316L奥氏体不锈钢是一种含碳量低于0.03%的超低碳不锈钢，其材料性能相当于我国的00Cr17Ni14Mo2型钢。316L不锈钢作为核电站压水堆一回路主管道和堆芯构件的主要材料，具有优良的力学性能和抗腐蚀性能，在核电领域得到广泛应用。316L不锈钢在应力和腐蚀性介质同时存在的条件下容易发生应力腐蚀开裂，这种腐蚀主要是由于316L不锈钢表面的钝化膜遭到破坏进而引发晶间腐蚀引起的，在核电设备运行环境中硼酸也是导致这类腐蚀的重要因素，给核电设备的安全运行带来较大的风险，所以掌握316L不锈钢在硼酸溶液中的腐蚀行为对于提高核电设备的使用寿命和安全性具有重要价值。

目前关于316L不锈钢腐蚀机理的研究多集中于其在不同介质中的电化学腐蚀或者应力腐蚀等方面。在电化学腐蚀行为方面，史艳华等研究了316L不锈钢在不同Cl-浓度中的腐蚀行为，结果表明，Cl-浓度为3% （质量分数） 时，316L不锈钢的点蚀程度最为严重；韩亚军等对316L不锈钢在不同电导率海水环境下的电化学腐蚀行为进行了研究，实验结果表明，电导率通过影响溶液电阻而改变腐蚀介质中的侵蚀离子活度，进而影响316L不锈钢钝化膜的稳定性。在不同条件下的应力腐蚀方面，关心矞采用慢应变速率拉伸实验方法研究了高温高压水环境中pH值对316L不锈钢应力腐蚀开裂的影响规律，发现316L不锈钢在酸性和碱性溶液中的腐蚀开裂敏感性均较大，且腐蚀开裂敏感性随溶液酸性和碱性提高而增大；杜东海等[9]研究了316L不锈钢冷变形后在不同溶解氧含量高温水中的开裂规律，结果表明，材料的裂纹扩展速率随溶解氧含量的升高而升高，且含氧量小于0.2 mg/L时这种变化趋势非常显着，而当超过该值后，这种变化趋势变得缓慢。另外，在不同金属工艺处理对316L耐蚀性影响方面，Dikici等研究了后热处理对316L的冷喷涂层腐蚀性能的影响，研究表明，冷喷涂316L不锈钢涂层的硬度和孔隙率值随着热处理温度 （250，500，750和1000 ℃） 的升高而不断降低；Tanhaei等[11]研究了不同冷轧水平 （0~50%） 对316L奥氏体不锈钢在NaCl （1 mol/L）+H2SO4中的显微组织、磁性和机械性能以及腐蚀行为的影响，研究结果表明，随着冷轧百分比的增加，硬度与屈服强度的比值呈上升趋势，即材料的加工硬化能力降低。

到目前为止，关于外加电位对金属应力腐蚀影响的研究多集中在管线钢、合金钢，而对316L不锈钢的相关研究则较少。刘智勇等[12]采用电化学动电位极化技术、慢应变速率拉伸 （SSRT） 实验和SEM对X80管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中的应力腐蚀行为进行了研究，发现在酸性土壤环境中X80管线钢的SCC敏感性随外加阴极电位的降低而增大。本文对316L不锈钢在近中性硼酸溶液环境中，通过外加不同电位进行慢应变速率拉伸实验，探究动电位极化不同区间下316L不锈钢的SCC敏感性差异以及腐蚀机理，为316L不锈钢在核电环境下的腐蚀机理及防护技术研究提供一定的参考。

1 实验方法

实验材料为核电用316L奥氏体不锈钢，其化学成分 （质量分数，%） 为：C 0.003，Si 0.65，Mn 1.62，P0.03，S 0.03，Ni 12.00，Cr 17.63，Mo 2.32，Fe余量。

实验前将316L不锈钢加工成15 mm×15 mm×1.5 mm的片状试样，作为电化学测试时所用的工作电极，用水砂纸打磨至1000#后在25%（质量分数）HNO3溶液中进行钝化处理，钝化温度为45 ℃，钝化时间30 min。钝化完成后用去离子水、无水乙醇清洗，吹干后放在干燥器中干燥备用。实验所用溶液为pH值为6.9±0.5的硼酸溶液，实验时溶液温度维持在25 ℃。

电化学实验和慢拉伸实验 （SSRT） 所采用的三电极体系为：316L不锈钢为工作电极，Ag/AgCl3电极 （SCE） 为参比电极，Pt片为辅助电极，文中所有电位均相对于SCE电位。实验过程中通入氮气进行除O2。

电化学试样尺寸为15 mm×15 mm×1.5 mm，动电位极化曲线测试在上海辰华CHI1660E电化学工作站上进行，扫描速率为50、10和0.5 mV/s，电解槽采用平板电解槽。实验前将试样用砂纸逐级打磨至2000#。有文献研究指出，通过采用不同扫描速率的动电位极化曲线可以确定管线钢在特定溶液中的SCC敏感性。其中，进行快速扫描可以表征裂纹尖端的电化学特征，主要是由于快速扫描屏蔽了成膜过程，使得电极始终裸露出新鲜的金属表面，慢速扫描则侧重于表征非裂纹尖端及金属表面的电化学特征。

SSRT实验在西安力创材料检测技术有限公司生产的应力腐蚀试验机上进行，应变速率为3.0×10-6 mm/min。试样依照GB/15970进行制备，尺寸如图1所示，厚度为2 mm，标距段长度为25 mm。实验前将试样用砂纸逐级打磨至1000#，打磨方向与拉伸方向一致，用丙酮和酒精在超声波清洗仪中进行清洗，以除去试样表面的油污杂质。在SSRT的基础上，溶液中分别采用恒电位仪施加1200 mV （过钝化区）、300 mV （钝化区）、200 mV （钝化区）、-600 mV （阴极区） 的恒电位进行研究，其中200 mV用作钝化区的平行实验，以确保实验的可靠性。实验结束后采用SU8010场发射扫描电镜 （SEM） 对拉伸断口形貌进行观察分析。

2 实验结果

2.1 电化学实验

图2为316L不锈钢在中性硼酸溶液中不同扫描速率 （50、10和0.5 mV/s） 下的动电位极化曲线。

对极化曲线进行拟合得到从慢速扫描到快速扫描对应的自腐蚀电位分别为：-0.338，-0.378，-0.282 V，随着扫描速率的增加，316L不锈钢的自腐蚀电位随之增大。由图2可以看出，钝化区间随着扫描速率的增加呈现逐渐减小的趋势，快速扫描和慢速扫描存在着显着的差异，且随着扫描速率增大差异表现得更加明显。当电位在过钝化区以上时，快速扫描的电流密度随电位的升高具有迅速下降的趋势，而慢速扫描则具有上升趋势，表明此时裂纹尖端发生迅速腐蚀，而非裂纹尖端的腐蚀速率则有所降低。对于阴极极化区，快速扫描的自腐蚀电流密度要高于慢速扫描下的电流密度，说明非裂纹尖端在阴极保护的作用下耐腐蚀性更好。

2.2 慢拉伸实验

SSRT实验结果如图3所示，数据拟合结果如表1所示。

结合316L不锈钢动电位极化曲线，从图3中可以明显看出，和空气环境下的拉伸实验相比，316L不锈钢在近中性硼酸溶液中具有一定的SCC敏感性，同时在不同外加电位下316L不锈钢的SCC敏感性不同且满足一定的规律。从表1中可以看出，在外加-600和1200 mV电位下，试样拉伸后所得延伸率、断面收缩率以及断裂时间与未加电位溶液中的相比均出现一定程度的降低，说明外加电位处于动电位极化曲线阴极区和过钝化区时促进了316L不锈钢腐蚀的发生。根据表1还可以看出，在外加电位200和300 mV下316L不锈钢的SCC敏感性指标均稍好于未加电位溶液环境，说明外加钝化区电位316L不锈钢的SCC敏感性相对较小。

图4为不同外加电位下316L不锈钢延伸率和断裂时间的变化规律，从图中可以看出，外加200 mV电位时，316L的延伸率和断裂时间较高，随着电位的升高和降低，316L的延伸率和断裂时间均有不同程度的下降，表明此时材料的SCC敏感性较低。当外加1200 mV电位时，316L的延伸率和断裂时间均较小，说明此时316L不锈钢腐蚀程度较为严重，SCC敏感性较大。

2.3 断口形貌分析

试件宏观断口形貌表明，空气中的316L不锈钢断口表现出明显的缩颈现象，未加电位溶液中的宏观断口有轻微的缩颈现象，而外加阴极保护区电位-600 mV和过钝化区电位1200 mV的宏观断口都未出现缩颈现象。

图5为316L不锈钢不同条件下SSRT后的断口形貌。图5a是空气中拉伸试样的断口，其断口形貌整体呈韧窝形貌，韧窝大小均匀，属于典型的韧性断裂。图5b是外加电位位于钝化区 （300 mV） 时的断口形貌，同样显示出韧性断裂特征，断口形貌与空气中比较接近，但韧窝大小、多少以及深浅存在一定差异。图5c是溶液中未加电位时的断口形貌，此时的韧窝明显较深，且韧窝大小不一，属于韧性断裂。

外加阴极保护区电位-600 mV和过钝化区电位1200 mV的断口整体趋于平整 （图5d，e），断口形貌与空气中的情况存在明显差异，均出现准解理特征，同时伴有少量微孔，呈现出脆性断裂特征。电位位于过钝化区时，存在大片解理区，解理区内存在大量较深的孔洞，且局部孔洞内伴随有腐蚀产物的出现。由此可知，在施加阴极区电位和过钝化区电位时，316L不锈钢的SSRT断裂特征有从韧性开裂向脆性开裂转变的趋势。

图6所示为不同条件下SSRT后的侧面裂纹SEM形貌。从图中可以看出，空气中和外加300 mV电位时，样品表面均未出现微裂纹。当外加-600 mV和1200 mV电位时，靠近断口处的表面均出现了微裂纹，但在-600 mV时，侧面裂纹形貌呈现多裂纹开裂特征，而在1200 mV时，微裂纹数量较少且比较平直，裂纹面与试件的拉伸方向大致垂直，结合断口形貌可以推断，316L不锈钢在中性硼酸溶液中发生的是应力腐蚀穿晶断裂。

3 分析与讨论

本实验所采用的模拟溶液为中性硼酸溶液，在此实验中阴、阳极发生的主要反应为：

当外加阴极区电位时，裂纹尖端和非裂纹尖端均受阴极过程控制，此时裂纹尖端和非裂纹尖端在一定程度上产生了阴极保护，使得316L不锈钢的抗拉强度增加 （图3）。由于体系中H的存在，H+更容易穿过腐蚀产物膜促进析氢反应，使H扩散至裂纹尖端处加速裂纹的扩展，导致材料受氢脆程度更为严重，SCC敏感性较高 （表1），即此时SCC机制为氢脆机制。有研究指出，对于由氢脆和强化相构成连续活性通道阳极溶解机理控制的SCC，氢脆引起的强度上升将使钢的SCC敏感性提高[16]，图3实验结果表明，外加-600 mV电位时，材料抗拉强度较大且SCC敏感性相对较高，与该研究结论一致。

当外加阳极区电位时，裂纹尖端和非裂纹尖端均受阳极过程控制。慢速扫描时体系趋于稳态，此时金属表面的Fe3+、Cr3+和溶液得到较充足反应。徐海嵩在对316Ｌ不锈钢再钝化行为规律及其钝化膜稳定性的研究中发现，阳极极化过程中裸露金属表面的阳离子不断地与溶液接触，易形成稳定的双层钝化膜结构[17]，因此耐蚀性较好，钝化区间相对较大，钝化膜的主要成分是Fe2O3、Cr2O3。快速扫描时体系处于暂态，动电位极化使得裂纹尖端始终暴露，金属离子的反应速度总体较慢且新形成的钝化膜不稳定，导致金属表面难以形成完整致密的钝化膜，因此使得快速扫描时自腐蚀电位较高，而钝化区间较小。结合上述分析，外加200和300 mV电位时，材料的腐蚀主要是由于裂纹尖端的阳极溶解导致的，此条件下断口的形貌与空气中的较为接近。

当外加过钝化区电位时，裂纹尖端和非裂纹尖端的阳极电流差异变大，裂纹更易产生和扩展。随着反应的进行钝化膜开始严重破裂，使得腐蚀加速，此时发生的阳极反应主要为Fe的阳极溶解。因此外加1200 mV电位时材料腐蚀更为严重，表现出较高的SCC敏感性，SCC机制为阳极溶解机制。

4 结论

（1） 外加电位对316L不锈钢在近中性的硼酸溶液环境中的SCC敏感性有一定影响，不同极化区间电位下具有不同的SCC敏感性，其中200和300 mV时的SCC敏感性较小，外加阴极区电位和外加过钝化区电位时SCC敏感性较大。

（2） 在施加阴极区电位和过钝化区电位时，316L不锈钢的SSRT断裂特征有从韧性开裂向脆性开裂转变的趋势。

（3） 外加电位为-600 mV时，SCC机制主要表现为氢脆机制，此时试样受氢脆较为严重；外加1200 mV电位时，SCC机制为阳极溶解型，此时主要发生的是Fe的阳极溶解反应。