陰極極化對(duì)高強(qiáng)鋼焊接件應(yīng)力腐蝕敏感性的影響

高海平，張慧霞，郭為民，侯健，周娟，宋泓清

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101）

高強(qiáng)度低合金鋼具有優(yōu)異的力學(xué)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(qiáng)鋼在海水中的潰瘍腐蝕、坑蝕等，通常對(duì)海洋工程、艦船等進(jìn)行陰極保護(hù)。在陰極極化條件下，高強(qiáng)鋼在海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性會(huì)因陰極析氫而增加［5-8］。此外，高強(qiáng)鋼構(gòu)件在使用過程中大多會(huì)進(jìn)行焊接，焊接處的殘余應(yīng)力及高硬度也會(huì)增加其應(yīng)力腐蝕敏感性。因此，研究高強(qiáng)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(yàn)、電化學(xué)阻抗技術(shù)并結(jié)合掃描電鏡和三維視頻測(cè)試技術(shù)，考察了不同極化電位下高強(qiáng)鋼焊接件在海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性，為高強(qiáng)鋼在海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料選用高強(qiáng)鋼板材，屈服強(qiáng)度大于710 MPa，板材厚度為25 cm。焊接前將板材加熱到150℃進(jìn)行預(yù)熱，焊絲規(guī)格分別為φ3.2 mm和φ4 mm，對(duì)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(jì)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(fēng)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(shí)驗(yàn)

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(yàn)機(jī)進(jìn)行慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)，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(yàn)機(jī)的2個(gè)夾具連接。各項(xiàng)拉伸參數(shù)，例如載荷、位移、時(shí)間等，均由連接試驗(yàn)機(jī)的微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集。

試樣斷裂后，采用斷面收縮率和斷裂時(shí)間來判定不同極化電位條件下高強(qiáng)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(xué)測(cè)試

采用電化學(xué)工作站（ACM Field Machine Serial No.1527 made in England）進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。采用三電極體系測(cè)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(qiáng)鋼試樣，工作面為3 cm2的圓柱面。交流阻抗測(cè)試參數(shù)：試驗(yàn)頻率為100 kHz～100 mHz，擾動(dòng)電壓為10 mV，同時(shí)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(duì)試樣斷口的宏觀和微觀形貌進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)鋼焊接件沒有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

圖2 高強(qiáng)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(xué)性能

圖3 不同極化電位下高強(qiáng)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(qiáng)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(fù)移，高強(qiáng)鋼焊接件的應(yīng)變量呈現(xiàn)先增大后逐漸降低的趨勢(shì)。在-0.8 V電位下，高強(qiáng)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(qiáng)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(hù)，沒有應(yīng)力腐蝕敏感性。在-1.0 V電位下，高強(qiáng)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(fù)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(qiáng)鋼焊接件具有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

高強(qiáng)鋼焊接件試樣的斷裂時(shí)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(fù)移，斷裂時(shí)間和斷面收縮率呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。與自腐蝕狀態(tài)下的參數(shù)相比，斷裂時(shí)間和斷面收縮率在極化電位-0.8 V時(shí)取得最大值，然后逐漸減小。

圖4 焊接件斷裂時(shí)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(xué)阻抗

不同極化電位下，高強(qiáng)鋼焊接件在拉伸過程中的電化學(xué)阻抗圖譜如圖5所示。阻抗圖譜由2個(gè)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?？梢钥闯?，在相同拉伸時(shí)間下，施加不同極化電位的高強(qiáng)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(fù)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(fù)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(qiáng)鋼焊接件在拉伸不同時(shí)間的電化學(xué)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(duì)高強(qiáng)鋼焊接件拉伸試樣的電化學(xué)阻抗進(jìn)行擬合。其中R1是溶液電阻，CPE1是與銹層電阻R2對(duì)應(yīng)的長相位角元件，CPE2是與電荷轉(zhuǎn)移電阻R3對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(hù)。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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)鋼焊接件慢拉伸實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步證明了在-1.2 V電位下，高強(qiáng)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(shí)，材料的斷口處仍出現(xiàn)大量的韌窩，表明材料在慢拉伸實(shí)驗(yàn)中伴隨有大量的塑性變形；電位為-1.1 V時(shí)，如圖9g所示，斷口出現(xiàn)小部分解理面；電位為-1.2 V時(shí)，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(dāng)電位達(dá)到-1.1 V時(shí)，材料有脆性斷裂的傾向；當(dāng)電位負(fù)于-1.2 V時(shí)，材料以脆性斷裂為主。這是因?yàn)樵谠摌O化電位下，會(huì)出現(xiàn)過保護(hù)情況，發(fā)生析氫反應(yīng)，氫會(huì)擴(kuò)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(jìn)行，氫會(huì)不斷擴(kuò)散到裂紋前端，從而加速裂紋的擴(kuò)展，使材料在遠(yuǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(hù)產(chǎn)生的氫使高強(qiáng)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(gè)曲線下的面積，所以氫降低鍵合力的同時(shí)，也降低了表面能［9-10］。此外，氫的存在促進(jìn)局部塑變，從而促進(jìn)斷裂。氫會(huì)使裂紋尖端發(fā)生位錯(cuò)，同時(shí)促使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外應(yīng)力較高時(shí)，位錯(cuò)源就會(huì)開動(dòng)使微裂紋轉(zhuǎn)化為空洞，從而導(dǎo)致韌斷。如果外應(yīng)力較低，裂紋會(huì)在無位錯(cuò)區(qū)域形成，這是因?yàn)榈偷耐鈶?yīng)力周圍的位錯(cuò)源不能開動(dòng)，就不會(huì)形成空洞，只會(huì)形成解理裂紋，最終導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)鋼焊接件斷口出現(xiàn)脆性斷裂特征，力學(xué)性能下降明顯，具有很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性。

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