晶间腐蚀检测

晶间腐蚀检测：原理、方法与实施要点

晶间腐蚀（Intergranular Corrosion, IGC）是一种极具隐蔽性的局部腐蚀形式。它沿着金属晶界或邻近区域优先发生和发展，通常不引起材料整体厚度的显著减少，却能在内部严重削弱材料的力学性能和结构完整性，最终可能导致设备或构件在无明显外观损伤的情况下突然失效，危害极大。

发生机理与必要条件

晶间腐蚀的本质源于晶界与其相邻晶粒本体之间电化学活性的显著差异。这种差异主要由以下因素引发：

• 优先析出（敏化）： 最常见于奥氏体不锈钢（如304、316）。当材料在特定温度范围（约450°C - 850°C，称为敏化温度区间）停留足够时间（如焊接热影响区、不当热处理），晶界处会析出富铬的碳化物（如Cr23C6）。这导致晶界附近区域铬含量急剧降低（贫铬区）。
• 杂质元素偏聚： 有害杂质元素（如硫、磷、硅）或低熔点金属（如锌）在晶界处选择性富集，这些区域在腐蚀介质中更易溶解。
• 异相析出： 晶界析出相（如σ相、χ相）本身或其邻近区域在特定介质中具有较高的腐蚀活性。

关键检测方法

检测晶间腐蚀倾向性或评估已发生的损伤，需根据目的、标准和要求选择合适方法：

1. 实验室加速腐蚀试验（评估材料耐蚀性/敏化程度）
* 硫酸-硫酸铜（C Strauss试验 - 针对奥氏体、双相不锈钢）： 将试样浸入沸腾的硫酸铜和硫酸溶液中（典型配方如110g CuSO4·5H2O + 55ml H2SO4 + 1000ml H2O），持续规定时间（常为24小时）。试验后弯曲试样（通常90°或180°），金相检查弯曲外表面是否有晶间裂纹。这是最经典、应用最广的方法之一（ASTM A262 Practice E, ISO 3651-2 Method A）。
* 硝酸（Huey试验 - 评估高腐蚀性环境适用性）： 将试样浸入沸腾的65%硝酸溶液中，连续进行五个周期（每周期48小时）。通过测定每个周期后的失重率（g/m²·h）来评估耐蚀性。失重率越大，晶间腐蚀敏感性越高（ASTM A262 Practice C, ISO 3651-2 Method B）。
* 草酸电解浸蚀（筛选试验）： 试样作为阳极，在10%草酸溶液中（室温或特定温度）施加恒定电流密度（通常1A/cm²）进行短时间（1.5-5分钟）电解浸蚀。随后在金相显微镜下观察浸蚀结构类型（台阶状、沟状、混合、游离铁素体），初步判断是否存在敏化和贫铬区（ASTM A262 Practice A）。
* 电化学动电位再活化（EPR）法： 应用精密电化学工作站，在特定活化-钝化-再活化电位扫描过程中测量再活化电流峰值或再活化率。该值直接反映材料晶界贫铬区的活性程度，可量化敏化度，具有灵敏度高、无损（试样无需破坏）的优点（ASTM G108）。

2. 金相显微镜检查（直接观察与验证）
无论采用何种加速试验方法，最终判定晶间腐蚀是否发生及其严重程度，金相显微镜检查是必不可少的关键步骤。
* 将待检区域（如加速试验后的试样弯曲部位、怀疑发生腐蚀的实际构件取样）切割、镶嵌、研磨、抛光至镜面。
* 使用特定的腐蚀剂（如针对不锈钢的10%草酸电解浸蚀液或混合酸溶液）对抛光面进行浸蚀，以清晰显示晶界。
* 在光学显微镜（通常100x - 500x）或扫描电子显微镜（SEM）下观察。晶间腐蚀表现为沿晶界发展的连续或断续的沟壑状、网状裂纹，晶粒可能脱落形成凹坑。通过图像分析可量化裂纹深度、长度密度等参数。

3. 现场无损检测（NDT）初步筛查
对于在役设备或难以取样的构件，某些无损检测方法可辅助发现晶间腐蚀迹象：
* 渗透检测（PT）： 可发现已延伸到表面的晶间裂纹。但无法检测完全封闭在内部的晶间腐蚀损伤。
* 超声波检测（UT）： 特定工艺（如聚焦探头、爬波）或经验丰富的检验人员有时可通过声波在晶间腐蚀区域的异常衰减或反射模式变化来识别严重损伤区域，但灵敏度和可靠性通常不如针对体积型缺陷的检测。

重要补充说明

• 标准是核心依据： 进行晶间腐蚀检测（特别是实验室加速试验）必须严格遵循相关行业或国际/国家标准（如ASTM, ISO, NACE, GB/T等），确保试验条件（溶液配方、浓度、温度、时间、试样制备）、操作过程和结果判定的规范性和一致性。
• 方法选择需谨慎： 不同材料（奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢、镍基合金、铝合金等）适用的检测方法和判定标准差异很大。必须依据被测材料的类型和应用环境选择最恰当的方法。
• 结果解读要专业： 加速试验结果反映的是在特定严苛腐蚀条件下的相对敏感性，需结合材料实际服役环境评估风险。金相观察结果的解读需要专业知识和经验。
• 防护重于检测： 预防晶间腐蚀的根本在于材料选择（如选用低碳L级、稳定化Ti/Nb级不锈钢）、优化制造工艺（控制焊接参数及热输入、快速冷却避开敏化区间、必要时固溶处理）、考虑使用环境（避免接触特定强氧化性介质）。检测主要用于材料验收、工艺评定和失效分析。

正确理解晶间腐蚀机制，合理选择和规范执行检测方法，并准确解读结果，是保障关键设备和结构在苛刻服役环境下长期安全可靠运行不可或缺的技术环节。