激光噴丸與機械噴丸對304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕性能的影響

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對304不銹鋼管試樣分別進行了激光噴丸與機械噴丸處理，采用X射線衍射儀分析了表層顯微組織和晶粒尺寸的變化，通過慢應(yīng)變速率拉伸腐蝕試驗檢測了應(yīng)力腐蝕敏感性。結(jié)果表明，通過激光噴丸處理，表層晶粒得到了細化，但沒有產(chǎn)生明顯的馬氏體相變，隨著噴丸能量密度增大，應(yīng)力腐蝕敏感性減??；而通過機械噴丸處理的試樣，晶粒細化的同時誘發(fā)了明顯的馬氏體相變，隨著噴丸壓力升高，應(yīng)力腐蝕敏感性呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

 機械噴丸強化是利用高速氣流夾帶金屬彈丸，不斷沖擊金屬表面，使表層產(chǎn)生強烈的塑性變形，形成納米晶體結(jié)構(gòu)，從而改善材料的表面性能。

 激光噴丸與機械噴丸不同，是利用強脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的激光沖擊波轟擊金屬表面以改善表面性能的處理方法，激光噴丸能保持材料良好的表面光潔度，減少導(dǎo)致零件過早損壞的疲勞和腐蝕。激光噴丸具有很多其他機械噴丸不具有的優(yōu)點，在抗應(yīng)力腐蝕方面有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

 近幾年國內(nèi)外學(xué)者通過這兩種表面處理方法提高材料性能等方面做了大量的研究，至德鋼業(yè)采用機械噴丸技術(shù)處理Ni22Cr13Mo4W合金表面，并經(jīng)過低溫退火，使合金在鹽酸中的耐腐蝕性能顯著提高。其研究表明，機械噴丸能使材料表面納米化，提高其力學(xué)性能和電化學(xué)性能。同時對奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼進行激光表面處理，通過處理后兩者的抗晶間腐蝕的能力都有所提高。浙江至德鋼業(yè)有限公司進行了雙相不銹鋼激光噴丸試驗，證明激光噴丸能改善海水淡化泵抗腐蝕能力。從晶粒細化和馬氏體相變方面比較傳統(tǒng)的機械噴丸與激光噴丸，通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗，研究這兩種表面強化處理對304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕敏感性的影響。

一、試驗材料與方法

  試驗材料為304不銹鋼管，厚度2mm，為了對比機械噴丸和激光沖擊強化對材料抗應(yīng)力腐蝕性能的影響，選擇了3種表面處理狀態(tài)進行研究：（1）未處理狀態(tài)（2）機械噴丸處理（3）激光沖擊強化處理。

  激光噴丸處理實驗采用納秒Gaia激光沖擊裝置：為釔鋁石榴石激光器，重復(fù)頻率5～10Hz，激光脈寬＜15ns，脈沖能量＞12J，波長1064nm，光斑直徑：3mm，平頂（tophat）光強分布；實驗采用光斑直徑為3mm，搭接率為50%，吸收層為黑漆，約束層為水，能量密度分別采用2、3、4和5GW/cm2。機械噴丸采用氣動式噴丸機，工作倉內(nèi)的不銹鋼鋼丸在負壓作用下被吸入到高壓噴嘴噴嘴處，彈丸在高壓氣流的帶動下高速沖擊到試樣表面，使表面產(chǎn)生強烈塑性變形。彈丸材料為不銹鋼彈丸，直徑0.5mm，噴嘴到試樣表面的距離100mm，噴丸壓力分別為0.3、0.4、0.5和0.6MPa，噴丸時間為10min。

  本次試驗將噴丸處理后的慢拉伸試樣表面用無水乙醇清洗后，采用應(yīng)力腐蝕試驗機進行慢拉伸試驗。試驗裝置主要性能指標：最小位移速度33×10－6mm/s，最大載荷9.5kN，可控溫度0～150℃，根據(jù)標準ISO7539-7-2005，采用的拉伸速率為3.5×10－5mm/s。微觀組織采用荷蘭帕納科X'PertPＲO型X射線衍射儀進行分析，將激光噴丸處理后的試樣表面用無水乙醇清洗后進行測試。試驗條件：X射線源為Cu靶Kα射線（λ=0.154056nm），電壓40kV，電流40mA。對試樣表面進行物相分析，并用Scherrer公式由衍射線的寬度計算出不同能量密度下試樣表層的晶粒尺寸，并將結(jié)果與機械噴丸處理后的試樣進行對比分析。2試驗結(jié)果2.1物相分析通過X射線衍射的方法可以定性、定量分析不銹鋼的物相成分及其變化，反映形變誘發(fā)馬氏體的情況。激光噴丸和機械噴丸處理的不銹鋼X射線衍射曲線如圖。

  馬氏體為體心立方或體心四方相，奧氏體為面心立方相。因此，兩種晶體晶面衍射峰的位置不同。在XRD圖譜中觀察它們的特征峰，如果三強峰都能相吻合，那么基本可以確定存在這兩相。由圖可見，未噴丸試樣表層奧氏體峰凸顯，當(dāng)激光噴丸壓力從2GW/cm2增大到5GW/cm2時，圖譜并未發(fā)生明顯變化，相關(guān)的馬氏體峰并未明顯顯現(xiàn)，這表明激光噴丸過程中，馬氏體相并無明顯增加。由圖可見，未噴丸試樣表層奧氏體相居多，隨著機械噴丸壓力的增加，不銹鋼中奧氏體峰強度逐漸減弱；噴丸壓力0.3MPa時產(chǎn)生馬氏體相變，隨著噴丸壓力的增加，馬氏體相也隨之增加，奧氏體相減少。這表明噴丸過程中，機械彈丸撞擊試樣表面產(chǎn)生了塑性變形，誘發(fā)馬氏體相變。

二、晶粒尺寸

  計算根據(jù)X射線衍射理論，晶粒尺寸的變化，可以反映在衍射峰的峰寬上。由試樣衍射峰的峰寬并扣除儀器寬化效應(yīng)可以計算出晶粒尺寸。根據(jù)謝樂公式：D=KλBcosθ其中：K為Scherrer常數(shù)、D為晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B為實測樣品衍射峰半高寬度、θ為衍射角、λ為X射線波長，為0.154056nm。由此計算得到不同處理工況下晶粒尺寸，結(jié)果列于表。

  激光噴丸和機械噴丸參數(shù)對試樣表層晶粒大小的影響如圖所示。從圖可以看出，無論哪種噴丸都能使304不銹鋼管的晶粒細化，且隨著噴丸壓力或是能量密度的增加，晶粒的尺寸都呈現(xiàn)減小的趨勢。

三、應(yīng)力腐蝕試驗

  抗應(yīng)力腐蝕性能可以通過應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)衡量，即在惰性介質(zhì)（空氣）中的試驗參數(shù)與腐蝕介質(zhì)（3.5%NaCl溶液）中的試驗參數(shù)相對比值，試驗參數(shù)可以是試樣的伸長率、斷面收縮率和試驗過程中吸收能量（應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積）等。因為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積同時反映了力學(xué)和變形的影響，故本次試驗選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積A來表征應(yīng)力腐蝕敏感性。試樣在惰性介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)試驗中吸收的能量差值越大，其應(yīng)力腐蝕敏感性也越大。應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)表示為：F（A）=（A0－A）A0×100%其中：F（A）為以應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積表示的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)；A0，A分別為試樣在惰性介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)中吸收的能量，該數(shù)據(jù)由應(yīng)力腐蝕試驗系統(tǒng)軟件自動生成。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到各試樣斷裂前吸收的能量，得出不同工況下的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)，結(jié)果列于表。

  激光噴丸和機械噴丸參數(shù)對304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕敏感性的影響如圖所示。從上圖可以看出與未經(jīng)噴丸處理的試樣相比，通過兩種噴丸處理后，應(yīng)力腐蝕敏感性明顯降低，對于激光噴丸來說，隨著激光能量密度的增加應(yīng)力腐蝕敏感性不斷降低。對于機械噴丸來說，噴丸壓力0.5MPa為一臨界值，當(dāng)噴丸壓力小于0.5MPa時，隨著噴丸壓力的增加，試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)下降；當(dāng)噴丸壓力大于0.5MPa時，隨著噴丸壓力的增加，試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性上升。

四、分析與討論

  機械噴丸是利用彈丸長時間的反復(fù)沖擊試樣的表面，使試樣表層產(chǎn)生嚴重的塑性變形。試樣表面在高速彈丸沖擊下會使表層晶粒尺寸變小，晶格發(fā)生歪曲、畸變。隨著噴丸不斷的撞擊，在距離表面較深處，應(yīng)力達到臨界應(yīng)力時，位錯開始產(chǎn)生滑移，使亞晶粒之間產(chǎn)生很高的應(yīng)力，發(fā)生孿生變形，產(chǎn)生大量的微觀缺陷。隨著噴丸時間進一步的增加，孿晶密度增加，會在孿晶相連處積聚較高的變形儲存能，當(dāng)能量達到相變驅(qū)動力時，克服了奧氏體和馬氏體相變的阻力，誘發(fā)馬氏體相變。而激光噴丸是利用高能量的沖擊波沖擊試樣，所形成的峰值應(yīng)力遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，從而使材料產(chǎn)生密集、均勻和穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)，晶粒細化，但不會產(chǎn)生點陣畸變的應(yīng)變，且其作用時間很短（納秒級）。加上能量吸收涂層的保護作用，因而激光噴丸相對于傳統(tǒng)的機械噴丸塑性變形較小，不會對304不銹鋼微觀組織產(chǎn)生較大的影響，即不會導(dǎo)致明顯的馬氏體相變，這一點也得到了Peyre，Scherpereel研究成果的證明從應(yīng)力腐蝕敏感性結(jié)果可以看出，對于激光噴丸，隨著能量密度的增加，試樣的敏感性下降。對于機械噴丸來說，隨著噴丸壓力的增加，試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性經(jīng)歷了一個先降后升的過程。結(jié)合XＲD圖譜的分析，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從兩種噴丸對材料的晶粒尺寸和馬氏體相變影響來分析。

  晶粒細化會降低應(yīng)力腐蝕的敏感性。因為奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕通常是穿晶腐蝕，而晶粒細化會提高材料的塑性和強度，使的材料內(nèi)部的受力相對均勻，減小了材料內(nèi)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以推遲裂紋的形成，提高了應(yīng)力腐蝕的門檻應(yīng)力強度因子KISCC。其次在裂紋萌生階段，裂紋的驅(qū)動力可由更多細小的晶粒來承受，且晶粒越細意味著晶界越多，對裂紋擴展的阻礙作用越強，越不利于裂紋擴展，降低了裂紋擴展速度。

  前人研究表明，馬氏體相的存在將增大應(yīng)力腐蝕的敏感性。浙江至德鋼業(yè)有限公司的研究表明，形變誘發(fā)馬氏體相變是奧氏體不銹鋼在含氯離子溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的主要原因之一；至德鋼業(yè)認為：隨著形變馬氏體量的增加，奧氏體不銹鋼的腐蝕敏感性不斷提高；最早提出了活化態(tài)下馬氏體比奧氏體相優(yōu)先溶解理論；至德鋼業(yè)研究表明，奧氏體-馬氏體雙相組織材料的腐蝕電位負于單一奧氏體體相的，其鈍化電流也比奧氏體相的大，根據(jù)混合電位理論：馬氏體相的腐蝕電位較奧氏體相的負，電化學(xué)溶解速度也比奧氏體相的大，因而，這種雙相組織的材料在氯離子溶液中表現(xiàn)為一個電化學(xué)雙電極體系，馬氏體相位于腐蝕電池的陽極，優(yōu)先腐蝕溶解，因此馬氏體的存在會提高應(yīng)力腐蝕敏感性。

  因此，無論采用激光噴丸和機械噴丸處理方法，均能細化表層晶粒，降低應(yīng)力腐蝕敏感性。在進行機械噴丸處理時，其應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)隨著噴丸壓力的增大呈現(xiàn)先降后升的變化規(guī)律。當(dāng)噴丸壓力小于0.5MPa時，晶粒細化起主導(dǎo)作用，應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)隨著噴丸壓力增大而降低。當(dāng)噴丸壓力大于0.5MPa時，馬氏體相變占主導(dǎo)地位，應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)隨著噴丸壓力增大而升高。故在進行機械噴丸時，需控制機械噴丸參數(shù)，盡可能防止馬氏體相變產(chǎn)生。在進行激光噴丸處理時，晶粒細化的同時沒有明顯的馬氏體相變，故隨著噴丸能量密度增大，應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)降低。

五、結(jié)論

 1. 采用機械噴丸或激光噴丸處理304不銹鋼管，能使試樣表層晶粒得到細化。隨著機械噴丸壓力升高或激光噴丸能量增加，表層晶粒尺寸逐漸變小；

 2. 機械噴丸和激光噴丸對試樣表層顯微組織影響存在明顯差別：機械噴丸會產(chǎn)生嚴重塑性變形，從而誘發(fā)馬氏體相變；激光噴丸處理不會產(chǎn)生明顯的馬氏體相變；

 3. 激光噴丸和機械噴丸處理均能降低304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕敏感性。隨著激光噴丸能量密度增加，應(yīng)力腐蝕敏感性降低。而隨著機械噴丸壓力增大，應(yīng)力腐蝕敏感性呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。