高海平，張慧霞，郭為民，侯健，周娟，宋泓清

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東青島 266101）

高強度低合金鋼具有優(yōu)異的力學性能，目前在海洋工程裝備、艦船結(jié)構(gòu)及海濱建筑中得到了廣泛應(yīng)用，但是此類鋼在海水和波浪沖擊下極易發(fā)生腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕破裂［1-4］。為減緩高強鋼在海水中的潰瘍腐蝕、坑蝕等，通常對海洋工程、艦船等進行陰極保護。在陰極極化條件下，高強鋼在海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性會因陰極析氫而增加［5-8］。此外，高強鋼構(gòu)件在使用過程中大多會進行焊接，焊接處的殘余應(yīng)力及高硬度也會增加其應(yīng)力腐蝕敏感性。因此，研究高強度低合金鋼焊接件在陰極極化條件下的應(yīng)力腐蝕行為具有重要意義。

文中采用慢拉伸試驗、電化學阻抗技術(shù)并結(jié)合掃描電鏡和三維視頻測試技術(shù)，考察了不同極化電位下高強鋼焊接件在海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性，為高強鋼在海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供重要的設(shè)計依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 實驗材料及試樣準備

實驗材料選用高強鋼板材，屈服強度大于710 MPa，板材厚度為25 cm。焊接前將板材加熱到150℃進行預熱，焊絲規(guī)格分別為φ3.2 mm和φ4 mm，對應(yīng)的焊接電流分別為110 A和130 A。

自焊接板垂直于焊縫的方向取樣，焊縫位于試樣的中部，按照GB/T 228－2010設(shè)計試樣尺寸。試樣工作段尺寸為φ5 mm×30 mm。依次用400#，600#，800#，1000#，1200#砂紙將試樣打磨平滑（表面粗糙度為0.8 μm），然后用無水乙醇、丙酮擦洗并用冷風吹干。試樣工作面積為2 cm2，其它部分用704硅膠密封。試樣形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 試樣形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of the specimen

1.2 慢應(yīng)變速率實驗

采用美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的CMT5305系列電子萬能試驗機進行慢應(yīng)變速率實驗，拉伸速率為2.78×10-6s-1（0.005 mm/min）。試樣通過腐蝕槽與電子萬能試驗機的2個夾具連接。各項拉伸參數(shù)，例如載荷、位移、時間等，均由連接試驗機的微機系統(tǒng)自動采集。

試樣斷裂后，采用斷面收縮率和斷裂時間來判定不同極化電位條件下高強鋼焊接件在海洋環(huán)境中應(yīng)力腐蝕敏感性的大小。斷面收縮率數(shù)值越小，說明應(yīng)力腐蝕敏感性越大。

1.3 電化學測試

采用電化學工作站（ACM Field Machine Serial No.1527 made in England）進行電化學測試。采用三電極體系測量試樣的交流阻抗，鉑絲為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，工作電極為高強鋼試樣，工作面為3 cm2的圓柱面。交流阻抗測試參數(shù)：試驗頻率為100 kHz～100 mHz，擾動電壓為10 mV，同時施加不同極化電位。

1.4 斷口形貌觀察

分別采用三維視頻顯微鏡和掃描電子顯微鏡（FEI/Philips XL30）對試樣斷口的宏觀和微觀形貌進行觀察。從宏觀斷口形貌可以觀察到試樣斷裂處的頸縮情況，從微觀斷口形貌可以觀察斷口處試樣的斷裂方式，以區(qū)別試樣是韌性斷裂還是脆性斷裂。

2 結(jié)果與討論

2.1 海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性

高強鋼焊接件試樣在空氣中和海水中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，可以看出，高強鋼焊接件在空氣和海水中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合，應(yīng)變量近似相等，分別為16.27%，16.43%。這表明在海水中自腐蝕狀態(tài)下，高強鋼焊接件沒有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

圖2 高強鋼焊接件試樣在海水和空氣中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-elongationcurvesofsteelspecimensinairandseawater

2.2 不同極化電位下的力學性能

圖3 不同極化電位下高強鋼焊接件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-elongation curves of steelspecimens with different polarization potential

不同陰極極化電位下高強鋼焊接試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，可以看出，隨著極化電位負移，高強鋼焊接件的應(yīng)變量呈現(xiàn)先增大后逐漸降低的趨勢。在-0.8 V電位下，高強鋼焊接件的應(yīng)變量最大。與自腐蝕狀態(tài)相比，施加-0.7～-0.9 V電位后，高強鋼焊接試樣應(yīng)變量增大，表明在此電位區(qū)間材料得到了保護，沒有應(yīng)力腐蝕敏感性。在-1.0 V電位下，高強鋼焊接試樣的應(yīng)變量為15.87%，開始低于自腐蝕狀態(tài)下的數(shù)值。隨著施加極化電位持續(xù)負移，應(yīng)變量繼續(xù)減小，在-1.2 V電位下，試樣的應(yīng)變量僅為14.08%。綜上所述，在-1.1～-1.2 V電位下，試樣的應(yīng)變量明顯減小，因此，在此極化電位區(qū)間內(nèi)，高強鋼焊接件具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

高強鋼焊接件試樣的斷裂時間和斷面收縮率隨陰極極化電位的變化曲線如圖4所示，可以看出，隨著極化電位負移，斷裂時間和斷面收縮率呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。與自腐蝕狀態(tài)下的參數(shù)相比，斷裂時間和斷面收縮率在極化電位-0.8 V時取得最大值，然后逐漸減小。

圖4 焊接件斷裂時間和斷面收縮率隨陰極極化電位的變化曲線Fig.4 Fracture time and perecentage reduction of area of high-strength low-alloy steelspecimens with polarization potential

2.3 電化學阻抗

不同極化電位下，高強鋼焊接件在拉伸過程中的電化學阻抗圖譜如圖5所示。阻抗圖譜由2個半圓組成，高頻率區(qū)代表的是銹層電阻及其電容，低頻率區(qū)代表的是電荷轉(zhuǎn)移電阻及其電容。可以看出，在相同拉伸時間下，施加不同極化電位的高強鋼焊接件阻抗圖譜有很大的差別。在Ecorr～-0.8 V電位區(qū)間內(nèi)，隨著電位的負移，阻抗半圓弧增大，阻抗值增大，表面腐蝕程度減小。在-0.9～-1.2 V電位區(qū)間內(nèi)，隨著電位的負移，阻抗半圓弧逐漸減小，說明腐蝕程度的增加。

圖5 不同極化電位下高強鋼焊接件在拉伸不同時間的電化學阻抗Fig.5 Electrochemical impedance Nyquist plots of high-strength low-alloy steelspecimens with different polarization potential

利用如圖6所示的等效電路對高強鋼焊接件拉伸試樣的電化學阻抗進行擬合。其中R1是溶液電阻，CPE1是與銹層電阻R2對應(yīng)的長相位角元件，CPE2是與電荷轉(zhuǎn)移電阻R3對應(yīng)的長相位角元件。通過阻抗數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，繪制出高強鋼焊接件在海水中的腐蝕產(chǎn)物電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻隨極化電位的變化曲線，如圖7所示。

圖6 高強鋼焊接件在海水中的等效電路Fig.6 Equivalent circuit model

從圖7可以看出，銹層電阻與電荷轉(zhuǎn)移電阻隨極化電位的變化規(guī)律一致，都是隨著電極電位的負移，先增加后減小，在-0.8 V左右取得最大值。在Ecorr～-0.8 V區(qū)間內(nèi)，銹層電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻逐漸增加，腐蝕速率較慢，表明在該極化電位下材料得到了良好的保護。在-0.9～-1.2 V區(qū)間內(nèi)，銹層電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻逐漸減小，表明在此電位區(qū)間內(nèi)高強鋼焊接試樣的腐蝕加劇，焊接件應(yīng)力腐蝕敏感性逐漸增大。

圖7 高強鋼焊接件在海水中銹層電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻隨極化電位的變化曲線Fig.7 The rusty scale resistance and the charge transfer resistance of the high-strength low-alloy steel specimens with different polarization potential

2.4 斷口形貌觀察

不同極化電位下高強鋼焊接件慢拉伸實驗斷口三維視頻形貌如圖8所示，可以看出，隨極化電位正移，頸縮現(xiàn)象逐漸明顯。在空氣和自腐蝕狀態(tài)下，斷口具有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口處呈現(xiàn)杯錐形狀。在-0.7～-1.0 V電位區(qū)間內(nèi)，材料斷口仍存在頸縮現(xiàn)象。在-1.1 V電位下，斷口的頸縮減弱，并出現(xiàn)撕裂痕。在-1.2 V電位下，斷口頸縮已經(jīng)不明顯，出現(xiàn)脆性斷口的宏觀形貌，進一步證明了在-1.2 V電位下，高強鋼焊件具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

圖9a和b分別是在空氣和海水自腐蝕狀態(tài)下斷口的SEM形貌，可以看出，斷口有明顯的韌窩，可知在空氣和海水自腐蝕電位下，材料發(fā)生韌性斷裂。極化電位為-0.7～-1.0 V區(qū)間時，材料的斷口處仍出現(xiàn)大量的韌窩，表明材料在慢拉伸實驗中伴隨有大量的塑性變形；電位為-1.1 V時，如圖9g所示，斷口出現(xiàn)小部分解理面；電位為-1.2 V時，如圖9h所示，斷口出現(xiàn)了較大面積的解理面，占總面積的20%左右，呈現(xiàn)了解理、沿晶斷裂的脆性斷裂特征。綜上所述，在Ecorr～-0.9 V極化電位區(qū)間內(nèi)，材料的斷裂方式主要是韌性斷裂；當電位達到-1.1 V時，材料有脆性斷裂的傾向；當電位負于-1.2 V時，材料以脆性斷裂為主。這是因為在該極化電位下，會出現(xiàn)過保護情況，發(fā)生析氫反應(yīng)，氫會擴散到裂紋的前端，從而使裂紋前端的金屬發(fā)生脆變。隨著應(yīng)力腐蝕的進行，氫會不斷擴散到裂紋前端，從而加速裂紋的擴展，使材料在遠低于其斷裂應(yīng)力的條件下斷裂。

圖8 不同極化電位下高強鋼焊接件拉伸斷口三維視頻照片F(xiàn)ig.8 The fracture of high-strength low-alloy steelspecimens with different polarization potential

圖9 不同極化電位下高強鋼焊接件拉伸斷口SEM照片F(xiàn)ig.9 The fracture surface of high-strength low-alloy steelspecimens withdifferentpolarizationpotential

過保護產(chǎn)生的氫使高強鋼焊接件發(fā)生斷裂，其主要原因是氫降低了原子鍵合力和表面能。由于鍵合力是原子間相互作用力曲線的最大值，表面能又是這個曲線下的面積，所以氫降低鍵合力的同時，也降低了表面能［9-10］。此外，氫的存在促進局部塑變，從而促進斷裂。氫會使裂紋尖端發(fā)生位錯，同時促使位錯運動。當外應(yīng)力較高時，位錯源就會開動使微裂紋轉(zhuǎn)化為空洞，從而導致韌斷。如果外應(yīng)力較低，裂紋會在無位錯區(qū)域形成，這是因為低的外應(yīng)力周圍的位錯源不能開動，就不會形成空洞，只會形成解理裂紋，最終導致材料發(fā)生氫致脆斷。這種氫引起的韌性斷裂和脆性斷裂主要是由外加應(yīng)力和氫量的大小決定的［11-15］。

3 結(jié)論

1）在自腐蝕電位下，高強鋼焊接件在海水中沒有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

2）在Ecorr～-0.9 V極化電位區(qū)間內(nèi)，高強鋼焊接件在海水中沒有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

3）在-1.1～-1.2 V極化電位區(qū)間內(nèi)，高強鋼焊接件斷口出現(xiàn)脆性斷裂特征，力學性能下降明顯，具有很強的應(yīng)力腐蝕敏感性。

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