水箱内胆渗漏失效分析

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      现提供太阳能热水器水箱内胆截取样一件，材质为304不锈钢。据反映，该水箱内胆制造工艺为：滚圆-焊接-接头焊接，正常使用时，内胆水压约为4～6kgf，水温最高为95℃。该批内胆使用约1～2年后陆续发现内胆渗漏，失效比例约为5%，现要求分析其渗漏原因。图1所示为试样外表面宏观形貌，红圈处为渗漏部位，可见外表面存在明显锈蚀，左侧焊接部位锈蚀较严重，右侧未焊接部位存在点状锈蚀，且点蚀聚集处与渗漏部位吻合。图2所示为内表面宏观形貌，存在轻微点状锈蚀，且点蚀聚集处（图中红圈所示）与渗漏部位基本一致。

      截取红框所示区域进行能谱分析，低倍形貌如图3所示，可见表面存在明显的腐蚀产物。为便于进一步分析，将表面分为3个区域，其中A、B两区为腐蚀区域，C区为完好区域。

      图4、图5所示分别为A、B两区能谱分析结果，腐蚀产物均含有大量的O元素及微量的S、Cl元素。

      图6所示为C区能谱分析结果，除基体元素外，含有少量的O元素。

      将截取试样进行金相制样，观察纵向金相组织，图7所示为纵截面抛光态形貌，可见存在数条长短不一的裂纹缺陷。裂纹形态如图8~图11所示，可见裂纹是从水箱内胆的外壁向内壁扩展，裂纹的扩展途径主要以穿晶扩展为主，并存在大量分支裂纹。外壁裂纹源区有局部点蚀凹坑（如图中箭头所示），裂纹从凹坑底部开始扩展。

      图11所示为截取试样外壁形貌，可见明显的点蚀凹坑，深度约为0.03mm。

      图12所示为截取试样金相组织，为奥氏体组织，无异常。

      对截取试样纵截面进行维氏硬度检测，结果如表1所示，无异常。

     对试样取样进行拉伸试验，结果如表2所示，无异常。

      采用直读光谱仪对截取试样进行化学成分分析，结果如表3所示，符合“ASTM A276-2013a”标准中关于304不锈钢的规定。

      试样芯部金相组织、化学成分、硬度试验等均未发现异常。试样外表面存在明显的点状腐蚀，经能谱扫描，腐蚀产物除基体元素外存在大量的O元素及微量的S、Cl等腐蚀性元素。试样纵向金相组织可见明显的裂纹缺陷，裂纹扩展方式主要以穿晶为主，并存在大量分支裂纹，裂纹形态呈树枝状分布，裂纹扩展方向与外壁所受拉应力方向垂直，由此可以判断裂纹类型为应力腐蚀裂纹。

      应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。通常认为应力腐蚀的机理与材料表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏有关，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极，由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹。应力腐蚀不仅与构件应力状态有关，与腐蚀介质也密切相关，例如，含氯离子的介质是奥氏体不锈钢应力腐蚀的敏感介质，且当介质中含有氯离子和溶解氧时，氧起着关键作用，当氧元素达到一定含量时，即使微量的氯离子也会引起不锈钢应力腐蚀破裂。有研究表明，对于304不锈钢而言，当溶解氧含量趋近于零时，即使氯离子含量达到1000ppm，应力腐蚀也不会发生，但当溶解氧含量达到0.15ppm时， 0.01ppm的氯离子就会引起应力腐蚀。通常奥氏体不锈钢在Cl离子介质中以穿晶扩展为主。水箱内胆外壁腐蚀产物存在大量的O元素及微量的Cl元素，说明环境条件存在Cl离子与溶解氧，这构成了形成应力腐蚀的介质条件；同时，产品制造过程中形成的内应力或水箱内的水压作用构成了应力条件。此外，金相组织显示外壁裂纹源区存在明显的点蚀凹坑，应力腐蚀裂纹从凹坑底部开始扩展，引起这一现象的原因为，外壁接触含有Cl离子的腐蚀介质而发生点蚀，腐蚀介质积聚于点蚀坑底部， 导致Cl离子与溶解氧浓度增加，从而萌生应力腐蚀裂纹。

（1）水箱不锈钢内胆渗漏的主要原因是发生应力腐蚀开裂，裂纹由外壁向内壁扩展。

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