高溫純水中304L不銹鋼及鎳基600合金與82/182合金異材銲件之應力腐蝕龜裂行為研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

高溫純水中 304L 不銹鋼及鎳基 600 合金與 82/182 合金異 材銲件之應力腐蝕 裂行為研究(3/3)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 98-NU-E-007-016-

執 行 期 間 ： 98 年 01 月 01 日至 99 年 03 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立清華大學工程與系統科學系

計 畫 主 持 人 ： 葉宗洸

計畫參與人員： 學士級-專任助理人員：楊邰妮

碩士班研究生-兼任助理人員：黃冠儒 博士後研究：王美雅

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 99 年 06 月 29 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□期中進度報告

高溫純水中 304L 不銹鋼及鎳基 600 合金與 82/182 合金 異材銲件之應力腐蝕龜裂行為研究(3/3)

計畫類別：▇ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 98－NU－007－016

執行期間： 96 年 01 月 01 日至 98 年 12 月 31 日

計畫主持人：葉宗洸

計畫參與人員：王美雅、黃冠儒

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ▇完整 報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究 計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公

開查詢

執行單位：國立清華大學原子科學技術發展中心

第一章 計畫緣起與目的

隨著輕水式反應器（Light Water Reactor, LWR）運轉時間的增長，反應器組 件材料遭受沿晶應力腐蝕龜裂(Intergranular Stress Corrosion Cracking, IGSCC)的 機率逐漸提高。國內電廠結構組件上銲件所使用沃斯田不銹鋼（304 與 304L）

與 82 合金，亦曾發生類似的 SCC 問題，因此值得在模擬國內核一、二廠水化學 環境中，針對此類銲件進行殘留應力與 SCC 分析研究。

應力腐蝕龜裂為應力與特定環境共同作用所引發的材料破裂現象，而應力腐 蝕發生的必要因素有三：一是足夠的張應力，加上腐蝕的環境與易受影響的高敏 感性材料，三者同時存在才有SCC的產生，欲防制及減緩SCC的發生須從其中任 一項改善做起。本研究主要是探討鎳基合金與沃斯田系不銹鋼異材間的應力腐蝕 龜 裂 行 為 ， 探 討 銲 件 母 材 與 鎳 基 合 金 Alloy 82 銲 道 應 力 腐 蝕 龜 裂 敏 感 性 (Susceptibility)及裂縫生長行為並與304L不銹鋼做結果比較。此類情形出現在反 應器的壓力槽附屬銲組件、爐內組件以及熱交換管。銲件經銲後熱處理(Post-weld Heat Treatment)與珠擊(Shot Peening)表面處理、固溶退火(solution annealing)及表 面研磨(surface polishing)後，分別對於不同前處理防治應力腐蝕劣化效益的測試 評估。使用微硬度分析儀來測量銲件應力分佈與硬度分析；並進行殘留應力測試 分析，了解異材銲接後的內應力變化。不同前處理試樣經由雙環電化學再活化 (Double Loop Electrochemical potentiokinetic reactivation, DL-EPR)法進行敏化程 度測試來做比較。主要實驗是在模擬沸水式反應器中高溫(288 ^oC)、高壓(1200 psi)、水化學環境(溶氧 300 ppb) 的水循環迴路，利用柱狀試樣進行慢應變速率 拉伸實驗(Slow Strain Rate Test, SSRT)。試片拉斷後採用掃描式電子顯微儀 (Scanning Electron Microscope, SEM) 觀 察 銲 件 材 料 的 破 斷 面 ， 估 計 斷 面 的 IGSCC、TGSCC比例，以及不同前處理所得到的各種強度參數、延展性測量、

試樣伸長率與拉伸最大應力值等，來評估銲件經過不同處理後抑制應力腐蝕龜裂 (SCC)的行為與成效。

第二章 實驗設備及步驟 2.1 實驗設計及方法

本實驗研究鎳基合金與沃斯田系不銹鋼異材間的應力腐蝕龜裂行為，探討銲 件母材與鎳基合金 Alloy 82 銲道應力腐蝕龜裂敏感性(Susceptibility)及裂縫生長 行為。銲件經銲後熱處理(Post-weld Heat Treatment)與珠擊(Shot Peening)表面處 理以及固溶熱處理(Solution annealing)後，對於防治應力腐蝕劣化效益的測試評 估。使用微硬度分析儀來測量銲件應力分佈與硬度分析；並進行 transition region 的成分分析，以了解材質間經由銲後處理後的變化；不同前處理試樣經由雙環電

率拉伸實驗(Slow Strain Rate Test, SSRT)。試片拉斷後採用掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 觀 察 銲 件 材 料 的 破 斷 面 ， 估 計 斷 面 的 IGSCC、TGSCC 比例，以及不同前處理所得到的各種強度參數、延展性測量試 樣伸長率與拉伸最大應力值等，來評估銲件經過不同處理後抑制應力腐蝕龜裂 (SCC)的行為與成效。

實驗流程：

(一) 304L 與合金 82 異材銲件之拉伸試樣分別做不同前處理：

1. 銲後熱處理(650 ^oC/24 小時，爐冷)

2. 珠擊加工(金鋼砂/顆粒大小 0.3~0.125 mm，30 psi 衝擊壓力) 3. 銲後熱處理加上珠擊加工

4. 固溶退火處理(1050 ^oC/30 分鐘，空冷半小時後再水冷) 5. 表面研磨處理(800 號磨砂紙研磨)

(二) 304L 拉伸試樣前處理：

1. 熱處理(650 ^oC/24 小時，爐冷)

2. 固溶退火處理(1050 ^oC/30 分鐘，空冷半小時後再水冷)

(三)將不同前處理後的試樣分別在模擬沸水式反應器的溶氧 300 ppb 水化學 環境下，先預長氧化膜十天後，再進行慢應變速率拉伸測試 (SSRT)。

(四) 將不同前處理後的試樣分別進行微硬度分析。

(五) 將不同前處理後的試樣分別進行敏化程度測試。

(六) 經由慢應變速率拉伸測試後的拉斷試樣進行 SEM 分析。

2.2 拉伸試樣製作

本次實驗的拉伸試樣有兩種，其一以 304L 為母材，將銲材合金 82 銲在拉 棒的中心位置，如此設計是為了使異質焊接區剛好位在拉棒測試區，觀察異質焊 接對於裂縫成長的影響；另一種則是 304L 的試棒，用於對照比較實驗之結果。

拉伸試樣的製作流程如圖 1 所示，圖 2 為試樣的結構圖符合 ASTM⁽¹⁾規格 G/D=

18/4.5 =4，紅色區為合金 82，藍色區為螺紋。304L 的成分百分比如表 1-1，合金 82 成分百分比如表 1-2。

表 1-1 304L 母材成分百分比

wt% Fe C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Co N

304L 70.0 0.027 0.495 1.51 0.0490 0.0050 17.9 8.59 0.545 0.281 0.0288 11.950

表 1-2 合金 82 焊材成分百分比

wt% Ni Mn Cr Nb Co Ta Fe C S Cu Si Ti P

Alloy 74.3 2.15 19.0 2.32 0.0717 0.0185 1.9 0.1 0.015 0.5 0.5 0.75 0.03

Step 1：尚未經過機械加工的板 狀塊材 304L，先在紅線區做切 除，得到 長 250 mm 寬 200 mm 高 15 mm 的長方板

Step 2：將剩餘的長方板塊中間位置切 出上下對稱的 V 型凹巢，在凹巢中焊上 合金 82 並且填滿，在厚度 15 mm 中間 位置進行對稱切割，並且將寬 200 mm 切成 25 小塊，使得每一小塊的寬為 8 mm

Step 3：得到 50 根 長 250 mm 寬 8 mm 高 7.5 mm 的長方棒

Step 4：將 50 根長方棒進行機械加 工，得到如圖所示的圓柱棒，中間 直徑 4.5 mm、外側直徑 6.5 mm，紅 色區為銲材合金 82

(a) (b)

圖 2 SSRT 拉伸試樣。(a) 304L 與 82 合金異材銲件；(b) 304L

2.3 試樣銲後熱處理、珠擊加工、固溶熱退火、表面研磨

對兩種不同試樣，處理的條件皆相同。銲後熱處理的主要目的是在於消除拉 伸試樣經由冷加工製作後所造成的殘留內應力。熱處理條件是在真空中，高溫 650⁰C 持續 24 小時後爐冷。珠擊加工主要目的在於能增加金屬材料的疲勞壽命 並且預防應力腐蝕，利用細小粒狀研磨材，以高速重複噴擊在金屬表面，產生壓 縮殘留應力。本試樣的珠擊條件是利用金鋼砂顆粒撞擊，顆粒直徑大小為 0.3 到 0.125 mm，壓力則是 30 psi，均勻噴至試樣表面噴。固溶退火熱處理的條件則是 在 1050⁰C 高溫爐中加熱半小時後，經由空冷半小時再水冷淬火。表面研磨主要 是利用 800 號磨砂紙將試樣表面各處研磨均勻。

2.4 試樣敏化測試

敏化熱處理後之試片為了評估其敏化程度(Degree of sensitization, DOS)，採 用雙環電化學再活化法 ⁽²⁾進行敏化測試。

DLEPR⁽²⁾是一種非破壞性電化學測試，其主要原理在於，將已鈍化的試片往 活性區作電位掃描使其再活化，通過試片表面的電流會與敏化程度有關，因此藉 由測定再活化電量，我們便可以量化敏化程度，此法的優點是對試片表面處理的 要求不高，只要溶液組成、溫度和掃描速率控制得當，實驗具有很好的再現性。

而其量化指標為陽極正向掃描的最大電流密度值（ia）與逆向掃描的最大電流密 度值（ir）的比值，如果試片敏化越嚴重，ir 越大，則測試得到的再活化比值也 越大。但是如果試片屬於重度敏化（Ir / Ia > 0.07）的話，則 EPR 測試的量化指標 會達到飽和，而失去了鑑別性。表 3 說明敏化程度與顯微結構的關係。

敏化程度以下式所表示：

DOS（%）＝ 100 % × Ia Ir

表 3 敏化程度與顯微結構的變化⁽²⁾ 敏 化 程 度

結 構 的 變 化 Ir : Ia

無沿晶腐蝕 0~0.001

部份晶粒周圍腐蝕 0.002~0.07

晶粒周圍完全腐蝕 >0.071

2.5 試樣預長氧化膜

在做慢速拉伸測試之前，為了模擬 BWR 中已使用多年的組件材料表面氧化 膜狀態，試片必須先進行預長氧化膜處理。將試片置於高壓釜中，連接高溫高壓 水循環系統，水溫及壓力維持在 288 °C、1200psi，流速為 35~40 ml/min，水質 導電度為 0.06μS/cm，並分別控制在 300 ppb [O2]dis水化學狀態下，進行十天預長 氧化膜處理。

2.6 慢應變速率拉伸測試

本實驗室架設出一套模擬 BWR 爐心高溫高壓的水循環系統，可分別針對壓 力與溫度做調控，並可控制溶氧與溶氫，達到實驗所需的水化學環境，配合 SSRT 拉伸試驗機台(圖 3 為 SSRT 示意圖)，在模擬 BWR 的爐心環境中進行 SSRT 拉伸 試驗，以下為此水循環系統與慢應變速率拉伸試驗的設計的介紹，如圖 4。

2.7 實驗設備

2.7.1 高溫高壓水循環系統

實驗室的水循環系統管路是以 316 不銹鋼的拋光管和相同材質的高壓閥件 所組成的，耐壓程度可達 2000 psi 以上。密封不銹鋼儲水桶內容量約 14 公升左 右，此處流出的水分成兩條迴路，一作為流入高壓幫浦(High Pressure Pump)，旁 有穩壓器(Damper)和安全閥(Safety Valve)，接著在熱交換管(Heat Exchanger)先行 預熱後進入高壓釜，試片就在此進行慢應變速率拉伸試驗；回程水同樣經過熱交 換管使水溫下降，接著是壓力計(Pressure Gauge)再經調壓閥(Pressure Regulator) 後恢復到常溫常壓，最後經過淨水樹脂(Deionizer)過濾後回到儲水桶。另一路線 的最用為單純的水質監控，在此迴路是利用一低壓高流速的小型幫浦在常溫常壓 下循環，經過一些水質監測儀器了解入口的水質環境，最後也是相同的經過淨水 樹脂過濾後回到儲水桶。

圖 4 實驗流程圖 2.8 試樣拉斷後分析與微硬度分析⁽⁴⁾⁽⁵⁾以及殘留應力分析 2.8.1 SEM 表面顯微結構與 EDX 成份分析

為了對試樣表面做進一步觀察分析，我們以場發射掃描式電子顯微鏡觀察試 樣表面的顯微結構以及氧化物的顆粒大小，並搭配能量散佈 X 光分析儀（Energy Dispersive X-Ray Spectrometer, EDX）進行成分分析，觀察實驗前後表面氧化膜 型態的改變。所使用的 SEM 為日本 JEOL 型號 JSM-6330F。

2.8.2 微硬度分析⁽⁶⁾

304L SS-Alloy 82 拉伸試樣經由不同前處理，第一種是未經由處理的拉伸 圓柱棒，第二種是經由熱處理24小時650⁰C並且爐冷，第三種是經由珠擊法處理

SSRT 機台：

聯宙科技股份有限公司出產 Conductivity sensor：

Thermo orion 2002CD Oxygen sesor：

Orbisphere laboratories model 3600/111.E

Hydrogen sensor：

Orbisphere laboratories model 3600/211.

時650⁰C並且爐冷再由珠擊法處理(使用顆粒為金剛砂0.3~0.125mm，噴砂壓力為 30psi)。微硬度分析主要是評估四種前處理過程的表面微硬度差異，判斷何種前 處理可以提升試樣表面硬度。本實驗所做的微硬度分析是根據Vickers hardness文 獻⁽⁶⁾，使用的公式﹕HV=1854.4×P/d²；P(gf)為負荷壓力，d(μm)為硬度針撞擊至 試片表面的四角形對角線長度，本次使用的P=300gf，5秒。

第三章 結果與討論 3.1 304L 與合金 82 異材銲件之慢應變速率拉伸測試

SSRT 的測試材料為 304L 不銹鋼與合金 82 異質銲接圓柱狀拉伸棒，而實驗 的環境主要是在 1200psi、280⁰C 下，可模擬沸水式反應器(BWR)的條件。每次 實驗的條件總整理如表 4。

拉伸實驗的應力應變請見圖 6 (a)-(l)，在 3.2 節進行分組討論與比較。

表 4 實驗條件總整理

拉伸試樣 試樣拉伸前處理 拉伸應變速率 溶氧, 溫度

C 無 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C D 銲後熱處理 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C E 珠擊處理 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C

F 銲後熱處理+珠擊

處理

5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C G 固溶退火處理 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C H 表面研磨處理 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C I 無 9.23×10-8 1/s 300ppb, 2800C J 無 9.23×10-7 1/s 300ppb, 2800C K 銲後熱處理 9.23×10-7 1/s 2ppm, 2800C L 珠擊處理 9.23×10-7 1/s 300ppb, 2800C M 固溶退火處理 9.23×10-7 1/s 300ppb, 2800C N 表面研磨處理 9.23×10-7 1/s 300ppb, 2800C

圖 6(a) C 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(b) D 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(c) E 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

C 的實驗條件

前處理 無

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

D 的實驗條件

前處理 銲後熱處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

E 的實驗條件

前處理 珠擊處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

圖 6(d) F 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(e) G 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(f) H 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

F 的實驗條件

前處理 銲後熱處理

+ 珠擊處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

G 的實驗條件

前處理 固溶退火處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

H 的實驗條件

前處理 表面研磨處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

圖 6(g) I 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(h) J 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(i) K 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

I 的實驗條件

前處理 無

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 9.23×10-8 1/s

J 的實驗條件

前處理 無

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 9.23×10-7 1/s

K 的實驗條件

前處理 銲後熱處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 2 ppm

應變速率 9.23×10-7 1/s

圖 6(j) L 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(k) M 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

圖 6(l) N 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

L 的實驗條件

前處理 珠擊處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 9.23×10-7 1/s

M 的實驗條件

前處理 固溶熱處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 9.23×10-7 1/s

N 的實驗條件

前處理 表面研磨

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 9.23×10-7 1/s

3. 2 304L SS-Alloy82 拉伸結果之比較與討論

3.2.1 304L SS-Alloy82 不同前處理的拉伸結果之比較

C、D、E、F、G、H 這六組實驗的差異在於前處理，C 是沒經過前處理、D 經由銲後熱處理、E 經由珠擊處理、F 先由銲後熱處理再經珠擊處理、H 經由表 面研磨處理，其拉伸應變速率都是固定在 5.5×10^-7 1/s。圖 7 為六組應力應變圖之 比較，表 5 為六組結果數據比較。從結果可看出 D(銲後熱處理)的延展性最差、

強度也是最低、TGSCC 比例最高，G(固溶退火處理)的延展性是最佳、TGSCC 比例最低，E(珠擊處理)的強度是最好。而六組實驗結果在試樣斷面都未發現 IGSCC。比較 D(銲後熱處理)與 F(銲後熱處理加珠擊處理)這兩組，可以明顯看出 珠擊處理提升強度與延展性。這六組試樣的頸縮斷裂位置都在 304L 母材上的熱 影響區。

圖 7 六種不同前處理之應力應變圖比較 表 5 六種不同前處理之結果數據比較

C D E F G H

降伏強度(MPa) 268 216 289 260 168 234 抗拉強度(MPa) 457 383 470 436 441 467 斷裂強度(MPa) 291 281 319 309 281 328 應變量 0.368 0.321 0.372 0.350 0.489 0.364 試樣拉伸長度(mm) 6.626 5.79 6.71 6.310 8.815 6.567 斷裂面積縮減率(%) 71 82 79 80 73 79

斷面 Ductile(%) 31 12 36 22 49 39 斷面 TGSCC(%) 69 88 64 78 51 61

斷面 IGSCC(%) 0 0 0 0 0 0

從 SEM 圖分析，圖 9 可以看到 D 實驗之側表面有明顯的二次裂縫與 IGSCC，

由於 D 實驗的銲後熱處理 650⁰C/24hrs 條件所造成，原本是希望能消除銲接產生 的殘留內應力卻反而造成敏化程度更嚴重，由於 IGSCC 的出現使得 D 的伸長量 為六組中的最低，另外也證實銲後熱處理在 650⁰C/24hrs 這個條件下不適用。F 雖然有先經 650⁰C/24hrs 銲後熱處理，從圖 11 觀察 F 之 SEM 圖並未看到明顯的 IGSCC，可能是因為後來經由珠擊處理施加壓縮應力使其較不易應力腐蝕。其他 組實驗沒有太明顯的 IGSCC，圖 8 (f)觀察到 C 實驗側面有較明顯的二次裂縫，

大部分的破裂型態就是延性破裂集中在斷面圓中心，而 TGSCC 則是在外圓周。

圖 12 為 G 實驗固溶退火處理之 SEM 也沒看到 IGSCC，這顯示 1050 ⁰C/30 mins 適用於 304L 與合金 82 異質銲接，能在高溫中溶解 Cr23C6並且將試樣伸長量提 升。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 8 C 未經處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右上方﹔(c)斷面上方﹔(d)斷面左 方、(e)試樣側面﹔(f)側面之二次裂縫放大

(a) (b)

(c) (d)

(d) (f)

圖 9 D 銲後熱處理之 SEM 圖(a)、(c)試樣的側面之二次裂縫；(b)、(d)分別為(a)、

(c)紅圈中的放大；(e)試樣的斷面﹔(f)為(e)中紅圈之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 10 E 珠擊處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右下方﹔(c)斷面左邊，(d)斷面 左下方﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面起始裂縫之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 11 F 銲後熱處理與珠擊處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面下方﹔(c)斷面左 方﹔(d)顯示(c)之放大﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面二次裂縫

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 12G 固溶退火處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面下方﹔(c)斷面左方﹔(d)顯 示(c)之放大﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 13 H 表面研磨處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右下方﹔(c)斷面左下方﹔

(d)顯示(c)之放大﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面二次裂縫放大

J、K、L、M、N 這幾組分別為 C、D、E、G、H 做再現性實驗，五組實 驗差異也是前處理，J 未經前處理、K 經銲後熱處理、L 經珠擊處理、M 經退火

延展性最差、斷面 TGSCC 比例最高，L(珠擊處理)的強度最強，N(表面研磨處理) 在此與 J(未經處理)沒有明顯的差異性。這五組試樣的頸縮斷裂位置都在 304L 母 材上的熱影響區。從圖 15-19 這五組之 SEM 圖，並沒有看到明顯的 IGSCC，大 多是以延性破裂與 TGSCC 為主。K 為 D 之再現性，K 的水化學溶氧量為 2 ppm 高於 D 的 300 ppb 溶氧，但圖 16 卻沒出現 IGSCC，判斷可能是因為拉伸速率的 差異所導致。綜合五組再現性實驗，304L 與合金 82 異質金屬銲接的抗腐蝕性良 好。未來還會實驗 304 不銹鋼有經過 650 ⁰C/24hrs 銲後熱處理在相同環境下拉 伸，判斷是否因為拉伸機臺導致不易出現 IGSCC，若出現了很多的 IGSCC 則證 明了本實驗的 304L 與合金異質銲接金屬的抗腐蝕性良好。

圖 14 五種不同前處理之應力應變圖比較 表 6 不同前處理之結果數據比較

J K L M N

降伏強度(MPa) 256 224 271 176 252 抗拉強度(MPa) 485 447 493 464 473 斷裂強度(MPa) 321 332 326 284 312 應變量 0.371 0.333 0.375 0.491 0.367 試樣拉伸長度(mm) 6.678 6.01 6.747 8.85 6.567 斷裂面積縮減率 (%) 81 71 79 73 79

斷面 Ductile(%) 29 20 22 55 35 斷面 TGSCC(%) 71 80 78 45 65

斷面 IGSCC(%) 0 0 0 0 0

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 15 J 未經處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右方﹔(c)斷面下方﹔(d)顯示 (c)之放大﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣主裂縫之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 16 K 銲後熱處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面中下方之放大﹔(c)斷面左 方﹔(d)左下方之放大﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 17 L 珠擊處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右下方﹔(c)斷面下方﹔(d)斷面 左下方﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 18 M 固溶退火處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右方﹔(c)斷面上方﹔(d)斷 面下方﹔(e)試樣側面﹔(f)試樣側面之放大

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 19 N 表面研磨之 SEM 圖(a)試樣側面﹔(b)側面放大﹔(c)側面裂縫﹔(d)側面裂 縫﹔(e)試樣斷面﹔(f)斷面之放大

3.2.2 不同前處理之再現性

圖 20 為再現性之比較。圖 20 (b)的差異性較大，可能是因為水化學的差異 性(D 為 300ppb 溶氧、K 為 2ppm 溶氧)加上應變速率的差異所導致。而圖 20 (a)、

(c)、(d)、(e)都顯示有再現性。

(a) (b)

(c) (d)

(e)

圖 20 再現性之應力應變比較圖(a)未經處理(b)銲後熱處理(c)珠擊處理(d)固溶退 火(e)表面研磨處理

3.3 304L 之慢應變速率拉伸測試

實驗的環境與異材銲件相同，皆是在 1200psi、280⁰C 下，可模擬沸水式反 應器(BWR)的條件。實驗條件整理於表 7。

表 7 實驗條件總整理

拉伸試樣 試樣拉伸前處理 拉伸應變速率 溶氧, 溫度

O 無 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C P 熱處理 5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C

Q 固溶退火處理

(空冷)

5.5×10-7 1/s 300ppb, 2800C

304L 試樣拉伸實驗的應力應變圖依序如下示出，在 3.4 節進行分組討論與 比較，3.4.1 節比較不同前處理得到的結果。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 100 200 300 400 500

Stress (MPa)

Strain yield stress = 194 MPa

tensile stress = 467 MPa

fracutre stress = 373 MPa strain = 0.432

圖 21(a) O 實驗的 SSRT 結果應力應變圖

P 的實驗條件

前處理 熱敏化處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率

O 的實驗條件

前處理 無

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

圖 21(c) Q 實驗的 SSRT 結果應力應變圖 3. 4 304L SS 拉伸結果之比較與討論

3.4.1 304L SS 不同前處理的拉伸結果之比較

O、P、Q 為 304L 的試樣，O 是沒經過前處理、P 經由熱敏化處理、Q 經由固溶退火處理(目前做到空冷，後續會做水淬)其拉伸應變速率都是固定在 5.5×10^-7 1/s。圖 22 為試樣的應力應變圖之比較，表 8 為結果數據比較。從結果 可看出經熱處理與固溶退火處理(空冷)的試樣，其延展性皆增加了。銲後熱處理 會導致異材銲接試樣的 TGSCC 比例增加，但對 304L 不銹鋼基材卻有減緩的效 果，而兩種前處理的斷面 TGSCC 比例也較未處理的試樣為低，證實此兩種處理 方式對 304L 材料而言，能減緩試樣的腐蝕速率。304L 和異質銲接的結果做比較 可以得知 304L 具有較好的延展性與抗腐蝕性。圖 23-25 為 304L 拉斷試樣之 SEM 圖，都沒有發現 IGSCC，大多是以延性破裂與 TGSCC 為主，從 P(熱敏化處理) 與 Q(固溶退火處理)的 SEM 中，可看到比 O 多的延性破裂。

Q 的實驗條件

前處理 固溶退火處理

溫度 280 ⁰C

壓力 1200 psi

溶氧 300 ppb

應變速率 5.5×10-7 1/s

表 8 不同前處理之結果數據比較

O P Q

降伏強度(MPa) 194 183 173

抗拉強度(MPa) 467 443 464

斷裂強度(MPa) 373 318 317

應變量 0.432 0.519 0.546

試樣拉伸長度(mm) 7.9 9.5 10.0

斷裂面積縮減率(%) 79 62 74

斷面 Ductile(%) 42 50 57

斷面 TGSCC(%) 58 50 43

斷面 IGSCC(%) 0 0 0

(a) (b)

(c) (d)

圖 23 O 未經處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面左上方﹔(c)試樣側面﹔(d)側面 放大圖。

(a) (b)

(c) (d)

圖 24 P 熱敏化處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面左上方﹔(c)試樣側面﹔(d)側 面放大圖。

(a) (b)

(e) (f)

圖 25 Q 固溶退火處理之 SEM 圖(a)試樣斷面﹔(b)斷面右上方﹔(c) 斷面下方﹔

(d)試樣側面；(e) 側面放大圖。

3.5 敏化程度測試(DL-EPR)

DL-EPR 評估 SSRT 試樣 C(未處理)、D(銲後熱處理)、E(珠擊處理)、F(銲後熱 加珠擊)、G(固溶退火)、H(表面研磨) 、O(未處理)、P(熱敏化處理)、Q(固溶退 火空冷處理)的敏化程度，以確認試樣是否達到沿晶應力腐蝕的機制。本實驗利 用雙環電化學再活化法(DL-EPR)來求得不同前處理後試片的敏化程度，試樣測 試時浸泡在 0.5 M H2SO4 + 0.01 M KSCN 的除氧測試溶液中，溫度維持在 30 ± 1

°C，掃瞄速率為 1.67 mV/s，由-0.5 V 向+ 0.3 V 進行活性掃瞄，再返向- 0.5 V 進行在活化掃瞄。測試結果如圖 26 與圖 27 所示。根據文獻表 10，當 DOS 大 於 0.071 則表示有 IGSCC 的出現。從表 9 綜合比較得知，對於 304L SS-Alloy82 試樣，珠擊處理與固溶退火處理的敏化程度偏低，經過銲後熱處理的試樣則是 有敏化現象；試樣經熱敏化處理後再施以珠擊處理的敏化程度稍有降低，證實 珠擊處理有抑制敏化之功效。

對於 304L SS 試樣，未處理試樣本身的敏化程度就不嚴重，根據表 10，是 屬於沒有 IGSCC 的結構分類，和圖 23 的 SEM 的圖片相對照，此結果是一致的。

經熱敏化處理的試樣，敏化程度有明顯上升；而固溶退火處理，和 304L SS-Alloy 82 得到的結果一樣，敏化程度偏低。

表 9 不同前處理試樣之敏化程度

304L SS-Alloy 82 304L SS 未處理 0.0026 0.00018 熱敏化處理 0.082 0.0603

DOS Treatment

表 10 敏化程度與顯微結構的變化⁽²⁾ 結 構 的 變 化

敏 化 程 度 Ir : Ia No intergranular corrosion 0~0.001 Corrosion partially surrounding grains 0.002~0.07 Grains completely surrounded by corrosion >0.071

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖 26 304L SS-Alloy 82 試樣之 DL-EPR 結果(a)C 未經處理(b)D 銲後熱處理(c)珠 擊處理(d)F 銲後熱處理加珠擊處理(e)G 固溶退火處理(f)H 表面研磨處理

(a) (b)

(c)

圖 27 304L SS 試樣之 DL-EPR 結果 (a) O 未經處理，(b) P 熱處理，(c) Q 固溶 退火處理。

3.6 微硬度分析比較

微硬度分析對於304L SS-Alloy 82試樣的未經處理、銲後熱處理、珠擊處理、

銲後熱處理加珠擊處理四種條件做比較，使用的公式﹕HV=1854.4×P/d²，本實驗 用的P=300gf，5秒。分析位置為SSRT試樣gauge，結果如圖28與表11，可看出有 經過珠擊處理確實都能提升表面微硬度，即使先前有熱處理的試樣經由珠擊處理 也都能明顯提升。硬度最強的部份集中在靠近合金82的熔接線上，硬度最弱也是 慢速拉伸斷裂位置是在304L母材上的熱影響區。經銲後熱處理加珠擊的硬度分 布最為均勻。

表 11 304L SS-Alloy 82 試樣前處理之微硬度分析比較結果數據 hardness without Post weld

heat

Shot peening Post + shot

Max(hv) 303.86 306 382.42 337.88

圖 28 304L SS-Alloy 82 試樣前處理之微硬度分析比較

第六章 結論

根據 SSRT 實驗得知，82 合金與 304 低碳不銹鋼之異材銲件不太容易出現 IGSCC，判斷是材料的含碳量較少所導致，其他實驗請見文獻^[7]。銲後熱處理 (650 ℃/24 hrs)沒有明顯的抑制 SCC 效果，反而降低試樣強度與延展性。珠擊處 理(金鋼砂顆粒/顆粒大小 0.3 到 0.125 mm，衝擊壓力 30 psi)小幅度提升試樣強 度。固溶退火處理(1050 ℃/30 mins)有效提升試樣的延展性。表面研磨(800 號研 磨紙)沒有明顯的效果，判斷是此條件研磨深度不足所導致。而所有 SSRT 實驗 試樣的頸縮斷裂位置都在 304L 母材的熱影響區。

根據 DL-EPR 敏化程度實驗得知，而經由銲後熱處的則是敏化程度較高。而 304L SS 試樣的固溶退火處理的敏化程比較 SSRT 的實驗結果，敏化程度最高的 前處理其拉伸強度與延展性為最差，敏化程度較低的前處理其拉伸強度較佳、延 展性較好。

相對應的 304L SS 試樣實驗，由結果得知，試樣的強度與延展性都較高。敏 化程度和 304L SS-Alloy 82 試樣相比較低，但固溶退火處理的前處理方式，在兩 種試樣上都得到很好的降低敏化程度的效果。與銲材實驗時不同的是，由延展性 的增加與 TGSCC 比例的減少可判斷熱敏化處理對 304L SS 試樣而言，反而降低 了其對 SCC 的敏感性。雖然目前 304L 的固溶退火處理只做到空冷，但可從拉 伸結果看出其對斷面 TGSCC 比例的減少與延展性的增加是有效的，後續的水淬 實驗結果應可使本實驗更完備。

根據微硬度分析結果得知，珠擊處理明顯提升表面硬度。而試樣硬度最強的 位置在於 82 合金附近的熔接線上，硬度最弱的位置在於 304L 的熱影響區也是 拉伸試樣頸縮斷裂位置。

綜合比較 SSRT 測試、敏化程度測試以及微硬度測試，實驗的結果都具有一 致性。未來工作建議可以嘗試改善珠擊條件，或是利用加氫水化學與本研究不同 前處理的實驗做比較。

參考文獻 (1) ASTM E8M-04

(2) A.P. Majidi, M.A. Streicher, Corrosion 40 (1984): p. 584.

(3) D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion , 2^nd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, (1996).

(4) R. E. Reed-Hill, R. Abbaschian, “Physical Metallurgy Principles ”third edition . (5) 汪建民,“材料分析,”中國材料科學學會

(6) ASTM E384—07

(7) 黃冠儒，國立清華大學工程與系統科學系碩士論文，高溫純水中 82 合金與 304 低碳不銹鋼異材銲件之應力腐蝕研究，2008 年。

ACKNOWLEDGMENTS:

感謝核能研究所燃材組郭榮卿博士與黃俊源博士在實驗設備及技術上的支 援與協助。