AF1410高強度鋼大氣腐蝕試驗研究

張興華，駱晨，劉明，孫志華，陸峰，湯智慧

（中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院，北京 100095）

超高強度鋼是指屈服強度大于700MPa，抗拉強度大于1200MPa的鋼材。研究表明，美國20世紀80年代研制的AF1410高強鋼不僅具有高強度、高韌性等優(yōu)異的力學性能，同時還具有良好的焊接性能且價格低，被廣泛用于高性能航空結(jié)構材料領域[1]，用于制造長壽命高強度結(jié)構件、軸類零件、緊固件、起落架。該材料對腐蝕環(huán)境相當敏感，它的腐蝕性能和規(guī)律直接關系到飛機的日歷壽命[2]，因此有必要重視其在實際大氣環(huán)境中的腐蝕特點和腐蝕規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗材料與試樣規(guī)格

試樣采用AF1410高強度鋼，其化學組成見表1，規(guī)格為100mm×50mm×4.5mm。

表1 AF1410鋼的化學成分及其質(zhì)量分數(shù)Table1 Chemicalcomposition ofAF1410 alloy %

1.2 自然大氣環(huán)境暴露試驗

1.2.1 試驗環(huán)境特點

試驗選在北京大氣環(huán)境實驗站進行。北京大氣環(huán)境試驗站氣溫適中，日照輻射強度偏弱，具有典型暖溫帶亞濕潤內(nèi)陸性氣候特征[3]。

1.2.2 試驗條件和試驗周期

試驗方法參見GB/T 14165—2008[4]的規(guī)定。試驗的檢測周期為1，2，3，5年。每次取試樣4件，進行質(zhì)量損失分析、形貌觀測和成分測試。

1.3 試樣檢查與分析

1.3.1 斷面分析

制備腐蝕產(chǎn)物層的斷面試樣，用Quanta600型環(huán)境掃描電子顯微鏡和牛津EI350型能譜儀觀察，并進行元素分析。

1.3.2 外觀檢查與分析

外觀檢查包括目視檢查和Quanta600型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察試樣表面，以及高像素單反相機拍攝試樣的腐蝕宏觀形貌。

1.3.3 質(zhì)量損失分析

按照HB 5257—83[5]規(guī)定的方法進行。

1.3.4 電化學阻抗分析

電化學阻抗譜用PAR Potentiostat/Galvanostat M273A恒電位儀進行測量，后用ZSimpWin對電化學阻抗譜進行擬合分析[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕樣品斷面分析

圖1展示了AF1410高強度鋼在北京大氣暴露1，2，3，5年后的銹層斷面形貌。由圖1可知，在北京大氣暴露1年后，銹層較薄，且疏松多孔；2年后，銹層變厚，內(nèi)部出現(xiàn)裂紋；3年后，銹層變?yōu)楹鼙〉妮^致密層；5年后，銹層開裂明顯加重。銹層斷面形貌的變化反映出銹層開始生長，內(nèi)部有孔洞，后來隨銹層厚度增加，受內(nèi)應力和各種環(huán)境因素影響，最終導致外部銹層開裂、脫落。

表2顯示了AF1410高強度鋼暴露5年后銹層斷面的元素組成。由表2可知，高強度鋼的銹層基本上由Fe和O元素組成，說明腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，相關數(shù)據(jù)說明銹層內(nèi)部含氧量略低。由于長期暴露，銹層表面無法清除的積灰是造成含C的原因之一，也是造成含氧量增加的原因之一。

表2 暴露5年的銹層（EDX）元素成分及含量Table 2 Chemical composition of rust（EDX）after 5-year exposure %

2.2 腐蝕宏觀形貌分析

對在北京大氣環(huán)境中的AF1410高強度鋼樣品進行外觀檢查，腐蝕形貌照片如圖2所示。由圖2可知，AF1410高強度鋼在腐蝕初期，銹層疏松，表面顏色較深；隨暴露時間延長，銹層疏松層面積變小，顏色變灰；暴露至3年，銹層又變平整；暴露至5年，銹層顏色變深，表面粗糙度加大。一般認為，F(xiàn)e2O3為黃褐色，F(xiàn)e的羥基化合物和Fe3O4為黑褐色[7]。據(jù)此判斷，AF1410高強度鋼腐蝕產(chǎn)物初期內(nèi)部以Fe3O4和β-FeOOH為主，結(jié)合層較致密，在陽光暴曬下逐漸變?yōu)镕e2O3和α-FeOOH，變得疏松[7]。結(jié)合圖1說明，銹層在達到一定厚度以后表面疏松層很容易產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。

圖2 AF1410高強度鋼在北京大氣暴露后的外觀Fig.2 Corrosion appearance of AF1410 high-strength steelafter atmospheric exposure in Beijing

結(jié)合電鏡形貌圖（圖3）可看出，腐蝕1年的試樣銹層表面開始有裂紋，隨著腐蝕時間增加，裂紋逐步增多，表面在腐蝕3年時變平整，5年后試樣表面裂紋擴大，腐蝕程度嚴重。

圖3 AF1410高強度鋼在北京大氣暴露后的表面形貌（SEM）Fig.3 SEM image of surfacemorphology of AF1410 high-strength steelafteratmospheric exposure

2.3 腐蝕質(zhì)量損失隨時間的變化規(guī)律

圖4是AF1410高強度鋼在北京的大氣腐蝕質(zhì)量損失數(shù)據(jù)曲線。對1，2，3，5年4個采樣點的單位面積腐蝕質(zhì)量損失進行計算，從質(zhì)量損失數(shù)據(jù)圖的變化趨勢看，AF1410高強度鋼腐蝕質(zhì)量損失持續(xù)增加，AF1410高強度鋼表面連續(xù)腐蝕。根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢看出，AF1410高強度鋼在北京的大氣環(huán)境中，第1年腐蝕質(zhì)量損失為84.8702 g/m2，第1年到第2年腐蝕質(zhì)量損失為41.801 g/m2，第2年到第3年腐蝕質(zhì)量損失為34.901 g/m2，第3年到第5年平均年腐蝕質(zhì)量損失為43.8014 g/m2。

圖4 單位面積質(zhì)量損失-時間函數(shù)關系曲線Fig.4 relationship betweenweight lossand exposure time

腐蝕初期，由于銹層逐漸變厚、變致密，對鋼基體的保護作用逐漸增強，造成腐蝕速率降低。在腐蝕2年到3年之間達到最慢。結(jié)合斷面分析得知，隨著腐蝕產(chǎn)物厚度增加，內(nèi)應力變化、溫度變化、雨水沖刷等因素導致銹層開裂，直至脫落，銹層的保護作用減弱，使得腐蝕速率在腐蝕3年時開始增加。3年后，腐蝕產(chǎn)物繼續(xù)增加，銹層又開始形成保護層。

2.4 電化學交流阻抗分析

AF1410高強度鋼模擬電路如圖5a所示。圖中W1為Warburg阻抗；Rr為銹層電阻；Rs為溶液電阻；CPE1和CPE2為常相位角元件。暴露1，2，3，5年的樣品銹層較為疏松，存在彌散效應，因此選用常相位角元件。

由圖5b高頻段得知，暴露1，2，3，5年的樣品展現(xiàn)出的是壓縮變形的容抗??；由低頻段可知，銹層樣品在3.5%（質(zhì)量分數(shù)）NaCl溶液中的電極反應受擴散過程控制。通過圖5b和5c以及表3帶銹試樣交流阻抗擬合后的數(shù)據(jù)結(jié)果中的Rr值的大小可以看出，銹層電阻在3年時達到最小值，因為此時銹層最薄；由Rc可以看到電極阻力也是在3年時最小，銹層最薄，耐蝕性能最差。

圖5 AF1410高強度鋼在北京大氣暴露后銹層的電化學阻抗譜Fig.5 EIS of AF1410 high-strength steel rust after exposure in Beijingatmosphere

表3 暴露不同時間的AF1410高強度鋼擬合數(shù)據(jù)Table 3 Data ofAF1410 samplesafter1,2,3 and 5 yearsofexposure

3 結(jié)論

1）腐蝕初期，AF1410高強度鋼在北京大氣中的腐蝕速率隨著銹層厚度增加逐漸減?。辉?年到3年間，由于銹層的脫落，導致腐蝕速率增加；3年后，腐蝕速率隨銹層厚度增加而逐漸減小。

2）在北京大氣暴露2年后，AF1410高強度鋼樣品銹層厚度較大，且銹層底層較致密，因此銹層阻抗最大，對基體保護效果最為明顯；暴露3年后，AF1410高強度鋼樣品銹層雖然較致密，但是由于其厚度較薄，銹層阻抗最低，因此最容易腐蝕。

3）AF1410高強度鋼在北京大氣環(huán)境中，銹層開始生長得較為致密；2年后隨著銹層厚度增加，銹層內(nèi)應力也增加，加上雨水沖刷、溫度變化等因素，導致銹層開裂、脫落；隨后銹層又開始繼續(xù)生長加厚，銹層阻抗則隨著銹層厚度的變化而變化，腐蝕速率呈現(xiàn)反復升降的過程。

[1]郝雪龍，劉建華，李松海.中性鹽霧預腐蝕對AF1410高強度鋼疲勞壽命的影響[J].航空材料學報，2010，30（1）：67—71. HAO Xue-long，LIU Jian-hua，LI Song-hai.Effect of Neutral Salt Spray Precorrosion on Fatigue Life of AF1410 Steel[J].Journal of Aeronautical Materials，2010，30（1）：67—71.

[2] WEIR P.Corrosion and Corrosion Fatigue of Airframe Materials[R].2000.

[3]劉明，湯智慧，蔡健平.30CrMnSiA高強度鋼在北京地區(qū)的大氣腐蝕研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，7（4）：17—21. LIU Ming，TANG Zhi-hui，CAI Jian-ping.Study on Atmospheric Corrosion of 30CrMnSiA High Strength Steel in Beijing Area[J].Equipment Environmental Engineering，2010，7（4）：17—21.

[4]GB/T 14165—2008，金屬和合金大氣腐蝕試驗現(xiàn)場試驗的一般要求[S]. GB/T 14165—2008，The General Requirements of Outfield for Atmospheric Corrosion Testing ofMetals And Alloys[S].

[5]HB 5257—83，腐蝕試驗結(jié)果的重量損失測定和腐蝕產(chǎn)物的清除[S]. HB 5257—83，TheWeight Lossof Corrosion TestMeasured and Corrosion Products Removed[S].

[6] 曹楚南.腐蝕電化學原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008. CAO Chu-nan.Principles of Electrochemistry of Corrosion [M].Beijing：Chemical Industry Press，2008.

[7]張全成，吳建生，鄭文龍.耐候鋼表面穩(wěn)定銹層形成機理的研究[J].腐蝕科學與防護技術，2001，13（3）：143—146. ZHANG Quan-cheng，WU Jian-sheng，ZHENGWen-long. Formation Mechanism of Protective Rust on Weathering Steel[J].Corrosion Science and Protection Technology，2001，13（3）：143—146.