【摘 要】
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奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性能,目前广泛应用于石油化工、航天航空、新能源以及核工业等领域。但在其服役过程中,应力腐蚀开裂(SCC)和氢脆(HE)往往是造成其过早失效的重要原因。因此,在一些苛刻的服役环境中,人们往往通过选用镍基合金,或镍含量较高的超级奥氏体不锈钢来预防失效事故,使成本大幅增加。在奥氏体不锈钢中,当镍元素达到一定量后能显著延长奥氏体不锈钢在应力腐蚀及含氢环境下的服役寿命,但具体的作用
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奥氏体不锈钢具有优良的耐蚀性能,目前广泛应用于石油化工、航天航空、新能源以及核工业等领域。但在其服役过程中,应力腐蚀开裂(SCC)和氢脆(HE)往往是造成其过早失效的重要原因。因此,在一些苛刻的服役环境中,人们往往通过选用镍基合金,或镍含量较高的超级奥氏体不锈钢来预防失效事故,使成本大幅增加。在奥氏体不锈钢中,当镍元素达到一定量后能显著延长奥氏体不锈钢在应力腐蚀及含氢环境下的服役寿命,但具体的作用机制尚不明确。本文在316L奥氏体不锈钢的基础上增加镍元素的含量,通过比较不同镍含量的奥氏体不锈钢在H2S和Cl-中的应力腐蚀敏感性,探究了镍元素在抵抗应力腐蚀中的作用。首先,通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了镍含量在20%~30%的四种奥氏体不锈钢的在不同温度的Cl-和H2S环境下的应力腐蚀敏感性。结果表明,30℃时,镍含量在达到20%以上后均不会发生应力腐蚀。当温度增加到200℃后,20%Ni、25%Ni和27.5%Ni表现出较高的SCC敏感性,而30%Ni基本没有塑性损失,在腐蚀环境下延伸率仍达到了41.6%,断口形貌发生了由沿晶→穿晶→韧窝的变化。当温度达到290℃后,四种材料均表现出了较高的应力腐蚀敏感性,镍含量升高不再增加奥氏体不锈钢的抗SCC性能。其次,通过透射电子显微镜(TEM)观察了应力腐蚀失效断口附近的显微组织,探究了镍含量对奥氏体不锈钢应力腐蚀断裂微观结构的影响。结果显示,200℃腐蚀环境下,镍含量增加后材料的变形方式发生了变化,27.5%Ni主要通过位错的平面滑移发生变形,而30%Ni主要以位错交叉滑移的方式变形,极大的限制了氢原子的运动,从而增强了奥氏体不锈钢的抗氢脆性能。290℃时,通过二次裂纹特征及断口位错形态判断四种材料均发生了由滑移溶解引发的应力腐蚀开裂。最后,通过电化学充氢,电化学析氢以及电化学氢渗透实验探究了氢从环境进入金属中时,奥氏体不锈钢的镍含量对氢的固溶、吸附、渗透以及扩散过程的影响。得出结论,几种材料在充氢48h后,固溶氢含量都在30ppm左右,不会随镍含量增加发生明显变化。奥氏体不锈钢中镍含量的增加会降低氢渗透进入金属的浓度以及稳态时的氢原子渗透通量,并提高了氢原子的扩散速率。
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