晶间腐蚀及其机理与预防

图6-47示意地描绘了在热影响区受到晶间侵蚀的焊缝的宏观形态。在暴露于腐蚀环境的焊缝表面经常出现平行于熔合边界的直线形的侵蚀区，有时称为“车辙”，见图6-47的顶视图因为它们对称地平行于焊道两侧。在横断面上见图6-47的断面图可以观察到沿着HAZ敏化带严重的侵蚀（焊缝腐蚀破坏weld“de-cay”），注意：这些侵蚀带离熔合线有一定距离，这是由于导致敏化的碳化物析出发生在600～850°C（1110～1560°F）的温度范围，而高于这个温度范围时，碳化物又溶解回固溶体，因而靠近熔合线的区域是无碳化物析出的（假定冷却速度快得足以遏制冷却时碳化物的再析出）。

图6-47 奥氏体不锈钢热影响区中的晶间侵蚀示意图

图6-48 晶间碳化物析出和局部贫铬区

在大多数奥氏体不锈钢的HAZ中，富铬的M₂₃C₆碳化物优先沿晶粒边界析出，如图6-48所示，由此产生了沿晶粒边界的贫铬区，这个贫铬区对腐蚀破坏是敏感的。所以经常用“敏化”这个词来描述导致晶间侵蚀的冶金学变化。而含有Nb和（或）Ti的稳定化的奥氏体不锈钢则是例外（如347型和321型）。在这些钢里Nb、Ti和碳结合成稳定的MC型碳化物，使得在晶界形成富铬的M₂₃C₆型碳化物的可能性降到最低。

晶间腐蚀是由于富铬碳化物或碳氮化物在晶粒边界的局部析出。这些析出要求铬从附近的母相中进行短程扩散、而在析出相周围产生贫铬区（如图6-49b所示）。这就降低了组织的局部耐腐蚀性，促成晶粒边界区域的快速侵蚀。在某些环境中，这个效应就是在晶粒边界上腐蚀成深的凹槽，如图6-49a的金相截面所示。在极端情况下，由于整个晶界受到侵蚀和溶解，晶粒实际上会从组织中掉出来。

图6-49 晶间腐蚀(www.xing528.com)

a）304型不锈钢[w（C）=0.06%]热影响区晶间腐蚀 b）紧邻晶界碳化物的贫铬区示意图

奥氏体不锈钢中的碳含量对形成IGC的敏感性具有最重要的影响。用低碳型（L型）钢，由于降慢了碳化物析出反应而把敏化的危险降到最低。图6-50所示的时间-温度-析出曲线说明了碳含量对析出时间的影响。在碳含量低[w（C）<0.04%]的钢中，曲线的“鼻尖”位于1h以外，而碳的质量分数在0.06%～0.08%之间析出时间可以少于1min。这个差别指出了低碳（L型）钢种对降低或消除焊接时HAZ晶界敏化的有利作用。而在HAZ中存在残留应力也会加速碳化物的析出。

图6-50 不同碳含量的18Cr-8Ni钢中M₂₃C₆的时间-温度- 析出物曲线

（引自Peckner和Bernstein^[3]，McGraw-Hill（出版社授权）

在大多数情况下，热影响区发生敏化是焊接热循环的直接结果，然而对大多数奥氏体不锈钢消除应力处理的温度范围和碳化物析出温度范围重叠，因而在PNWT时要谨慎，要避免使整个结构敏化。对于碳的质量分数高于0.04%的钢尤其要注意。

一般讲，焊缝金属（例如308和316）的敏化倾向比对应的304型和316型母材的要低，在焊缝中存在铁素体，其铬含量高于奥氏体，而且铬在铁素体中的扩散比在奥氏体中快得多，所以可以帮助克服任何贫铬问题。而M₂₃C₆碳化物倾向于在凹凸不平的铁素体-奥氏体边界析出，而不是在通常比较直的奥氏体-奥氏体边界析出。所有这些因素都大大限制了在含有铁素体的奥氏体不锈钢焊缝金属中的敏化^[74]。所以除了全奥氏体不锈钢焊缝金属外，敏化主要是HAZ的问题，而不是焊缝的问题。