臺灣博碩士論文加值系統

不銹鋼是一種應用廣及耐腐蝕的金屬材料，但是常用沃斯田鐵系不銹鋼並無法抵抗氯應力腐蝕，一旦發生氯應力腐蝕裂紋將造成重大損失。因氯應力腐蝕主要發生條件包括拉伸殘留應力、敏感性顯微結構及含氯環境。由於銲接或機械加工後所產生的殘留應力較大，所以不銹鋼應力腐蝕裂紋通常發生在銲接或機械加工後。當發生應力腐蝕裂紋後需要進行銲補維修，但應力腐蝕裂紋在維修上相當的困難，通常需先檢查裂紋範圍，再將裂紋剷除，但因應力腐蝕裂紋生長期間較長會生成許多細小裂紋，而這些細小裂紋往往檢查不易，且耗費大量時間，因此容易被遺漏，而這些被遺漏之裂紋在進行銲補維修時，會產生應力集中現象而造成二次開裂，且目前尚未有較適當之銲補維修方法。
本研究針對沃斯田鐵系不銹鋼銲道應力腐蝕裂紋的預防及銲補維修進行研究。本研究第一部份從利用珠擊法消除銲接後試片表面之拉伸殘留應力，再利用X-RAY量測其應力，確認表面應力為壓應力，從而達到預防應力腐蝕裂紋的發生。而針對已經產生的應力腐蝕裂紋，本研究第二部分是利用珠擊法來抑制已經產生開裂但可能被忽略的細小裂紋，使其在銲補時不易產生二次開裂，同時利用控制銲接時的能量輸入的方式降低銲補裂紋發生的機率。本研究第三部分是研究不銹鋼表面鈍化處理對珠擊後孔蝕敏感性的影響。同時珠擊過的試片，表面形成大量的缺陷而導致孔蝕的加速發生，因此將珠擊後的試片施行鈍化處理，改善表面的電化學特性，從而避免珠擊造成大量孔蝕之發生。

Although austenitic stainless steels have been widely used for their superior corrosion resistance, they are prone to chloride stress corrosion cracking (SSC). Since this type of cracking is difficult to detect during operation of facility, catastrophic accidents may occur and result in significant threat in production and safety. Factors affecting stress corrosion cracking in stainless steels include susceptible microstructure (i.e., austenitic stainless steels), chloride-containing environment, tensile stress, and temperature (to a lesser degree). Since welding and machining may result in a high level of tensile residual stress, SCC are commonly found in weldments and machined components. In addition, repair welding of SCC components are difficult because these fine and widely distributed SCC cracks are difficult to be completely detected and removed prior to welding using conventional nondestructive testing (NDT) methods. Consequently, cracking adjacent to the repair welds may reoccur due to thermal stresses during welding. No suitable repair welding technique has been developed to solve this problem yet.
Prevention and repair welding of stress corrosion cracking in austenitic stainless steels are the major objectives of this study. The first part of this study is to use shot peening not only to overcome the tensile residual stress on the weldment surface but also to impose a high degree of compressive residual stress to prevent the occurrence of the SCC. The experiments provided exceptionally successful results.
The second part of this study is to use shot peening to reduce the propagation of pre-existing fine cracks during repair welding. With the combination of proper shot peening, preheat control, and welding procedure, it is possible to prevent the reoccurrence of cracking during repair welding. The third part of this study is to reduce the effect of shot peening on pitting sensitivity of austenitic stainless steels using passivation treatment. The results show that with the proper grinding and nitric acid passivation, the susceptibility of pitting corrosion can be significantly reduced to a satisfactory level.

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口試委員會審定書
誌謝 iii
中文摘要 iv
Abstract v
目錄 vii
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 研究背景與文獻回顧 1
1-1 前言 1
1-2 不銹鋼分類及規範 3
1-2-1 不銹鋼的分類 3
1-2-2 不銹鋼規範 9
1-3 應力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Cracking) 10
1-3-1 應力腐蝕裂紋定義 10
1-3-2 應力腐蝕裂紋發生成因機制 12
1-3-3 破裂型態 16
1-3-4 應力腐蝕裂紋的防制 16
1-4 孔蝕(Pitting) 17
1-4-1 孔蝕的定義 17
1-4-2 孔蝕的發生成因機制 19
1-4-3 孔蝕防制 20
1-5 鈍化處理 22
1-6 殘留應力量測 23
1-7 珠擊加工 25
1-8 文獻回顧 26
1-9 研究目的 27
第二章 研究方法與流程 28
2-1 研究流程 28
2-2 研究設備與材料 29
2-2-1 銲接試片成份 29
2-2-2 銲接設備及銲線成份 30
2-2-3 銑床 31
2-2-4 珠擊設備 32
2-2-5 應力量測設備 33
2-2-6 表面粗糙度量測設備 34
2-2-7 外觀觀察相關設備 35
2-2-8 非破壞檢測相關設備 36
2-3 實驗步驟與參數 38
2-3-1 SMAW實驗步驟 38
2-3-2 GTAW銲接實驗參數 39
2-3-3 表面珠擊參數 39
2-3-4 腐蝕實驗 40
2-3-5 鈍化處理 41
2-3-6 不銹鋼電解拋光處理 41
第三章 結果與討論 42
3-1 珠擊對不銹鋼板件的影響 42
3-1-1 珠擊對組織的影響 42
3-1-2 珠擊對表面粗度的影響 44
3-1-3 珠擊對表面晶格的影響 47
3-2 殘留應力量測 50
3-2-1不同鋼珠對深度方向應力影響研究 50
3-2-2 表面殘留應力量測 53
3-3 應力腐蝕裂紋預防試驗 56
3-3-1 SMAW銲道應力腐蝕裂紋預防實驗 56
3-3-2 GTAW銲道應力腐蝕裂紋預防實驗 61
3-4 應力腐蝕裂紋之銲補維修 66
3-4-1 銲接對應力腐蝕裂紋之影響 66
3-4-2 珠擊法對銲道應力腐蝕裂紋之維修 69
3-4-3 銲接之溫度量測 73
3-4-4 珠擊後銲接對應力腐蝕裂紋影響 75
3-5 珠擊法導致的缺陷 81
3-5-1 珠擊法所引起的加速孔蝕 81
3-5-2 研磨和鈍化處理對孔蝕的改善 84
第四章 結論 102
參考文獻 104
附錄 106

表目錄
表1-1 不銹鋼各族系主要分類表[1] 5
表1-2 各類不銹鋼基本特性[1] 5
表1-3 常見不銹鋼主要性質及用途[1][2] 7
表1-4 應力腐蝕裂紋材料與環境對照表[3] 11
表2-1 AISI 304鋼板主要成分表(wt%)[10] 29
表2-2 AISI 304不銹鋼鋼板規格 29
表2-3 實驗填料化學成份(wt%)[11] 30
表2-4 銑床規格表 32
表2-5 噴砂機規格表 33
表2-6 變韌鐵鋼珠成份表(wt%) 33
表2-7 變韌鐵鋼珠規格 33
表2-8 SMAW銲接參數 38
表2-9 GTAW銲接參數 39
表2-10 表面珠擊使用參數 40
表2-11 應力腐蝕裂紋與孔蝕試驗之腐蝕溶液 40
表2-12 不銹鋼鈍化處理之標準 41
表2-13 不銹鋼電解拋光之標準[13] 41
表3-1 不同珠擊條件下的表面粗糙度 47

圖目錄
圖1-1 不銹鋼之族系[1] 6
圖1-2 不銹鋼敏化現象示意圖[1] 13
圖1-3 吸附誘導破裂模式示意圖[1] 14
圖1-4 滑移氧化膜模式破裂示意圖[1] 15
圖1-5 主要孔蝕型態[4] 17
圖1-6 孔蝕標準[21] 18
圖1-7 孔蝕比值[21] 18
圖1-8 孔蝕成因行為[13] 20
圖1-9 布拉格定律[6] 24
圖2-1 銲接機 30
圖2-2 銑床 31
圖2-3 噴砂機 32
圖2-4 μ-X360應力量測儀 34
圖2-5 表面粗糙度量測儀[12] 35
圖2-6 立體顯微鏡 36
圖2-7 液滲檢測劑 37
圖3-1 珠擊前母材表面組織 (200x) 42
圖3-2 珠擊後母材表面組織 (a)S70 (b)S110 (c)S170 (200x) (續) 44
圖3-3 珠擊前母材表面形貌 (a)原始表面 (b)铣床加工 (50x) 45
圖3-4 珠擊後母材表面形貌 (a)S70 (b)S110 (c)S170 (50x) (續) 47
圖3-5 X-ray量測表面晶格變化 (左)鋼珠S70珠擊後 (右)電解拋光後 48
圖3-6 X-ray量測表面晶格變化 (左)鋼珠S110珠擊後 (右)電解拋光後 49
圖3-7 X-ray量測表面晶格變化 (左)鋼珠S170珠擊後 (右)電解拋光後 49
圖3-8 量測點示意圖(紅點為量測點示意) 50
圖3-9 不同鋼珠對AISI304不銹鋼板珠擊後之壓應力變化 51
圖3-10 不同鋼珠珠擊後深度方向應力變化 52
圖3-12 SMAW銲接板材珠擊前後殘留應力量測結果 54
圖3-13 GTAW銲接板材珠擊前後殘留應力量測結果 55
圖3-14 SMAW應力腐蝕裂紋銲道24小時 56
圖3-15 SMAW銲道應力腐蝕裂紋實驗48小時 57
圖3-16 SMAW銲道應力腐蝕裂紋實驗72小時 57
圖3-17 SMAW銲道應力腐蝕裂紋 (a)24小時 (50x) (b)24小時 (200x) 58
圖3-18 SMAW銲道應力腐蝕裂紋 (a)48小時 (50x) (b)48小時 (200x) 59
圖3-19 SMAW銲道應力腐蝕裂紋 (a)72小時裂紋前端 (50x) (b)72小時裂紋尾端 (50x) 60
圖3-20 GTAW銲道應力腐蝕裂紋實驗24小時 61
圖3-21 GTAW銲道應力腐蝕裂紋實驗48小時 62
圖3-22 GTAW銲道應力腐蝕裂紋實驗72小時 62
圖3-23 GTAW銲道應力腐蝕裂紋實驗 (a)24小時 (50x) (b)24小時 (200x) 63
圖3-24 GTAW銲道應力腐蝕裂紋 (a)48小時 (50x) (b)48小時 (200x) 64
圖3-25 GTAW銲道應力腐蝕裂紋 (a)72小時裂紋前端 (50x) (b)72小時裂紋尾端 (50x) 65
圖3-26 銲道應力腐蝕裂紋實驗12小時 (a)SMAW (b)GTAW 67
圖3-27 銲道應力腐蝕裂紋實驗16小時 (a)SMAW (b)GTAW 68
圖3-28 銲道應力實驗腐蝕裂紋20小時 (a)SMAW (b)GTAW 69
圖3-29 SMAW銲道應力腐蝕實驗48小時裂紋分布狀況 70
圖3-30 GTAW銲道應力腐蝕實驗48小時裂紋分布狀況 71
圖3-31 SMAW銲道應力腐蝕實驗48小時珠擊後裂紋分布狀況 71
圖3-32 GTAW銲道應力腐蝕實驗48小時珠擊後裂紋分布狀況 72
圖3-33 珠擊導致銲道應力腐蝕裂紋被封閉(200x) 72
圖3-34 珠擊後使用SMAW銲接 76
圖3-35 珠擊後使用GTAW銲接 77
圖3-36 分段次銲接示意圖 78
圖3-37 分段次銲接-3cm (a)SMAW (b)GTAW 79
圖3-38 分段次銲接-4cm (a)SMAW (b)GTAW 80
圖3-39 分段次銲接-5cm (a)SMAW (b)GTAW 81
圖3-40 距熔融區5mm處SMAW及GTAW兩種銲接方式溫度變化 73
圖3-41 SMAW三種長度之分段式銲接距熔融區5mm處銲接溫度變化 74
圖3-42 GTAW三種長度之分段式銲接距熔融區5mm處銲接溫度變化 75
圖3-43 使用S70珠子所造成孔蝕現象 82
圖3-44 使用S110珠子所造成孔蝕現象 83
圖3-45 使用S170珠子所造成孔蝕現象 83
圖3-46 鈍化處理前Tafel腐蝕實驗結果 84
圖3-47 鈍化處理24小時後Tafel腐蝕實驗結果 85
圖3-48 400號砂紙研磨後鈍化處理Tafel腐蝕實驗結果 86
圖3-49 1000號砂紙研磨後鈍化處理Tafel腐蝕實驗結果 87
圖3-50 原始表面(市售已做鈍化處理) (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 88
圖3-51 銑削加工 (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 88
圖3-52銑削加工+砂紙#1000研磨 (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 89
圖3-53 銑削加工+鈍化處理(24hr) (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 90
圖3-54 銑削+珠擊(S70) (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 90
圖3-55 銑削+珠擊(S70)+鈍化24hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 91
圖3-56 銑削+珠擊(S70)+砂紙#400研磨100μm +鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 92
圖3-57 銑削+珠擊(S70)+砂紙#400研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 92
圖3-58 銑削+珠擊(S70)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 93
圖3-59 銑削+珠擊(S70)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 93
圖3-60 銑削+珠擊(S110) (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 95
圖3-61 銑削+珠擊(S110)+鈍化24hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 95
圖3-62 銑削+珠擊(S110)+砂紙#400研磨100μm+鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 96
圖3-63 銑削+珠擊(S110)+砂紙#400研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 96
圖3-64 銑削+珠擊(S110)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 97
圖3-65 銑削+珠擊(S110)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 97
圖3-66 銑削+珠擊(S170) (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 99
圖3-67 銑削+珠擊(S170)+鈍化24hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 99
圖3-68 銑削+珠擊(S170)+ 砂紙#400研磨100μm+鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 100
圖3-69 銑削+珠擊(S170)+ 砂紙#400研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 100
圖3-70 銑削+珠擊(S170)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化0.5hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 101
圖3-71 銑削+珠擊(S170)+砂紙#1000研磨100μm+鈍化1hr (a)孔蝕實驗前 (b)孔蝕實驗24小時 (c)孔蝕實驗48小時 101

參考文獻
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