FV520B沉淀硬化马氏体不锈钢应力腐蚀特性研究

作     者：钟允攀 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈颂英;周成

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：FV520B不锈钢 应力腐蚀开裂 慢应变速率拉伸试验 点蚀坑 内聚力模型 

摘      要：FV520B是在Cr13型马氏体不锈钢基础上研制的一种新型沉淀硬化马氏体不锈钢,具有较高的强度,良好的焊接性能和耐腐蚀性能,是天然气离心压缩机叶轮的常用材料。国内外对FV520B不锈钢的应力腐蚀特性研究较少,国家与企业急需该叶轮材料的腐蚀特性数据。本文以慢应变速率拉伸试验、电化学腐蚀试验为基础,结合有限元模拟探究FV520B叶轮用沉淀硬化马氏体不锈钢应力腐蚀开裂机理,介质因素对应力腐蚀的影响规律,应力腐蚀临界电位和敏感电位区间,以及点蚀坑裂纹形核条件和应力腐蚀裂纹萌生扩展过程,综合评价天然气离心压缩机叶轮材料FV520B不锈钢在服役环境下的应力腐蚀断裂行为。本文的研究可填补此类材料应力腐蚀研究方面的空白,亦可满足当下国家和企业对相关材料腐蚀性能的需求。模拟实际服役环境,通过慢应变速率拉伸腐蚀试验和电化学腐蚀试验,结合电位、断口形貌和能谱扫描综合分析了FV520B不锈钢普通拉伸试样和焊接接头试样的应力腐蚀开裂行为。结果表明,试样温度和H2S浓度对于普通拉伸试样的影响较为显著,随着试验温度的升高,试样的腐蚀电流密度和应力腐蚀敏感性均呈先减小后增大的趋势;随着H2S浓度的增加,腐蚀电流密度和应力腐蚀敏感性均呈现明显上升趋势,应力腐蚀开裂加剧。C02浓度对焊接接头试样的影响相对H2S浓度更加显著,腐蚀电流密度和应力腐蚀敏感性随C02浓度的增加快速增大。在130℃,8.4MPa,6%H2S和39%N2试验环境中,普通拉伸试样应力腐蚀敏感性最大,达到64.82%,试样断口表面呈现明显的脆性断裂特征,断口边缘部分出现了大片的泥纹花样,是典型的应力腐蚀开裂断口形貌。焊接接头试样在6组试验环境中均具有明显的应力腐蚀开裂倾向,对比相同试验环境下的普通拉伸试样,焊接接头试样更容易发生应力腐蚀开裂。裂纹和断口形貌分析表明普通拉伸试样在试验环境中发生的是氢致开裂型应力腐蚀。利用单元删除方法模拟研究了点蚀形状和尺寸对拉伸试样局部应力集中的影响以及点蚀坑处应力腐蚀裂纹形核位置及条件。FV520B不锈钢拉伸试样点蚀坑的最大应力区域位于坑底,最大应变区域则在坑口附近或坑肩位置,该位置还存在塑性应变。碟形点蚀坑的应力集中系数最大,应力集中现象最为明显。通过模拟计算得到点蚀坑生长过程中的塑性应变速率,该速率处在应力腐蚀裂纹形核的敏感区间内,表明应力腐蚀裂纹易在坑口附近或坑肩位置形核。基于内聚力模型模拟了带腐蚀产物膜平板试样和V型缺口试样的拉伸开裂过程,腐蚀产物膜的内应力和基体的膜致拉应力随膜厚度的增加而增大;腐蚀产物膜厚度越大,基体应力腐蚀裂纹起裂强度越小,裂纹越容易形核和扩展;同时随着腐蚀产物膜厚度的增加,平板试样应力腐蚀敏感性增强,V型单边缺口试样的应力腐蚀门槛值KISCC减小,应力腐蚀裂纹更加容易扩展;模拟显示应力腐蚀裂纹都从腐蚀产物膜表面形核,随着拉伸载荷持续作用,裂纹在膜内逐步扩展,直至腐蚀产物膜破裂,随后裂纹扩展进入基体。