应变对316L奥氏体不锈钢耐蚀性的影响

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形变是材料在制造、加工和使用工程中的一个必经环节。近年来,突破“超级钢”向更高强韧、耐腐蚀的高性能材料探索已经开始,有国内学者研发出了屈服强度达到2200 MPa、延展性达到25%左右的碳钢材料。腐蚀科学表明,高强度、高延展形变的材料反较低强度、低形变材料更易发生腐蚀断裂,而目前关于材料腐蚀寿命的研究中,很少考虑高延展应变对腐蚀寿命的影响。本论文关注高延展性材料在使用中常发生的应变现象,进行应变与腐蚀关系的研究,为此选择了常被用做高温高压设备安全泄压装置爆破片的316L奥氏体不锈钢材料作为研究对象,因其延展性极好可达到40%以上的应变;而且由于国内高端爆破片还大多依赖进口,需要获得爆破片的应变与腐蚀的关系来提出腐蚀寿命预测方法,所以这一选择还具有重要的工程意义。采用理论分析、实验验证和仿真预测相结合的研究方法,针对应变对材料耐蚀性影响问题,改进了用于计算应变对奥氏体不锈钢耐蚀性影响的定量方程,并应用其提出了爆破片腐蚀寿命预测方法,探讨了爆破片腐蚀规律。(1)改进了应变对奥氏体不锈钢耐蚀性影响的定量方程,并通过实验测试和有限元仿真的方法证明了公式的有效性。针对目前力学电化学效应公式:φa,eq=φa,eq0-ΔPmVm/zF-TR/zFln(υα/N0εp+1)中的取向因子υ(0.4~0.5)和剪应变与位错密度的关系系数α(109~1011 cm-2)物理意义不明确,取值范围宽泛等问题,本研究基于应变本质上是与位错运动相关的材料学理论观点,引入修正Ludwigson硬化模型和Taylor公式,结合奥氏体不锈钢位错密度与应变的关系,获得了奥氏体不锈钢应变与位错密度之间的分段线性函数关系,将其与力学电化学效应理论中的各公式联立,通过推导得到了修正的计算应变对奥氏体不锈钢阳极平衡电位影响的力学电化学效应分段函数方程:φa,eq=φa,eq0-ΔPmVm/zF-TR/zFln(K/N0εp+1),式中由系数K替代了原公式中的取向因子υ和剪应变与位错密度关系系数α,统一代表应变在5%以内和应变大于等于5%两个阶段的位错密度与应变线性关系系数K1(7×1015 m-2)和K2(5×1015 m-2),明确了K的物理意义是其代表着位错密度与应变的线性关系系数;采用实验测试和有限元仿真验证的方式证明了,在20%应变范围内,力学电化学效应是奥氏体不锈钢耐蚀性降低的主要机理,修正力学电化学效应公式可以更准确地描述应变对奥氏体不锈钢耐蚀性影响规律。(2)应用改进的应变对耐蚀性影响方程通过爆破片冲压仿真得到了爆破片形变与腐蚀行为演化规律,提出了判断爆破片腐蚀失效的临界条件。针对目前爆破片腐蚀规律不明,无法预测爆破片腐蚀寿命问题,参照爆破片冲压制作过程,采用弧顶位移控制法成功建立了爆破片冲压仿真模型,分别探究了泄放口径、初始厚度和夹持圆角半径对设定爆破压力和爆破片厚度的影响规律,归纳并分析爆破片形变演化规律,得出了爆破片弧顶位置腐蚀减薄最快,其厚度可作为腐蚀失效临界条件的结论;实验结果表明,在弱酸性的NaCl溶液中,爆破片弧顶位置的腐蚀速率约为未变形试样的2.82倍,根据爆破片弧顶位置的腐蚀减薄过程和规律,依据腐蚀余量评估法,提出了爆破片腐蚀寿命预测方法,不仅解决了爆破片腐蚀失效条件未知造成腐蚀寿命预测方法缺失的问题,而且建立了可用于预测不同规格爆破片腐蚀寿命的仿真模型。(3)成功建立了爆破片在含Cl-和H2S环境中的腐蚀仿真模型,得到了爆破片腐蚀速率和表面轮廓随时间的变化规律。H2S是导致石化行业中设备腐蚀失效的常见因素,也是导致爆破片提前失效的重要原因,但是受限于实验条件苛刻和实验周期过长等因素的限制,传统实验方法不便于得到爆破片在H2S环境中的腐蚀规律。本研究建立起爆破片在含Cl-和H2S环境中的腐蚀仿真模型,系统研究了 H2S浓度、腐蚀产物层孔隙率和爆破片几何形状等因素对爆破片腐蚀行为和表面轮廓的影响规律,结果表明爆破片弧顶位置的腐蚀速率和腐蚀产物沉积速率与H2S浓度和腐蚀产物层孔隙率正相关,与爆破片的初始厚度和泄放口径负相关,并且除爆破片弧顶位置外,爆破片与夹具接触位置的腐蚀速率也有成为腐蚀速率最快位置的可能。对于设定爆破压力相同的爆破片,初始厚度越厚,泄放口径越大,腐蚀寿命越长。研究结果不仅为爆破片在含Cl-和H2S环境中的腐蚀行为研究提供了数据支持,而且从腐蚀角度为爆破片的设计和使用提供了理论依据和模型参考。
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