晶间腐蚀：成因、检测与防范策略

腐蚀损伤类型繁多，如均匀腐蚀和点蚀等肉眼可见。但有些腐蚀损伤虽不可见，却严重威胁结构或设备完整性。本文深入剖析一种隐蔽的腐蚀类型——晶间腐蚀（IGC），重点阐述其发生机理、易感材料、典型行业、检测与缓解措施。

什么是晶间腐蚀（IGC）？

晶间腐蚀（IGC），亦称晶间攻击（IGA），是沿晶界或紧邻晶界发生的优先/局部腐蚀，而晶粒主体基本不受影响。虽金属损失极小，IGC仍可导致设备灾难性失效。IGC是合金在腐蚀介质中常见的攻击形式，导致强度和延性丧失。切勿将IGC与应力腐蚀开裂（SCC）混淆。SCC需在腐蚀环境中持续或循环作用应力（残余或外加），产生沿晶界路径的裂纹。

图1. 奥氏体冷轧不锈钢板晶间腐蚀攻击。 来源：Antkyr, CC BY-SA 3.0。

晶间腐蚀（IGC）形成机理

晶界局部腐蚀源于合金元素、第二相析出或孤立合金/杂质元素导致的区域变弱而发生阳极溶解。暴露表面其余部分通常作为阴极，大面积阴极支持阳极溶解过程。阴极/阳极面积比通常大于1，取决于电化学活性相的体积分数与分布、有害合金/杂质元素分布、晶粒尺寸等因素。

腐蚀速率取决于主导腐蚀机制，物种向/从阳极前沿的扩散可控制溶解动力学。IGC的显著特征是攻击深度相对均匀一致。晶界溶解导致晶粒脱落（即“晶粒脱落”），这是IGC暴露后观测到的大部分重量损失的原因，因此腐蚀速率可比均匀腐蚀高几个数量级。

图2. 焊缝热影响区（HAZ）附近发生腐蚀的不锈钢。 来源：NASA腐蚀工程实验室。

易受晶间腐蚀影响的材料

晶间腐蚀攻击主要盛行于某些不锈钢而非碳钢。（相关阅读：《为什么不锈钢耐腐蚀？》）但以下材料也不排除IGC攻击：

• 化工厂用非稳定化奥氏体不锈钢304和316在致敏状态下易受IGC攻击。致敏源于晶界析出铬碳化物，发生在焊缝相邻区域，温度经历500–800°C（932–1472°F）。（详见《热脆性与焊接如何影响金属腐蚀》）
• 镍铜合金（Alloy 400, UNS N04400）在某些氢氟酸和铬酸溶液中易受IGC攻击。
• 镍钼合金（Alloy B, UNS N10001）暴露于热盐酸和硫酸中，因钼富集成分析出而发生IGC攻击。
• 镍铬合金如Alloy 600易受IGC攻击，故不宜用于腐蚀环境服役。
• 铝合金2024和7075因CuAl₂在晶界析出作阴极，加速晶界邻近耗铝区腐蚀而易受IGC攻击。此外，5083和7030铝合金也易受IGC攻击。
• 高纯锌（Zn）不易发生IGC。但锌合金中的铝合金元素或杂质可导致IGC攻击。

奥氏体不锈钢的晶间攻击

奥氏体不锈钢的晶间攻击通常由晶界析出铬碳化物（Cr₂₃C₆）引起，在晶界产生窄的铬耗尽区，此状态称为致敏（图3）。致敏涉及晶界析出铬碳化物，导致晶界处形成窄铬耗尽区。

图3.

铬是赋予不锈钢耐腐蚀性的主要合金元素，铬耗尽区因此易受优先腐蚀攻击。据信这是因为紧邻碳化物处的铬含量可能低于不锈钢合金所需水平。若碳化物在晶界形成连续网络，腐蚀可在晶界产生分离或间隙，导致晶粒脱落或丢失。

检测晶间腐蚀的方法

IGC通常沿晶界发展，肉眼或无损检测技术难以发现。但可在设备制造前通过特定实验室方法测试材料抗IGC能力，如Huey试验（硝酸溶液）、Strauss试验鉴定不锈钢晶间腐蚀敏感性。Streicher试验基于定量重量损失测定也可使用。此外，从失效区取样经金相制样后，在扫描电镜（SEM）下可观察到IGC裂纹。

防范奥氏体镍铬不锈钢IGC攻击的缓解措施

在制造车间或钢厂进行适当的退火和淬火处理，可降低不锈钢和镍基铬合金对IGC的敏感性。处理成功时，溶解的铬碳化物、氮化物、钼碳化物及其前析出形态在淬火过程中保持固溶状态。

铁素体不锈钢（AISI 430、446型）碳扩散速率极大，即使从高温退火快速水淬也无法阻止铬碳化物析出。但这些合金铬扩散速率也高，可通过816°C（1500°F）左右热处理恢复铬碳化物析出周围的铬耗尽区，获得含大量碳化物残留的免疫IGC显微组织。

图4. 管道焊缝热处理防止晶间腐蚀。 来源：Berkut34 | Dreamstime.com

焊接不锈合金时，通过降低碳氮含量可在许多情况下防止铬碳化物和氮化物形成。氩氧脱碳工艺、真空熔炼和消耗电极重熔的引入，极大地防止了AISI 304L、316L、Alloy C-276、C-4和Fe-29%Cr-4%Mo等合金中铬碳化物和氮化物形成。

添加钛（Ti）或铌（Nb）可防止不锈钢中铬碳化物形成。这些元素与碳结合降低其浓度，使焊接、消除应力甚至运行条件下致敏温度范围内不形成铬碳化物。此类稳定化合金包括AISI 321（Ti）、347（Nb）、Alloy 20Cb-3（Nb）、Alloy 625（Nb）和Alloy 825（Ti）。

不同尺寸焊件和焊接技术（如降低热输入）可减轻致敏程度，但难以维持确定控制使其普遍适用。

常受晶间腐蚀影响的行业

凡在适宜条件下（即材料未经适当热处理且含碳量高C>0.03%），由奥氏体不锈钢、镍铜合金、镍钼合金、镍铬合金、铝合金和锌合金制造的任何设备均可能发生IGC。

若制造阶段未采用正确材料和适当热处理，IGC可导致大多数工艺设备灾难性失效。截面厚度损失和裂纹引入对压力容器等应用后果严重。