激光噴丸與機(jī)械噴丸對(duì)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(duì)304不銹鋼管試樣分別進(jìn)行了激光噴丸與機(jī)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(yàn)檢測(cè)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(xì)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)力腐蝕敏感性減小；而通過機(jī)械噴丸處理的試樣，晶粒細(xì)化的同時(shí)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(shì)。

 機(jī)械噴丸強(qiáng)化是利用高速氣流夾帶金屬?gòu)椡?，不斷沖擊金屬表面，使表層產(chǎn)生強(qiáng)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(jī)械噴丸不同，是利用強(qiáng)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(jī)械噴丸不具有的優(yōu)點(diǎn)，在抗應(yīng)力腐蝕方面有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

 近幾年國(guó)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(jī)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(jī)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(shí)對(duì)奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼進(jìn)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(jìn)行了雙相不銹鋼激光噴丸試驗(yàn)，證明激光噴丸能改善海水淡化泵抗腐蝕能力。從晶粒細(xì)化和馬氏體相變方面比較傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸與激光噴丸，通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，研究這兩種表面強(qiáng)化處理對(duì)304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕敏感性的影響。

一、試驗(yàn)材料與方法

  試驗(yàn)材料為304不銹鋼管，厚度2mm，為了對(duì)比機(jī)械噴丸和激光沖擊強(qiáng)化對(duì)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(jìn)行研究：（1）未處理狀態(tài)（2）機(jī)械噴丸處理（3）激光沖擊強(qiáng)化處理。

  激光噴丸處理實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)1064nm，光斑直徑：3mm，平頂（tophat）光強(qiáng)分布；實(shí)驗(yàn)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(jī)械噴丸采用氣動(dòng)式噴丸機(jī)，工作倉(cāng)內(nèi)的不銹鋼鋼丸在負(fù)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(dòng)下高速?zèng)_擊到試樣表面，使表面產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)間為10min。

  本次試驗(yàn)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(yàn)機(jī)進(jìn)行慢拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置主要性能指標(biāo)：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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)條件：X射線源為Cu靶Kα射線（λ=0.154056nm），電壓40kV，電流40mA。對(duì)試樣表面進(jìn)行物相分析，并用Scherrer公式由衍射線的寬度計(jì)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(jī)械噴丸處理后的試樣進(jìn)行對(duì)比分析。2試驗(yàn)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(jī)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(qiáng)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(shí)，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(jī)械噴丸壓力的增加，不銹鋼中奧氏體峰強(qiáng)度逐漸減弱；噴丸壓力0.3MPa時(shí)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(jī)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(jì)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(jì)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(shí)測(cè)樣品衍射峰半高寬度、θ為衍射角、λ為X射線波長(zhǎng)，為0.154056nm。由此計(jì)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(jī)械噴丸參數(shù)對(duì)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(xì)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(shì)。

三、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

  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(yàn)參數(shù)與腐蝕介質(zhì)（3.5%NaCl溶液）中的試驗(yàn)參數(shù)相對(duì)比值，試驗(yàn)參數(shù)可以是試樣的伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和試驗(yàn)過程中吸收能量（應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積）等。因?yàn)閼?yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積同時(shí)反映了力學(xué)和變形的影響，故本次試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)軟件自動(dòng)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(jī)械噴丸參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)于機(jī)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(shí)，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(shí)，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(jī)械噴丸是利用彈丸長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)沖擊試樣的表面，使試樣表層產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。試樣表面在高速?gòu)椡铔_擊下會(huì)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(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)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(shí)間進(jìn)一步的增加，孿晶密度增加，會(huì)在孿晶相連處積聚較高的變形儲(chǔ)存能，當(dāng)能量達(dá)到相變驅(qū)動(dòng)力時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使材料產(chǎn)生密集、均勻和穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)化，但不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變的應(yīng)變，且其作用時(shí)間很短（納秒級(jí)）。加上能量吸收涂層的保護(hù)作用，因而激光噴丸相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸塑性變形較小，不會(huì)對(duì)304不銹鋼微觀組織產(chǎn)生較大的影響，即不會(huì)導(dǎo)致明顯的馬氏體相變，這一點(diǎn)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(duì)于激光噴丸，隨著能量密度的增加，試樣的敏感性下降。對(duì)于機(jī)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(gè)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(duì)材料的晶粒尺寸和馬氏體相變影響來分析。

  晶粒細(xì)化會(huì)降低應(yīng)力腐蝕的敏感性。因?yàn)閵W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕通常是穿晶腐蝕，而晶粒細(xì)化會(huì)提高材料的塑性和強(qiáng)度，使的材料內(nèi)部的受力相對(duì)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(qiáng)度因子KISCC。其次在裂紋萌生階段，裂紋的驅(qū)動(dòng)力可由更多細(xì)小的晶粒來承受，且晶粒越細(xì)意味著晶界越多，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用越強(qiáng)，越不利于裂紋擴(kuò)展，降低了裂紋擴(kuò)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(rèn)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(fù)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(fù)，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(gè)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(huì)提高應(yīng)力腐蝕敏感性。

  因此，無論采用激光噴丸和機(jī)械噴丸處理方法，均能細(xì)化表層晶粒，降低應(yīng)力腐蝕敏感性。在進(jìn)行機(jī)械噴丸處理時(shí)，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(shí)，晶粒細(xì)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(shí)，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(jìn)行機(jī)械噴丸時(shí)，需控制機(jī)械噴丸參數(shù)，盡可能防止馬氏體相變產(chǎn)生。在進(jìn)行激光噴丸處理時(shí)，晶粒細(xì)化的同時(shí)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(jī)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(xì)化。隨著機(jī)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(jī)械噴丸和激光噴丸對(duì)試樣表層顯微組織影響存在明顯差別：機(jī)械噴丸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，從而誘發(fā)馬氏體相變；激光噴丸處理不會(huì)產(chǎn)生明顯的馬氏體相變；

 3. 激光噴丸和機(jī)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(jī)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(shì)。