316L不锈钢在高温高压水中沿晶应力腐蚀开裂裂尖钝化膜的微纳米尺度行为研究

The behaviors of intergranular grain stress corrosion cracks tip passivation film of 316L stainless steel in nuclear power high temperature and pressure water medium will be studied on the micro-nano scale based on the previous work. The SKPFM, SVET, LEIS etc.localized measuring methods will be used to establish the relation between the difference of chemical compositions and grain boundary structure of stainless steel on the micro-nano scale and the localized electrochemical behaviors. The load modes of the three point bending, constant load, and slow strain rate will employed with SEM and localized electrochemical technique to investigate the structure and the electrochemical behaviors of intergranular grain stress corrision cracks tip passivation film. The rason of the intergranular grain corrosion cracks initiation will be revealed on the mico-nano scale. The result will be comparison with that of the macroscale electrochemical and it may become possible to identify characteristic signal parameters in macroscopic noise signals which can be correlated with the onset of SCC. The grain boundaries characteristics of 316L stainless steel will be investigated before and after SCC experiments by SEM, TEM and EBSD. The synergistic effects of grain boundaries local chemical compositions, localized electrochemical behaviors, the passivations film characters, the grain boundaries characteristics and the mechanical behaviors of 316L stainless steel during intergranular grain stress corroison crack (IGSCC) can be revealed.

本课题将在前期研究的基础上，开展核电高温高压水环境下316L不锈钢IGSCC裂尖钝化膜行为的微纳米尺度研究。采用SKPFM、SVET、LEIS等微区测试手段建立316L不锈钢晶界微纳米尺度的化学成分和结构的差别与其微区电化学行为之间的关系。采用三点弯、恒载荷和慢拉伸等加载方式，结合SEM和微区电化学研究IGSCC裂尖钝化膜结构、电化学行为演化规律，在微纳米尺度上揭示高温高压水环境下316L不锈钢IGSCC萌生的原因，同时将这个结果与大尺度宏观电化学对比，通过电化学噪声技术关联SCC过程中裂纹的萌生和扩展；采用SEM、TEM、EBSD等对SCC实验后的316L不锈钢合金晶界特征进行研究，揭示IGSCC裂纹的扩展路径，在微纳米尺度上揭示不锈钢IGSCC过程晶界化学成分、微区电化学行为、钝化膜特性、晶界特性、力学行为之间的协同作用的深层次机理。

316L不锈钢由于其具有良好的耐腐蚀行为而作为压水堆核电站一回路设备的主要选材，然而，奥氏体不锈钢对应力腐蚀开裂（SCC）较为敏感，在反应堆工作条件下几乎都发生过SCC问题。本工作以316L不锈钢为研究对象，采用恒载荷加载方式，结合SEM和微区电化学研究IGSCC裂尖钝化膜结构、电化学行为演化规律，在微纳米尺度上揭示高温高压水环境下316L不锈钢IGSCC萌生的原因，同时将这个结果与大尺度宏观电化学对比，研究了裂纹的萌生和扩展；主要得到以下研究结果：.316L不锈钢具有良好组织结构，晶界处分布连续碳化物并且具有良好的碳化物分布结构，且存在有大量的孪晶，，这样的组织可以大大提高耐腐蚀性。织构程度增大，不锈钢非敏感晶界数量增大。316L不锈钢大晶粒的晶界结构具有较多的∑3，并且在{001}出现较高的极密度。而取向差分布图表明小晶粒的晶界结构出现了强织构晶粒分裂已经产生。应力的作用下形变诱发晶粒的旋转和长大现象，导致了其耐腐蚀性下降。.常温条件下温度对316L不锈钢电化学行为的影响的结果研究表明，在硼酸溶液中，316L不锈钢在35℃~85℃温度范围内均能形成钝化膜，而且随温度增加，316L不锈钢的耐腐蚀能力下降。电化学阻抗表明在在0.3V下形成的钝化膜稳定性最好。并且钝化膜表现为P型半导体特征。 .应力作用下316L不锈钢在常温和高温条件下形成的钝化膜相比无应力试样形成的钝化膜更容易发生点蚀。有、无应力的试样在高温下形成的钝化膜稳定性都低于常温下形成的钝化膜。有应力时，316L不锈钢腐蚀电流密度比无应力时大，点蚀电位低。应力对交流阻抗谱特征没有明显影响，表明施加应力并没有改变其腐蚀机理。应力的作用导致316L不锈钢表面钝化膜完整型性和致密性下降。在相同应力条件下，高温情况下的腐蚀情况比常温时更为严重，表明高温时钝化膜稳定性和耐蚀性下降。.微区电化学实验结果表明，316L不锈钢在应力的作用下，裂尖和无应力区的电化学特性存在明显差异。裂尖处比无应力区具有更高的电化学活性；裂尖处具有较低的点蚀电位，较小的电阻以及更高的腐蚀电流密度值，并且在应力的作用下，裂纹尖端处的钝化膜遭到破坏，其耐腐蚀性降低。应力使裂纹尖端与试样之间形成电偶电池，在应力和电偶电池的共同作用下，裂纹尖端处更容易发生阳极溶解，导致该区域腐蚀情况更为严重。