40Cr鋼在海水中抗應力腐蝕的快速評價 安麗娟1,2,3，李慶芬1，趙永韜2,3 （1．哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2．海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室，山東青島266071；3．中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽471039） [摘要]采用慢應變速率拉伸試驗(SSRT)，對40Cr鋼在海水中的應力腐蝕開裂(SCC)敏感性進行評價，并結合快慢掃描極化及電化學噪聲監測對其在海水中的腐蝕行為進行研究。結果表明：40Cr鋼回火后含有粒狀滲碳體，在海水中SCC敏感性很小，即在海水中具有較強的抗應力腐蝕能力，噪聲電阻倒數1/Rn的變化與拉伸試樣的不同階段能夠很好地吻合；40Cr鋼在海水中宏觀上具有纖維區、放射區，微觀上主要是韌窩形貌的韌性斷裂特征。 [關鍵詞]應力腐蝕；40Cr鋼；海水；慢應變速率拉伸；快慢掃描極化；電化學噪聲 [中圖分類號] TG172.9 [文獻標識碼]A [文章編號]1001 - 1560( 2011) 01- 0019- 03 0前 言 應力腐蝕開裂( SCC)是金屬構件常見的失效形式，而且是在構件幾乎沒有宏觀塑性變形下發生。這種失效難以預測，危害性很大[1,2]。慢應變速率拉伸試驗( SSRT)是用來快速評價抗應力腐蝕開裂材料-環境體系SCC敏感性的實驗室方法[3]。其最大的優點是可以將實際用材與使用工況直接結合，快速、準確地評估其性能。在高強度碳鋼應力腐蝕開裂中，應用電化學噪聲測量可監測材料應力腐蝕開裂的發生過程，并且還可反映不同材料的應力腐蝕機理[4]。 本工作采用SSRT對40Cr高強鋼以1.36×10-6s-1應變速率于海水中應力腐蝕的敏感性進行快速評價，并利用動電位掃描、電化學噪聲(ECN)技術對其在海水中的腐蝕行為進行監測；最后采用掃描電鏡( SEM)對拉伸試樣的斷口進行形貌觀察分析，進一步證實了40Cr鋼在海水中具有良好的抗SCC性能。 1試驗 1.1 基材熱處理 試驗用基材為40Cr鋼，其顯微組織見圖1。由圖1可知，40Cr鋼的顯微組織是回火索氏體，其中鐵素體已完全失去淬火馬氏體的形貌特征，而碳化物（主要為滲 碳體）為顆粒狀，屬于粒狀珠光體。由于粒狀滲碳體對鐵素體基體沒有切割作用，鐵素體基體在高溫回火時可得到充分的回復和再結晶，故此回火索氏體具有優良的綜合力學性能和抗應力腐蝕性能。
基材熱處理工藝為 1.2 慢應變速率拉伸及應力腐蝕試驗 依據GB/T 15970.7- 2000和ASTMG 49 - 2000，對40Cr鋼進行慢應變速率拉伸SCC試驗，工件見圖2。試樣工作段用水磨砂紙逐級打磨到1000號，然后用丙酮、酒精清洗后吹干，并用硅橡膠、聚四氟膠帶密封非工作段表面待用。施加約120 N預加載荷以消除減速齒輪、夾具等的間隙；SCC試驗拉伸應變速率為1.36 x10-6s-1，SCC所用介質為甘油和青島海濱天然海水。
圖2試樣尺寸 將材料在甘油與海水中的特征參數進行對比，采用公式計算對應于各參數的SCC敏感性指數F(λ)，從而進行材料在海水中的SCC敏感性的評定，公式如下：F(λ)=( λ0 -λ) /λ0 x100910 式中λ——腐蝕介質中的力學性能參數，可分別為斷裂能A，斷面收縮率Ψ，延伸率δ λ0——惰性介質中的力學性能參數 F(λ)越大，說明材料在腐蝕性介質中SCC敏感性越強，也就是材料在腐蝕性介質與惰性介質中各力學性能指標差距越大。試樣斷裂后，進行形貌觀察分析。 1.3 電化學測試 在慢拉伸試驗過程中，同時進行ECN測量。2個40Cr分別作工作電極（拉伸）和輔助電極（靜置），飽和甘汞電極( SCE)作參比電極。采樣頻率為2 Hz，采樣數據作為1個單一文件進行存儲；采用EG&G PAR273電化學測試系統。測量40Cr試樣的極化阻力和自腐蝕電位，鉑片作輔助電極，飽和甘汞電極( SCE)作參比電極，40Cr電極作工作電極。工作電極是Φ 2 結果與討論 2.1 海水lfl的SCC敏感性 表1為40Cr鋼在甘油和海水中的慢應變速率拉伸結果。由表1可以看到，40Cr鋼在甘油和海水中的慢應變速率拉伸試驗結果各項參數均十分接近。 表l 40Cr鋼征2種介質巾慢鷹變速牢拉伸納果
從表1可得出，40Cr鋼在海水中的SCC敏感性指數F( A) =20.96%,F（Ψ）=9.38%,F(δ)=24.85%.圖3為40Cr鋼在甘油和海水中的應力，應變曲線。由圖3發現，40Cr鋼在這2種介質中的應力-應變曲線非
圖3 40Cr鋼在甘油和海水中的應力．應變曲線 常接近，即其在海水介質中的各項力學性能與無腐蝕過程相比變化不大。由此得出：40Cr鋼在海水中幾乎沒有SCC敏感性，不易發生應力腐蝕開裂。 2.2 電化學性能 根據Parkins提出的電位快慢掃描曲線法：選擇相當快的掃描速度（約1000 mV/min）向陽極方向掃描，顯示出強陽極極化區的情況，其目的是使成膜的機會變得很小，觀察無膜狀態下的電流密度；在其他條件不變時，改用較慢掃描速度（約20 mV/min），顯示一段活化性不強的區域，目的是提供足夠的時間來生成膜�？炻龗呙杷脴O化曲線的陽極電流密度差別越大，說明發生應力腐蝕開裂的傾向性越大。因為應力腐蝕開裂發生在活化一鈍化之間的臨界平衡區域，既不是全面活化，也不是全面鈍化。 40Cr鋼在海水中的快慢掃描極化結果見圖4。由圖4可見，在陽極區快掃和慢掃，陽極電流密度相差很小，說明40Cr鋼在海水中的應力腐蝕開裂傾向性很小，具有良好的抗應力腐蝕開裂性能。通過對慢掃描極化曲線進行擬合，在自腐蝕電位附近士20 mV內，求得40Cr鋼在海水中的極化電阻為2415.220，說明40Cr鋼在海水中抗均勻腐蝕能力也較強。
圖4 40Cr鋼在海水中快慢掃描極化曲線 40Cr鋼在海水SSRT過程中電位、電流密度隨時間的變化見圖5。由圖5可見，40Cr鋼在海水中電位、電流密度隨時間的波動很小，尤其是電位趨于穩定后，瞬時變化甚微，幾乎沒有噪聲峰。
圖5 40Cr鋼在海水SSRT過程中電位、電流密度隨時間的變化 在活化體系中，噪聲電阻尺。的物理意義與腐蝕的極化電阻R。相同，即腐蝕速度和噪聲電阻尺。的倒數成正比[5]。通過監測腐蝕過程中的電位、電流噪聲，可得噪聲電阻R。=Sv/SI，其中Sv和SI分別為電位噪聲和電流噪聲的標準偏差[6]。根據圖5數據，由上式可計算噪聲電阻的倒數1/Rn隨時間的變化，進而即時反映腐蝕速度的瞬時變化趨勢，結果見圖6，圖中還顯示SSRT過程中負荷隨時間變化的情況。從圖6可見：腐蝕速度的變化和負荷隨時間的變化有很好的相關性；40Cr鋼在慢拉伸的整個過程，大致分為2個階段：I為材料拉伸的彈性階段，II為材料進入屈服階段到最終的斷裂過程。其中，在I階段，腐蝕速度隨時間的延長呈遞增趨勢，表明隨負荷的增大，裂紋有從開始萌生到新裂紋不斷產生、裂紋數目顯著增加的漸變過程，力學和腐蝕介質對材料進行交互的作用；在Ⅱ階段(約16000一18000 s)，腐蝕速度明顯增大，并基本維持在這一水平，不再隨負荷的變化而明顯改變。這主要是由于新的裂紋已經很少產生，腐蝕處于一個相對穩態狀態，裂紋尖端由于力學因素始終處于活化狀態，而材料在腐蝕介質中發生應力腐蝕的首要條件是所產生的裂紋尖端始終處于活化、鈍化交替出現的狀態，所以在此階段裂紋的擴展主要是由于力學因素的作用而非腐蝕介質——海水，并最終導致材料的斷裂。綜上所述，40Cr鋼拉伸試樣在海水介質中腐蝕所起的作用很小，材料沒有發生應力腐蝕。
圖6 40Cr鋼在海水SSRT過程中噪聲電阻倒數、負荷隨時間的變化 2.3 掃描電鏡(SEM)斷口形貌 圖7是40Cr鋼在海水和甘油中慢拉伸斷口的宏觀和微觀形貌。由圖7a可見，40Cr鋼在海水中拉伸斷口宏觀上表現出纖維區、放射區等明顯的韌性斷裂特征，而在圓周的邊緣剪切唇區域則為試樣的最后斷裂區，這些特征與圖7c十分相近。圖7b表明，40Cr鋼在海水中微觀上主要顯示韌窩形貌，沒有SCC脆斷區及沿晶、解離等微觀典型形貌，類似的韌窩形貌在圖7d中也很明顯。由此可見，40Cr鋼拉伸試樣在海水中呈韌 性斷裂，從宏觀、微觀斷口分析，均未發現SCC形貌特征。
圖7 40Cr鋼在海水和甘油中的SEM宏觀和微觀斷口形貌 3 結論 (1) 40Cr鋼在海水中SCC敏感性很小，沒有發生應力腐蝕開裂，且材料還具有較好的抗均勻腐蝕能力。(2)可用電化學噪聲技術對40Cr鋼在海水中慢拉伸全過程的腐蝕情況進行監測。噪聲電阻倒數1/R。的變化反映材料在不同拉伸階段腐蝕速度的即時變化。(3)40Cr鋼斷口形貌在海水中，宏觀上表現出纖維區、放射區等明顯的韌性斷裂特征；微觀上主要顯示韌窩形貌，這些與其在惰性介質甘油中所得的結果十分相似，說明40Cr鋼在海水中發生以力學為主要破壞因素的韌性斷裂。 [參考文獻] [1]黃淑菊．金屬腐蝕與防護[M].西安：西安交通大學出版社，1988：135—136. [2]鄭文龍，于青，鋼的環境敏感斷裂[M].北京：化學工業出版社，1988：11～14. [3] Saxena A,Singh RamanRK.Slow strain rate testing for monitoring cracking of mild steels for vessels and pipes for processing using caustic solutions[J]. Intemational Journal ofPressure Vessels and Piping,2006,83(5):399～404. [4]Cottis R A,Loto C A.Electrochemical noise generation during SCC of a high -strength carbon steel [J]. Corrosion,1990,46:12～19. [5] Chen J F,Bogaerts W F.The physical meaning of noise resistance[J]. Corrosion Science,1995,37:1839～1842. [6]Bautista A,Huet F.Noise resistance applied to corrosionmeasurements—Ⅳ. Asymmetric coated electrodes[J].Joumal of Electrochemical Society,1999,146(5):1730～1736. 注：本站部分資料需要安裝PDF閱讀器才能查看，如果你不能瀏覽文章全文，請檢查你是否已安裝PDF閱讀器！ |
