海洋大氣中30CrMnSiNi2A鋼接觸腐蝕疲勞性能研究＊

上官曉峰，姜 松，王晴晴

（西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安710021）

我國航空工業(yè)中廣泛使用的中碳低合金超高強(qiáng)度鋼，具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性及良好的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕性能，主要用于制造飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁等受力結(jié)構(gòu)件．該鋼在30CrMnSiNiA鋼基礎(chǔ)上提高了Mn和Cr的含量，添加了1．40%～1．80%的Ni，使其淬透性得到明顯地提高，改善了該鋼的韌性和抗回火穩(wěn)定性［1］．其對(duì)腐蝕環(huán)境比較敏感，易產(chǎn)生腐蝕，特別是關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)腐蝕失效將會(huì)嚴(yán)重威脅飛行安全［2］．一般采用電化學(xué)的方法，根據(jù)電偶電流密度的大小來判定在腐蝕環(huán)境中異種金屬接觸產(chǎn)生電偶腐蝕的敏感性．這種方法的優(yōu)點(diǎn)是快速，由于在試驗(yàn)溶液中進(jìn)行，與實(shí)際情況差異較大．因此，有必要進(jìn)行接近服役環(huán)境的大氣暴曬試驗(yàn)．

文獻(xiàn)［3］等將涂漆的30CrMnSiNi2A高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼機(jī)翼主梁在海南暴曬后，得出腐蝕及腐蝕與疲勞交替作用會(huì)引起其疲勞壽命明顯降低．文獻(xiàn)［4］等將在大氣腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期放置1～15年的30CrMnSiNi2A鋼進(jìn)行疲勞試驗(yàn)繪得疲勞曲線．文獻(xiàn)［5］等研究了TA15鈦合金與不同表面處理的30CrMnSiA鋼接觸后，在海南萬寧大氣試驗(yàn)站大氣暴露3年的腐蝕情況．文獻(xiàn)［6］等人研究了30CrMnSiA鋼在北京地區(qū)的大氣腐蝕的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和腐蝕特征．文獻(xiàn)［7］等分析了五種常用類型的不銹鋼在中國典型工業(yè)、海洋和鄉(xiāng)村大氣環(huán)境下、大氣暴曬12年的腐蝕狀況，結(jié)果表明，在萬寧和青島兩地區(qū)不銹鋼的腐蝕速率最高，這主要是由于萬寧和青島兩地區(qū)屬于海洋性氣候，大氣中含有高含量的Cl離子．

國外的很多研究都集中于大氣腐蝕初期階段的腐蝕行為，因?yàn)樵诮饘倩w和環(huán)境之間形成一層初期腐蝕產(chǎn)物，這一層產(chǎn)物將影響金屬后續(xù)的腐蝕情況．如一些學(xué)者研究了鋼鐵在含有氯化物和酸性霧氣中的潮濕氣體中的腐蝕產(chǎn)物以及在大氣腐蝕環(huán)境下的銹層形成機(jī)制［8-11］，另外高吸濕性鹽分的存在，如NaCl、NH4Cl，對(duì)鋼的腐蝕成因起著重要作用［12］．由于30CrMnSiNi2A鋼與 TC18鈦合金的大氣接觸腐蝕尚無報(bào)導(dǎo)，文中針對(duì)此問題探討了海洋大氣環(huán)境下30CrMnSiNi2A鋼與TC18鈦合金的接觸腐蝕疲勞性能．

1 試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料為TC18鈦合金和30CrMnSiNi2A鋼，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別見表1～2．

由于鈦合金的電位較正，當(dāng)TC18鈦合金和30CrMnSiNi2A鋼在電解液里接觸后會(huì)引起30CrMnSiNi2A鋼的加速腐蝕．在之前的接觸腐蝕研究中［13］，得出磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼與陽極化處理后的TC18鈦合金接觸所得到的電偶腐蝕電流最小，將此材料用于鹽霧試驗(yàn)中得出磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼無論膠結(jié)裝配與否，腐蝕都較輕．因此，本次大氣暴露試驗(yàn)的材料采用這種處理方式，即30CrMnSiNi2A鋼化學(xué)磷化后噴涂漆層（先噴H06-D鋅黃底漆，再噴13-2丙烯酸聚氨酯面漆），TC18鈦合金表面進(jìn)行硫酸陽極化處理．兩種材料的連接方式為不裝配和膠結(jié)裝配，如圖1所示．

1．2 海洋大氣環(huán)境暴曬試驗(yàn)

海洋大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)分別在海南萬寧和青島團(tuán)島的大氣環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行．其中海南萬寧地理位置約為東經(jīng)110°，北緯18°，遠(yuǎn)離大陸，總的來看年平均氣溫高，相對(duì)濕度大，雨水充沛，日照時(shí)間長(zhǎng)，屬于熱帶濕潤(rùn)區(qū)海洋氣候，是我國海洋大氣環(huán)境腐蝕較嚴(yán)重的地區(qū)．該地區(qū)主要以自然農(nóng)業(yè)為主，大氣較清潔，污染因素較少．團(tuán)島大氣環(huán)境試驗(yàn)站地處青島市西南端，屬亞熱帶半濕潤(rùn)海洋性氣候，晝夜溫差教大，污染成分的含量較高．海南萬寧和青島團(tuán)島試驗(yàn)站大氣環(huán)境特征參數(shù)［14-15］見表3．

表1 TC18鈦合金化學(xué)成分Tab．1 Chemical composition of TC18titanium alloy

表2 30CrMnSiNi2A鋼化學(xué)成分Tab．2 Chemical composition of 30CrMnSiNi2Asteel

圖1 材料連接方式Fig．1 Material connection

不同連接方式的30CrMnSiNi2A鋼試樣分別放置在海南和青島的海邊大氣試驗(yàn)站暴露1年．暴露架為鋁合金制，樣品用瓷柱從邊部固定于架上，樣品與水平面成45度角，上表面朝向南方（朝陽）．暴曬場(chǎng)的地面為草坪，附近沒有影響風(fēng)雨及陽光的屏蔽物，樣品或架子上的雨水也不會(huì)流到其他樣品上．試驗(yàn)周期為1年．記錄暴曬試樣的表面腐蝕形貌、腐蝕類型和程度，并利用相機(jī)拍攝試樣的宏觀腐蝕形貌．依據(jù)文獻(xiàn)［13］中 DFR方法計(jì)算出30CrMnSiNi2A鋼在疲勞壽命為105周次時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值763．244MPa，在室溫下，以此應(yīng)力為最大加載應(yīng)力，在應(yīng)力比R＝0．1、試驗(yàn)頻率為10 Hz的條件下分別測(cè)得在海南和青島大氣暴曬后這種超高強(qiáng)度鋼的疲勞壽命．試驗(yàn)設(shè)備為100kN微機(jī)控制電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（PLD-100）．將疲勞斷口保護(hù)好，從距斷口10mm處鋸下，在掃描電子顯微鏡（FEIQUANTA-400）下觀察試樣的斷口形貌．之后將小塊鑲在牙托粉里，斷口鄰邊粗磨、細(xì)磨直至拋光，在光學(xué)顯微鏡（NEOPHOT-30）下觀察腐蝕深度．

表3 海南萬寧和青島團(tuán)島試驗(yàn)站大氣環(huán)境特征參數(shù)表Tab．3 Atmospheric environment characteristics of Wanning and Tuandao test station

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

以763．244MPa為最大應(yīng)力值，應(yīng)力比R＝0．1，測(cè)試波形為正弦波，頻率為10Hz，在常溫下測(cè)試30CrMnSiNi2A鋼海洋大氣暴曬試樣的疲勞壽命，得到數(shù)據(jù)見表4．將疲勞壽命數(shù)據(jù)依據(jù)肖維那法［16］進(jìn)行取舍，步驟為

① 計(jì)算數(shù)據(jù)的疲勞壽命平均值，標(biāo)準(zhǔn)差S．

② 計(jì)算可疑數(shù)據(jù)的偏差與標(biāo)準(zhǔn)差的比值．

式中：Xi為可疑數(shù)據(jù)；di為可疑數(shù)據(jù)以及平均值的偏差．

③ 查肖維那表中相應(yīng)d／S的值，得n＝5時(shí)，d／S＝1．64．

④判定可疑數(shù)據(jù)取舍．

根據(jù)以上取舍原則篩選疲勞數(shù)據(jù)，經(jīng)分析表4的數(shù)據(jù)可靠，沒有可疑數(shù)據(jù)．（編號(hào)規(guī)則：“P1”代表青島，“P2”代表海南；“1-4”～“1-8”代表不裝配，“2-4”～“2-8”代表膠結(jié)裝配）

計(jì)算出每組試樣疲勞壽命的平均值，見表5．

表4 30CrMnSiNi2A鋼疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．4 Fatigue test data of 30CrMnSiNi2-A steel

表5 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值Tab．5 Average data of fatigue tests

用t檢驗(yàn)法研究不同接觸狀態(tài)海洋大氣暴曬試件的疲勞壽命與105周次差別，由于對(duì)數(shù)疲勞壽命近似服從正態(tài)分布，因此對(duì)30CrMnSiNi2A鋼試樣的對(duì)數(shù)疲勞壽命進(jìn)行t檢驗(yàn)分析，其統(tǒng)計(jì)量為

從表5可以得出，30CrMnSiNi2A鋼暴曬試樣的疲勞壽命都保持在105周次，并沒有數(shù)量級(jí)的降低，從表6也可分析出無論將磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼暴曬在青島還是海南，其疲勞壽命與105周次相比沒有顯著性差異，說明磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼可有效防止海洋大氣環(huán)境的腐蝕，另外，膠結(jié)裝配也并沒有使其疲勞壽命的數(shù)量級(jí)降低，表明膠結(jié)也可在一定程度上防止電偶腐蝕的發(fā)生．從表5的平均壽命和表6的安全壽命來看，海南試樣的壽命均低于青島試樣的壽命．圖2和圖3分別為30CrMnSiNi2A鋼的宏觀表面腐蝕形貌和微觀腐蝕深度圖．

從圖2～3可明顯觀察出30CrMnSiNi2A鋼的試樣無論暴曬在青島還是海南，裝配與否，其腐蝕都很輕微，對(duì)疲勞壽命沒有明顯影響．暴曬在海南的30CrMnSiNi2A鋼涂漆試樣比暴曬在青島的腐蝕稍微嚴(yán)重，且腐蝕以點(diǎn)蝕為主，海南試樣的腐蝕深度大，使得海南試樣的疲勞壽命均值和安全壽命均低于青島的．這主要是由于海南萬寧站屬于高濕環(huán)境，年平均相對(duì)濕度為87%，全年幾乎都處于臨界濕度以上，年潤(rùn)濕時(shí)數(shù)長(zhǎng)，為金屬的電化學(xué)腐蝕提供了充分的條件，海南萬寧站屬于典型的海洋性大氣環(huán)境，空氣中富有的海鹽離子大大加快了金屬的腐蝕速度，特別是Cl-是引起鋼點(diǎn)蝕的重要因素．30CrMnSiNi2A鋼具有良好的抗疲勞性能，使其壽命并沒有低于105周次．這與表5和表6的結(jié)論一致．磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼之所以會(huì)發(fā)生腐蝕，是由于磷化層和漆層都是多孔層，當(dāng)電解液覆蓋在材料上時(shí)，部分離子（特別是半徑很小的Cl-）會(huì)從微孔滲入，腐蝕30CrMnSiNi2A鋼．從圖2中看出裝配試樣在膠結(jié)連接處并沒有腐蝕的痕跡，表明漆層和膠層由于電阻很大，都可有效防止30CrMnSiNi2A鋼與TC18鈦合金因接觸而發(fā)生的電偶腐蝕．

表6 t檢驗(yàn)結(jié)果Tab．6 t test results

圖2 30CrMnSiNi2A鋼的宏觀表面腐蝕形貌Fig．2 Macro corrosion figure of 30CrMnSiNi2Asteel

圖3 30CrMnSiNi2A鋼的微觀腐蝕深度（×200）Fig．3 Micro corrosion depth of 30CrMnSiNi2Asteel（×200）

2．2 疲勞斷口微觀形貌分析

30CrMnSiNi2A鋼暴曬試樣的疲勞源形貌如圖4所示，使用能譜分析儀檢測(cè)疲勞源的成分，見表7～8．從圖4中可以看出疲勞源區(qū)在試樣表面形成，漆層很好地保護(hù)了30CrMnSiNi2A鋼，使其表面并沒有產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物，因此在海洋大氣環(huán)境下磷化涂漆的30CrMnSiNi2A鋼的疲勞壽命并沒有受到顯著影響．從表7～8對(duì)比也可得出暴曬1年試樣中表面成分變化不大，說明沒有發(fā)生明顯的腐蝕．表8中圖譜3出現(xiàn)反常，可能是材料內(nèi)部存在缺陷．綜上所述可知這種防護(hù)措施能很好地保護(hù)30CrMnSiNi2A鋼在海洋大氣環(huán)境下的接觸腐蝕和大氣腐蝕．

圖5為30CrMnSiNi2A鋼鹽霧腐蝕膠結(jié)裝配試樣的疲勞源形貌．圖5與圖3相比，發(fā)現(xiàn)鹽霧腐蝕試樣表面腐蝕坑明顯比海洋大氣腐蝕試樣大且深，使得其疲勞壽命略低于海洋大氣暴曬試樣的疲勞壽命．這是由于鹽霧試驗(yàn)使得材料一直長(zhǎng)時(shí)間處于NaCl鹽溶液的潤(rùn)濕狀態(tài)，而海洋大氣暴曬試驗(yàn)由于太陽的直射和高溫，使材料處于干濕交替的狀態(tài)．由此可知，鹽霧試驗(yàn)并不能完全代替材料在海洋大氣環(huán)境下的真實(shí)腐蝕情況．海洋大氣暴曬和鹽霧對(duì)30CrMnSiNi2A鋼疲勞源的影響程度不太相同，兩者對(duì)材料的疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)形貌并沒有影響．

表7 暴曬1后年青島試樣的成分（ω／%）Tab．7 Composition of samples exposed for 1year in Qingdao（ω／%）

圖4 30CrMnSiNi2A鋼疲勞源形貌Fig．4 Fracture morphology of 30CrMnSiNi2Asteel

表8 暴曬1后年海南試樣的成分（ω／%）Tab．8 Composition of samples exposed for 1year in Hainan（ω／%）

圖5 30CrMnSiNi2A鋼鹽霧腐蝕膠結(jié)裝配試樣的疲勞源形貌Fig．5 Fracture morphology of salt spray corrosion cementation samples of 30CrMnSiNi2Asteel

圖6是30CrMnSiNi2A鋼疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的形貌圖．從圖6可以觀察到30CrMnSiNi2A鋼的疲勞條帶短窄而紊亂，不符合細(xì)密且整齊的韌性斷裂特征，符合典型的脆性斷裂特征．還可以看到明顯的二次裂紋，圖6（a）是由于材料的強(qiáng)度高，塑性差，即裂紋局部瞬時(shí)前沿線的微觀塑性差，不能靠塑性變形來降低能量，靠增加二次裂紋的界面能來消耗能量．瞬斷區(qū)的典型特征是韌窩．因第二相粒子與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生分離，導(dǎo)致了在第二相質(zhì)點(diǎn)處微孔形核，微孔形核長(zhǎng)大和聚合在斷口上留下的痕跡，即大小不等的韌窩．有韌窩的存在并不代表材料的斷裂就是韌性斷裂，因?yàn)椴牧显诤暧^上為脆性斷裂的方式，材料的某些局部區(qū)域也有可能發(fā)生塑性變形，在微觀形態(tài)上會(huì)觀察到韌窩的存在．

圖6 30CrMnSiNi2A鋼疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的形貌圖Fig．6 Fracture morphology of extended area and transient fault zone of 30CrMnSiNi2Asteel

3 結(jié) 論

1）磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼暴曬在海南和青島，與TC18鈦合金裝配與否，試樣的腐蝕都很輕微，以點(diǎn)蝕形式為主，海南的試樣比青島的試樣腐蝕略微嚴(yán)重．

2）從平均疲勞壽命、安全壽命和概率統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn)均可得出海洋大氣腐蝕對(duì)磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A鋼的疲勞壽命沒有影響；磷化層和涂漆層可有效防止海洋大氣腐蝕和接觸腐蝕．

3）海洋大氣暴曬試樣和鹽霧腐蝕試樣相比，材料的表面都會(huì)發(fā)生腐蝕，腐蝕程度不同，都對(duì)疲勞源區(qū)產(chǎn)生影響，而對(duì)疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的微觀形貌沒有影響，30CrMnSiNi2A鋼的擴(kuò)展區(qū)特征形貌為疲勞條帶，瞬斷區(qū)的特征形貌為韌窩．

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