷丸处理提高304不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的研究_倪红芳

　　　　　　　　　　Jun12005

2005年6月JournalofChineseSocietyforCorrosionandProtection玻璃喷丸处理提高304不锈钢焊接接头

抗应力腐蚀性能的研究

倪红芳　凌　祥　彭薇薇

(南京工业大学机械与动力工程学院南京210009)

摘要:基于对304不锈钢焊接试板表面喷丸处理前后的表层残余应力X射线衍射测量,研究了在42%沸腾MgCl2溶液中,表面玻璃喷丸和铸钢喷丸对304不锈钢焊接试板应力腐蚀开裂敏感性的影响,比较了采用不同铸钢喷丸和玻璃喷丸处理工艺的304不锈钢焊接试板抗应力腐蚀开裂的能力.试验结果表明:未喷丸处理的焊接试板6h就发生开裂,50%、100%覆盖率的铸钢喷丸焊接试板分别在试验310h和3500h开裂,而200%覆盖率的铸钢喷丸焊接试板,50%、100%、200%覆盖率的玻璃喷丸焊接试板经历3500h也未见开裂.因此,喷丸处理工艺能够很好地提高焊接构件抗应力腐蚀开裂能力;且在同样喷丸强度下,焊接接头经玻璃喷丸工艺处理后的抗应力腐蚀能力明显优于铸钢喷丸处理工艺.

关键词:304不锈钢焊接接头　玻璃喷丸　应力腐蚀开裂

中图分类号:TG172.9　　文献标识码:A　　文章编号:100524537(2005)03201522051前言

不锈钢焊接接头的焊接残余应力为应力腐蚀开裂(SCC)提供了应力来源[1～5].对于焊接构件而言,即使在无外加载荷情况下,只要在特定的腐蚀介质长期放置,也可能产生应力腐蚀裂纹.因此,为提高焊接构件抗应力腐蚀的能力,消除焊接残余应力是一种可行的方法.喷丸工艺能够使焊接构件表层残余应力从拉应力转变成压应力,阻止应力腐蚀的发生,从而大大提高焊接构件的抗应力腐蚀能力[6～9].

国内外学者在喷丸强化提高工件抗疲劳强度方面做了大量、深入的研究,并取得了巨大成功;而运用喷丸技术提高工件抗应力腐蚀能力方面的工作较少,且主要采用铸钢喷丸处理.但是在喷丸过程中钢丸容易产生碎片,碎片残留在工件表面,有时会引起电化学腐蚀,反而降低了抗腐蚀能力[10],而玻璃喷丸则不存在这样的问题.上海交通大学的戈大钫等人试验证实玻璃喷丸处理能提高铁镍基的In2coloy800合金(00Cr22Ni33Fe)抗应力腐蚀能力[11].本文针对304不锈钢焊接接头,选用玻璃丸和钢丸两种弹丸进行喷丸处理.选用沸腾42%MgCl2溶液进行应力腐蚀加速试验,研究未经喷丸处理的304不锈钢焊接接头和采用不同喷丸工艺处理后的焊接

定稿日期:2004211217

基金项目:江苏省自然科学基金资助(BK2001098)

作者简介:倪红芳,女,1980年生,江苏如皋人,汉族,硕士,从事过程

装备先进制造技术的力学原理与方法研究

接头对应力腐蚀开裂的敏感性.

2试验方法

试验材料为AISI304不锈钢,其化学成分为(mass%):0.058%C,0.35%Si,1.32%Mn,01032%P,0.007%S,17.45%Cr,8.28%Ni.211残余应力测定的试验方法

采用奥氏体304不锈钢焊接试板,焊接接头采用平板对焊形成.接点采用70°单面V型坡口,焊丝为A302,用手工氩弧焊(TIG)焊接,焊接试板具体尺寸见图1.

试验用2903型X射线应力仪测定残余应力,测定前先用无应力铁粉对应变仪进行标定.采用侧倾固定φ方法.焊接残余应力测定试验的靶材为β,衍射角12°CrK,无滤波片,应力常数为-366MPa/deg.喷丸处理后焊接试板表面残余应力测定

α,衍射角为156.4°试验的靶材为CrK,滤波片为钒,应力常数为-318MPa/deg.

Fig.1Dimensionofweldedplate(mm)

3期倪红芳等:玻璃喷丸处理提高304不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的研究　　153

　　焊接试板表面应力测试点位置见图2.在完成残余应力测量后进行表面清洁处理,再进行喷丸处理,玻璃和铸钢两种弹丸选用相同的喷丸强度(0.2mmA).经图像证实弹痕覆盖面积达到试板表面积的98%左右,以此确定满覆盖率的喷丸时间tc,50%、200%覆盖率的喷丸时间分别是满覆盖率喷丸时间的二分之一、两倍.喷丸规范见表1,表中符号:d为弹丸平均直径,ρ为弹丸密度,H为弹丸硬度,p为喷丸压力,v为喷射速度,c为覆盖率,fA为喷丸强度.

喷丸强度(AlmenIntensity)是试件经喷丸强化程度的一种量度.目前国内外普遍采用弧高值试片方法(Almen试片方法)来测定喷丸强度.Almen试片经弹丸投射后的弯曲弧高度值fA即为喷丸强度.

212应力腐蚀试验方法

用已测定残余应力的焊接试板作试样.

试验装置为一个玻璃烧瓶,配有两个冷凝管以防止试验溶液浓缩,用电炉加热,并用变压器调节电压以控制温度.

腐蚀介质采用GB4334.8-84《不锈钢42%氯化镁应力腐蚀实验》中规定的42%沸腾MgCl2溶液.将称重后的MgCl2倒入适量去离子水中,调整其沸点为143℃±1℃,此时浓度为42%.根据ASTM规定,试验过程中每7天更换一次溶液.

3结果与讨论

311残余应力测定结果

X射线应力仪测定喷丸与未喷丸焊板同一位置

的表面残余应力,其中纵向测定结果列于表2.表中符号:B50为覆盖率50%玻璃喷丸,B100为覆盖率100%玻璃喷丸,B200为覆盖率200%玻璃喷丸,G50为覆盖率50%钢丸喷丸,G100为覆盖率100%钢丸喷丸,G200为覆盖率200%钢丸喷丸,WP为未喷丸.

结果说明:无论是玻璃丸还是钢丸,覆盖率越大,产生的残余压应力值越大.相同喷丸强度和覆盖率下,玻璃喷丸产生的压应力比铸钢喷丸产生的压应力大.

312应力腐蚀试验结果

31211开裂试板宏观裂纹　　图3展示了在应力腐

蚀试验中焊接试板开裂的宏观形貌.试板的裂纹是应力腐蚀开裂造成的,虽然铸钢喷丸处理后焊接试板表面形成了一定的压应力层,但是由于电化学腐

Fig.2Residualstressmeasuring-pointlocationsatsur2

faceofweldedplate(mm)

Table1Technologicparametersforshotpeening

shotmaterial

d/mm

蚀的作用,该层被腐蚀掉后试板内部的残余拉应力仍使暴露在腐蚀介质中的焊接试板发生了开裂.

Table2Longitudinalstressvalueinsurfaceofspecimens

measuring-point

B50B100

1-81-3-826-97-146-488280

2-95-137-785-74-312-328250

3-127-270-835-92-173-349200

4-262-180-944-73-172-365157

5-320-300-776-108-82-341180

caststeelshot

0.65～655～650.2210～22050、100、200

0.2

glassbead0.22.5～2.846～500.4280～30050、100、200

0.2

ρ/g・cm-3

H/HRCp/MPa

(gagepressure)

v/m・s-c/%fA/mm

1

σresidual

/MPa

B200G50G100G200WP

154中国腐蚀与防护学报第25卷

　　图3a为未喷丸的焊接试板,其裂纹方向垂直于焊缝,说明了焊接试板内部的纵向残余拉应力较大,是SCC的主要应力来源.且在焊接接头附近有多处裂纹萌生,也说明在应力腐蚀试验的腐蚀介质条件下不锈钢焊接接头具有很高的应力腐蚀开裂敏感性.

图3b为50%覆盖率的铸钢喷丸处理过的试板,其裂纹呈弧状,且裂纹略呈45°方向扩展,裂纹萌生数量明显少于未喷丸的焊接试板.说明了50%覆盖率的铸钢喷丸处理在一定程度上改善了焊接试板内部的纵向残余拉应力分布.

图3c为100%覆盖率的铸钢喷丸处理过的试板,其裂纹垂直于焊缝方向,揭示了由于焊接试板内部的纵向残余拉应力比横向残余拉应力大得多,裂纹比较倾向于发生在垂直于焊缝的位置.虽然仍有裂纹产生,但是裂纹的长度、数量都明显少于未经喷丸处理的焊接试板,可见铸钢喷丸的确能降低不锈钢焊接接头的应力腐蚀敏感性.31212试板开裂时间　　表面经多种喷丸工艺处理的焊接试板在143℃浓度为42%MgCl2溶液中的应力腐蚀试验结果列于表3.结果说明,(1)喷丸处理

过的试板抗应力腐蚀能力明显优于未喷丸的焊接试板.(2)玻璃喷丸处理的试板抗应力腐蚀能力优于铸钢喷丸处理的试板.(3)从铸钢喷丸处理过的试板的抗应力腐蚀试验结果可以看出,覆盖率对SCC的影响较大,200%覆盖率的试板抗应力腐蚀能力最强,即残余压应力越大抗应力腐蚀能力越强.

表3的结果还验证了铸钢喷丸过程中,钢丸容易产生碎片,碎片残留在工件表面,在一定的条件下会引起电化学腐蚀,电化学腐蚀穿透了试板表面由于喷丸形成的塑性形变层(该层的深度大概在0.1mm～0.8mm),从而使呈拉应力状态的金属表面再次暴露在腐蚀介质中,以致焊接试板开裂.然而,随着铸钢喷丸覆盖率的提高(达到200%的覆盖率),塑性形变层加深,电化学腐蚀并不能完全腐蚀掉塑性形变层,金属表面仍呈压应力状态,故焊接试板上没有裂纹萌生.与铸钢喷丸不同的是,玻璃喷丸处理工艺不会形成电化学腐蚀,无论是50%的覆盖率还是200%的覆盖率(试板表面均形成了残余压应力层),焊接试板在腐蚀介质条件下都不会发生应力腐蚀开裂.因此,在相同的喷丸强度下,玻璃喷丸的处理效果更好些.

Fig.3SCCcrackinweldedplatewith(a)unpeened,(b)50%caststeelpeeningcoverageand

(c)100%caststeelpeeningcoverage

Table3ResultsofSCCtestofspecimenstreatedbydifferent

shot-peeningtechnology

specimennumber

WPB50B100B200G50G100G200

characteristicofshot-peening

unpeened

d:0.2mm;glass;c:50%d:0.2mm;glass;c:100%d:0.2mm;glass;c:200%d:0.6mm;steel;c:50%d:0.6mm;steel;c:100%d:0.6mm;steel;c:200%

31213开裂试板的金相组织分析　　观察试板横向

testduration

633500350035003103350033500

截面的金相组织,在离焊缝边缘0～2.5mm内的热影响区金属未发生晶间腐蚀(图4a);而距离焊缝边缘2.5mm～5.5mm内的热影响区金属发生晶间腐蚀(图4b).目前,被广泛接受的奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀形成的机理是“贫铬理论”.奥氏体不锈钢焊接接头在焊接的快速连续加热过程中,位于热循环峰值温度800℃～1000℃的部位发生敏化,晶界上析出碳化铬Cr23C6,晶界附近的奥氏体贫铬,其抗晶间腐蚀能力就明显比母材差[12,13].

　　3cracking

3期倪红芳等:玻璃喷丸处理提高304不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的研究　　155

Fig.4Microstructureofweldedplate(×500)

(a)transversemicrophotographofHAZwithadistance2.5mmtoweldedge(b)transversemicrophotographofHAZwithadistance2.5mm～5.5mmtoweldedge

Fig.5Comparisonofcrackpatternofpeenedandunpeenedspecimens(×500)

(a)SCCcracktipinweldedplate　(b)SCCcracktipinweldedplatewith50%peeningcoverage

　　未喷丸处理的焊接试板和喷丸处理的试板应力

腐蚀裂纹形貌基本一致(图5).应力腐蚀裂纹尖端较锐利,根部稍宽,裂纹无明显的塑性变形迹象,属于完全脆性断裂,多为穿晶断裂.

能产生不利的影响.

(3)不锈钢焊接接头在焊接过程发生了敏化现象,其后果是导致焊接试板发生晶间腐蚀,所以有必要采取相应措施预防晶间腐蚀的发生.

4结论

(1)焊接接头经喷丸处理后,抗应力腐蚀能力明

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显优于未喷丸的焊接接头.其中玻璃喷丸处理的焊接接头在42%沸腾MgCl2溶液中进行应力腐蚀试验到3500h时,所有试板均未发生开裂.与铸钢喷丸处理工艺相比,玻璃喷丸更有助于提高焊接接头的抗应力腐蚀能力.

(2)覆盖率50%和100%的铸钢喷丸处理后的焊接接头,在一段试验时间内均出现应力腐蚀开裂;而200%铸钢喷丸覆盖率处理的试板经历3500h应力腐蚀试验也未见开裂,可见,喷丸覆盖率对SCC的影响较大.喷丸覆盖率越高,产生的压应力越大,压应力越大,抗应力腐蚀能力越强.但值得注意的是伴随压应力的增大,喷丸层的硬度和显微畸变也增大,对于此要适当控制,否则可能会对抗应力腐蚀性

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NIHongfang,LINGXiang,PENGWeiwei

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009)

Abstract:BasedonX-raymeasurementsoftheresidualstressesofshotpeenedandunpeenedweldedplatesof304stainlesssteel,effectsofglassbeadpeeningandcaststeelshotpeeningonstresscorrosionsusceptibilityofweldjointsofAISItype304stainlesssteelinboiling42%MgCl2werestudied.Comparisonofthepotentiala2gainstSCCofspecimenspeenedbyglassbeadsandcaststeelshotswerecarriedon.Thetestresultsshow:un2peenedspecimenscrackwithin6hours.Thesteel-peenedspecimenswith50%coveragecrackinboiling42%MgCl2afterimmersionfor310hours,whilethesteel-peenedspecimenswith100%coveragecrackafterimmer2sionfor3500hours.However,caststeel-peenedspecimenswith200%coverageandglass-peenedspecimenswith50%,100%and200%coveragearetestedforatotalof3500hourswithoutvisiblestresscorrosioncracksinthepeenedsurfaces.Inaword,shotpeeningisaneffectivemethodforprotectingweldmentsagainstSCC,andweldmentspeenedbyglassbeadsresistSCCbetterthanthosepeenedbycaststeelshots.Keywords:304stainlesssteel,weldjoint,glass-beadpeening,stresscorrosioncracking(SCC)