鋼筋顯微組織對(duì)腐蝕的影響研究

蔡澤榮，孫紅芳，李大望，劉 冰

(1. 深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

鋼筋顯微組織對(duì)腐蝕的影響研究

蔡澤榮1,2，孫紅芳1,2，李大望1,2，劉 冰1,2

(1. 深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

鋼筋腐蝕是結(jié)構(gòu)耐久性研究的一個(gè)重要內(nèi)容。由不同晶體結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋耐腐蝕性的影響機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，影響鋼筋腐蝕的因素較多，主要包括：碳化物的含量和分布、晶界的數(shù)量和類型以及銹層形貌等。分析表明：碳化物越高，鋼筋的耐蝕性越差；晶界數(shù)量越多，耐蝕性越差；銹層越致密，其對(duì)應(yīng)的鋼筋耐蝕性能越好。

鋼筋；腐蝕；鋼筋顯微組織；晶體缺陷

1 概述

鋼筋腐蝕一直是建筑結(jié)構(gòu)不可規(guī)避的問題，2015年，根據(jù)世界鋼協(xié)(WSA)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球粗鋼產(chǎn)能已提升至23億t/a，我國(guó)的鋼筋消費(fèi)量則高達(dá)10.2億t，居于世界首位。全球每90 s就有1 t鋼筋被腐蝕，不僅造成了自然資源的消耗、浪費(fèi)，腐蝕造成的裂縫或破壞還會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至危及人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由此可見，對(duì)鋼筋腐蝕的深入研究刻不容緩，應(yīng)引起研究者的高度重視[1]。

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的綜合性能要求也越來越高。在強(qiáng)化合金鋼的問題上進(jìn)入瓶頸，轉(zhuǎn)而研究晶粒細(xì)化方式來提高材料的強(qiáng)度和韌性時(shí)，對(duì)腐蝕的研究也開始從宏觀角度轉(zhuǎn)向微觀的晶體結(jié)構(gòu)層面[2]。鋼筋的顯微組織對(duì)腐蝕的影響研究更是涉及社會(huì)生產(chǎn)的方方面面，包括汽車制造業(yè)、橋梁工程、石油、天然氣工業(yè)等[3-5]。其顯微組織如貝氏體、奧氏體、鐵素體、滲碳體、珠光體、馬氏體，都是鋼材中常見的晶體結(jié)構(gòu)，研究認(rèn)為顯微組織對(duì)鋼筋腐蝕性能具有重要的影響[6]?，F(xiàn)行的鋼筋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)鋼筋的化學(xué)成分和顯微組織做出要求。不同廠家生產(chǎn)的同一級(jí)別鋼筋，盡管力學(xué)性能相近，但成分和組織相差很大，這對(duì)腐蝕性能影響顯著[7-10]。所以，研究顯微組織對(duì)碳鋼腐蝕行為的影響，對(duì)于合理地選用鋼筋，降低鋼筋腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)工程造成的危害具有重要意義。

2 顯微組織對(duì)腐蝕的影響

根據(jù)顯微組織對(duì)鋼筋腐蝕性能的研究和數(shù)據(jù)分析，鋼筋的耐蝕性及腐蝕速率都與其顯微組織有關(guān)。按不同晶體結(jié)構(gòu)的腐蝕傾向排序，從難到易依次為：貝氏體(奧氏體)>鐵素體>珠光體(滲碳體)>馬氏體。

表1 顯微組織在不同環(huán)境下的Ecorr值

表2 由Ecorr值對(duì)不同晶體結(jié)構(gòu)腐蝕傾向的排序

通過分別測(cè)試4種不同環(huán)境條件下經(jīng)熱處理形成的不同顯微組織的Ecorr值(如表1)，按基本晶體結(jié)構(gòu)類型和腐蝕傾向順序從難到易重新排序會(huì)發(fā)現(xiàn)(如表2)，馬氏體的Ecorr值最小，且表現(xiàn)出的腐蝕程度也最嚴(yán)重，而珠光體的腐蝕傾向略低于馬氏體，鐵素體一直相對(duì)穩(wěn)定，而貝氏體表現(xiàn)出最低的耐蝕性，且腐蝕速率較慢。

綜上可知，鋼筋在化學(xué)成分含量不變時(shí)，其顯微組織成為影響鋼筋耐蝕性能的重要因素，在不同環(huán)境因素影響下，同種顯微組織的耐蝕性能表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。Ecorr反映了材料的腐蝕傾向性，Ecorr值越小，越容易發(fā)生腐蝕，含貝氏體組織的腐蝕傾向明顯低于鐵素體和珠光體，而馬氏體最易腐蝕。因此不同顯微組織的耐腐蝕傾向從難到易依次為：貝氏體>鐵素體>珠光體>馬氏體。不同顯微組織的鋼筋有不同的耐蝕性。對(duì)不同的晶體結(jié)構(gòu)而言，其耐蝕性程度的主要因素可總結(jié)為：滲碳體的含量和分布、晶界的數(shù)量和類型、銹層形貌。以下按不同晶體結(jié)構(gòu)做出分析。

2.1 貝氏體

一般情況下，將過冷奧氏體在中溫范圍內(nèi)形成的由鐵素體和滲碳體組成的非層狀組織統(tǒng)稱為貝氏體。貝氏體具有較高的韌性，在硬度相同的情況下貝氏體組織的耐磨性明顯優(yōu)于馬氏體，可以達(dá)到馬氏體的1～3倍。貝氏體鋼可作為工程構(gòu)件用鋼，用于橋梁、建筑、起重運(yùn)輸機(jī)、壓力容器、石油管線、鋼筋等方面，由于其強(qiáng)度高、焊接性好，既無(wú)制造上的困難又可節(jié)約大量鋼材，已成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型鋼[11]。

貝氏體組織較為均勻，見圖1、圖2。晶界處因雜質(zhì)而形成的電位差較小，加上小角度晶界較低的界面能。因此從顯微組織的角度分析，板條貝氏體會(huì)比鐵素體和珠光體的組織更均勻，有較好的耐腐蝕性能[12]。

圖1 光學(xué)顯微鏡下的板條貝氏體 圖2 光學(xué)顯微鏡下的粒狀貝氏體

在腐蝕初期， 鐵素體中因包含大角晶界易被擇優(yōu)腐蝕，而貝氏體為小角晶界擇優(yōu)腐蝕傾向較弱；以小角晶界代替大角晶界，減少界面能和界面雜質(zhì)偏析，可減緩其腐蝕[13]。貝氏體晶界的角度主要以小于等于10°和大于等于50°為主，其新舊相之間的相變保持一定晶體學(xué)關(guān)系，為KS(Kurdjumov-Sachs)和NW (Nishiyama-Wasserman)關(guān)系[14]。在腐蝕后期，貝氏體的銹層主要是致密內(nèi)銹層和疏松外銹層兩部分，其成分主要是α-FeOOH和少量γ-FeOOH[15]。

通過制備工藝的變化，可生成更多的亞晶界和低能CSL晶界，可以改善貝氏體鋼腐蝕初期的耐蝕性[16]。

2.2 奧氏體

奧氏體是γ-Fe中固溶少量碳的無(wú)磁性固溶體，奧氏體不銹鋼是不銹鋼中鋼種最多、使用量最大的。目前，對(duì)貝氏體和奧氏體的研究一直停留在對(duì)二者機(jī)械性能的比較，而對(duì)二者耐蝕性的對(duì)比較少。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，奧氏體比鐵素體的晶格能低，鐵素體相比奧氏體更易腐蝕，且其鈍化膜易破裂；鐵素體相比奧氏體碳化物的含量更多，腐蝕電位差大，腐蝕傾向也相對(duì)較大，但當(dāng)兩相同時(shí)存在時(shí)其耐蝕性優(yōu)于單相組織[17-19]。

2.3 鐵素體

鐵素體是碳溶解在α-Fe中的間隙固溶體。晶格類型為體心立方晶格，其常溫下的溶碳量大大低于滲碳體和珠光體，碳的含量一直是影響腐蝕性的一個(gè)關(guān)鍵因素，相比于滲碳體、珠光體，鐵素體組織含碳量更低，因此其腐蝕傾向較滲碳體更低[20]。

2.4 滲碳體

滲碳體(Fe3C)是由鐵與碳元素形成的金屬化合物。大量研究分析[21-22]顯示腐蝕速率的差異可歸因于滲碳體的含量，在鐵碳合金中有不同形態(tài)的滲碳體，其數(shù)量、形態(tài)與分布對(duì)鋼筋的耐蝕性有直接影響。在腐蝕介質(zhì)中，滲碳體比鐵素體更易被腐蝕形成鐵碳酸鹽或含鐵氧化物，且這層非均質(zhì)的腐蝕產(chǎn)物與晶體表面更容易形成局部腐蝕[23]。但文獻(xiàn)中很少以純滲碳體組織作為實(shí)驗(yàn)樣本，而更多是以鐵素體、滲碳體結(jié)合形式存在。

2.5 珠光體

珠光體鋼是鋼和鑄鐵中的兩相組織，由鐵素體(88%)和滲碳體(12%)交替而成的層狀或分層狀結(jié)構(gòu)。在珠光體中，滲碳體作為其組織中的含碳相，直接影響了珠光體的耐蝕性。不少研究者發(fā)現(xiàn)，滲碳體分布相對(duì)均勻的顯微組織，不易產(chǎn)生碳富集，即有相對(duì)較好的耐局部腐蝕性能[6,24-25]；碳化物的彌散度直接反映了鐵素體和滲碳體相界面接觸的多少[26]。滲碳體晶粒越細(xì)則會(huì)增加腐蝕速率，因?yàn)榫ЯＷ兗?xì)會(huì)增加滲碳體和鐵素體晶體表面的接觸，珠光體的兩相組織使得其晶界容易因夾雜不同元素而產(chǎn)生電位差，易形成腐蝕微電池[27-29]。片層狀珠光體結(jié)構(gòu)的腐蝕速率快于球狀珠光體，細(xì)粒狀珠光體的腐蝕速率快于粗晶粒珠光體[12,30]。

如果將鋼筋中滲碳體的總表面積減少，或有效阻隔鐵素體與滲碳體之間的聯(lián)系，可有效減輕珠光體的電化學(xué)腐蝕[26]。

2.6 馬氏體

馬氏體是將鋼加熱到一定溫度(形成奧氏體)后經(jīng)迅速淬火，得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。低碳馬氏體鋼在我國(guó)石油、煤炭、鐵道等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用，取得了延長(zhǎng)服役壽命、節(jié)約資源與原材料、提高利潤(rùn)等效益，對(duì)生產(chǎn)及生活水平的進(jìn)步與發(fā)展貢獻(xiàn)巨大。

馬氏體相比其他顯微組織具有較高的腐蝕傾向[31-33]。由于其形成時(shí)有較高的冷卻速率，使其形成了一個(gè)高密度的晶格缺陷，這也同時(shí)導(dǎo)致了高活性[34]。均勻分布在馬氏體基體中的碳化物(Fe3C)可以迅速增加其陰極面積腐蝕電位差，對(duì)耐腐蝕性有不利的影響[35]。

鐵素體-珠光體組織的耐腐蝕性優(yōu)于馬氏體組織，鐵素體-珠光體組織腐蝕產(chǎn)物的錨固性比馬氏體更好，從而增加后期形成的層狀腐蝕產(chǎn)物的錨固性[5，36]。

馬氏體的銹層一般疏松、多孔，有缺陷，且錨固性差，易剝離。珠光體腐蝕時(shí)，組織表面的層狀Fe3C作為腐蝕電池的陰極會(huì)促進(jìn)鐵素體的溶解，反應(yīng)過程伴隨著Fe2+在Fe3C片層間析出，在片層間形成FeCO3。Fe3C對(duì)FeCO3有錨固性，如果FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜破壞，F(xiàn)e2+又會(huì)在片層間重新生成FeCO3修復(fù)腐蝕膜。珠光體的腐蝕產(chǎn)物膜較厚，F(xiàn)eCO3晶粒排列緊密，成膜速度也比較快。這種保護(hù)膜阻擋了雜質(zhì)離子與組織表面的接觸，提高了耐蝕性。Fe3C作為陰極均勻的彌散分布在馬氏體組織中，不僅加速了腐蝕，且腐蝕產(chǎn)物也不具備錨固性，所以腐蝕產(chǎn)物易脫落，局部腐蝕比較嚴(yán)重[37-38]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)碳化物在組織間的彌散程度越高，耐腐蝕性越差。降低碳化物的含量并使碳化物均布分布，可以有效提高鋼筋的耐蝕性。

(2)晶粒的尺寸和晶界數(shù)量影響著鋼材的腐蝕性。減少滲碳體和鐵素體的接觸，減小電阻耦合密度，可以有效改善腐蝕性能。在晶粒尺寸減小，晶界數(shù)量增加的同時(shí)，小角度晶界對(duì)耐腐蝕性的影響不容忽視，小角度晶界具有更低的界面能，更好的穩(wěn)定性。

(3)鋼材的腐蝕行為在銹層形成后仍有傳遞性，鋼的初期腐蝕特征與長(zhǎng)期腐蝕行為存在關(guān)聯(lián)性?；瘜W(xué)成分和銹層自身的致密性對(duì)材料后期腐蝕行為起決定作用。

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Effect of microstructure on corrosion of steel bar

CAI Ze-rong1,2, SUN Hong-fang1,2, LI Da-wang1,2, LIU Bing1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China;2.KeyLaboratoryofDurabilityofCivilEngineeringinGuangdongProvince,Shenzhen518060,China)

Corrosion of steel bars is an important part of structural durability research. The influence mechanism of different crystal structures on the corrosion resistance of steel bars can be found that the factors that affect the corrosion of steel bars including the concentration and distribution of carbon, the amount and type of grain boundaries, and the densification of the rust layer. The results show that the higher the carbides, the worse the corrosion resistance of the steel bars. The more the grain boundaries are, the worse the corrosion resistance is, the more difficult the rust layer is, and the better the corrosion resistance of the steel bars.

steel bar; corrosion; steel microstructure; crystal defects

2016-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278303)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ20140418091413530)

蔡澤榮(1994—)，男，福建南平人，碩士研究生。

1674-7046(2017)01-0001-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.001

TU392.2

A