殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律研究

白林越，江克斌，高 磊 ，陳俞龍

（1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007；2.陸軍工程大學(xué) 訓(xùn)練基地，江蘇徐州221000）

0 前言

焊接時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式，焊接結(jié)構(gòu)在殘余應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，成為結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂、失效的高發(fā)區(qū)[1-4]。為提高焊接結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能，研究殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律十分重要。研究人員目前對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的研究手段以觀察焊接結(jié)構(gòu)不同區(qū)域極化曲線、電化學(xué)阻抗譜及表面腐蝕形貌為主[5-7]，而對(duì)于力學(xué)因素對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為影響規(guī)律的研究相對(duì)較少。肖紀(jì)美[8]等人通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力主要通過破壞金屬表面膜的方式影響焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕行為，但在殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為影響規(guī)律方面的研究報(bào)道較少。因此，殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律及其相關(guān)問題成為亟待解決的重要問題。

本研究以X65鋼對(duì)焊平板試件在自然海水中的腐蝕行為為對(duì)象，通過振動(dòng)時(shí)效法降低部分試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平，利用磁測法測量其近焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力，觀察殘余應(yīng)力水平不同的兩組試件表面各區(qū)域的腐蝕形貌，并通過金相分析說明顯微組織結(jié)構(gòu)與兩組試件腐蝕形貌差異的形成無關(guān)，最終獲得殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能提高措施的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備與焊接殘余應(yīng)力測量

試驗(yàn)材料采用X65級(jí)管線鋼，施焊后試件尺寸為350mm×150mm×10mm。將試驗(yàn)試件分為A1、A2兩組（每組含3個(gè)試件），利用JH-600A振動(dòng)時(shí)效設(shè)備降低A2組試件內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力水平，并對(duì)比A1、A2兩組試件的腐蝕行為。為保證試件表面完整性，采用磁測法（無損法）測量試件表面的焊接殘余應(yīng)力。測量前將試件表面打磨平整，保證平面公差等級(jí)小于7°，表面粗糙度Ra小于12 μm，以滿足磁測要求。

受試件尺寸限制，利用H-80三維應(yīng)力磁測儀測量和分析兩組試件表面的橫向殘余應(yīng)力，在確定A2組試件內(nèi)部殘余應(yīng)力消除效果的同時(shí)，為研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為機(jī)理的分析提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 全浸式海水腐蝕試驗(yàn)

為降低外界對(duì)試件腐蝕過程中能量轉(zhuǎn)化過程的干擾（如電化學(xué)試驗(yàn)中引入的電能干擾），試驗(yàn)參照《GB/T 6384-2008船舶及海洋工程用金屬材料在天然環(huán)境中的海水腐蝕試驗(yàn)方法》，利用自然海水對(duì)焊接試件進(jìn)行腐蝕，試驗(yàn)時(shí)間為60 d。下水前通過酸洗除去試件表面膜，排除表面膜不連續(xù)對(duì)試件腐蝕行為的影響。同時(shí)，將試件與石墨片相連，以提高其在自然海水中的腐蝕速率。

1.3 腐蝕形貌觀察

腐蝕試驗(yàn)后通過酸洗除去其表面腐蝕產(chǎn)物，并在酸洗溶液中加入緩蝕劑，避免腐蝕試件與溶液中的酸發(fā)生反應(yīng)。

采用SNE 4500M型掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后試件焊縫、HAZ（熱影響區(qū)）和母材表面的腐蝕形貌，并分析各區(qū)域的腐蝕特征。

1.4 顯微組織觀察

為研究焊接結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的腐蝕行為與顯微組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、確定殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律，分別在兩組試件的焊縫、HAZ和母材區(qū)域進(jìn)行取樣，并進(jìn)行拋光處理。為保證顯微組織觀察效果，采用化學(xué)浸蝕方法腐蝕試樣拋光表面，并利用光學(xué)顯微鏡觀察兩組焊接試件各區(qū)域的顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果

A1組試件的焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果如圖1所示。焊接結(jié)構(gòu)中的橫向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，在熔合線位置達(dá)到峰值，分別為155.83 MPa、158.96 MPa和138.85 MPa。隨著距焊縫中心距離的增大，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力水平逐漸降低，依次為：焊縫＞HAZ＞母材。

圖1 A1組試件橫向殘余應(yīng)力分布曲線Fig.1 Transverse stress curve of specimens in group A1

A2組試件振動(dòng)時(shí)效（VSR）處理前后的焊接殘余應(yīng)力測量結(jié)果如圖2所示。

在振動(dòng)時(shí)效處理前，A2組試件中的焊接殘余應(yīng)力分布與A1組試件相同。經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，A2組試件的橫向殘余應(yīng)力峰值顯著降低，分別由186.56MPa、181.35MPa、188.02MPa降為 53.87MPa、49.96 MPa、57.92 MPa。振動(dòng)時(shí)效處理對(duì)A2組試件的殘余應(yīng)力消除率分別為71.1%、72.5%和69.2%，達(dá)到預(yù)期的殘余應(yīng)力消除效果。

圖2 A2組試件橫向殘余應(yīng)力分布曲線Fig.2 Transverse stress curve of specimens in group A2

圖3 試件不同區(qū)域表面腐蝕形貌Fig.3 Surface Corrosion morphology in different areas of specimens

2.2 腐蝕形貌觀察結(jié)果

A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材表面的腐蝕形貌如圖3所示。

由圖3可知，兩試件焊縫表面的腐蝕形貌均以點(diǎn)蝕為主，A1組試件焊縫的點(diǎn)蝕坑密度和直徑均大于A2組試件，說明其耐腐蝕性能低于A2組試件。在HAZ中，A1組試件的腐蝕行為以均勻腐蝕為主，并伴有少量蝕坑，A2組試件的腐蝕行為以點(diǎn)蝕為主。這說明在殘余應(yīng)力的影響下，A1組試件HAZ整體的耐腐蝕性能降低，殘余應(yīng)力對(duì)試件表面整體腐蝕速率的促進(jìn)作用超過金屬表面局部腐蝕電偶對(duì)金屬局部腐蝕速率的提高作用，從而改變HAZ表面的腐蝕形貌。在母材區(qū)，雖然區(qū)域內(nèi)部殘余應(yīng)力水平相對(duì)較低，但A1組試件母材表面仍形成連續(xù)的腐蝕溝槽，并伴有蝕坑。將溝槽底部放大200倍后發(fā)現(xiàn)，其腐蝕形貌仍以均勻腐蝕為主。與A1組試件相比，A2組試件母材表面的腐蝕程度較低，其腐蝕行為以點(diǎn)蝕為主，說明焊接殘余應(yīng)力降低了A1組試件母材的耐腐蝕性能。

經(jīng)過酸洗處理后發(fā)現(xiàn)，A1組試件經(jīng)過腐蝕后在熔合線處形成明顯的腐蝕溝槽，而在A2組試件中這一現(xiàn)象并不明顯，利用SEM觀察A1組、A2組試件熔合線處的腐蝕形貌，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在A1組、A2組試件熔合線處均產(chǎn)生了腐蝕溝槽，但A1組試件熔合線處的腐蝕溝槽更深，說明在殘余應(yīng)力作用下，A1組試件熔合線處金屬的耐腐蝕性更差。在近熔合線焊縫位置，A1組試件表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，無論是蝕坑直徑還是分布密度均遠(yuǎn)大于焊縫其他區(qū)域。這表明高殘余應(yīng)力水平不僅能夠降低區(qū)域整體的耐腐蝕性能，促進(jìn)溝槽腐蝕形貌的形成，還能促進(jìn)局部蝕坑的發(fā)展。而A2組試件近熔合線處焊縫表面的點(diǎn)蝕程度雖沒A1組試件嚴(yán)重，但比焊縫其他區(qū)域更為嚴(yán)重。在近熔合線HAZ位置，A1組試件溝槽底部的腐蝕形貌更趨近于均勻腐蝕，幾乎不存在直徑較大的蝕坑，說明熔合線處金屬的耐腐蝕性能低于HAZ表面金屬的耐腐蝕性能。同時(shí)，A2組試件近熔合線處HAZ表面的腐蝕形貌也呈現(xiàn)出一定的均勻腐蝕特征，雖然仍存在少量直徑較大的蝕坑，但該區(qū)域金屬的耐腐蝕性能同樣低于A2組試件HAZ的耐腐蝕性能。

圖4 近熔合線表面腐蝕形貌Fig.4 Surface Corrosion morphology near fusion line

2.3 金相分析

顯微組織結(jié)構(gòu)能夠直接影響焊接結(jié)構(gòu)表面的腐蝕形貌，因此為獲得殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響規(guī)律，需分析兩組試件的顯微組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得出兩組試件不同區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)對(duì)各區(qū)域不同腐蝕形貌特征的影響。A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由圖5可知，A1組、A2組試件焊縫、HAZ和母材區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)無明顯差異。焊縫區(qū)域的顯微組織為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體，且存在大量細(xì)小的鐵素體和顆粒狀珠光體，使區(qū)域內(nèi)的顯微組織結(jié)構(gòu)更為細(xì)密。HAZ的顯微組織為塊狀鐵素體和少量珠光體，并伴有少量貝氏體析出。由于HAZ在施焊過程中承受大量熱輸入，區(qū)域內(nèi)的鐵素體發(fā)生膨脹，晶粒尺寸變大。母材區(qū)的顯微組織為塊狀鐵素體和珠光體，但因其鐵素體晶粒的平均尺寸小于HAZ內(nèi)的鐵素體晶粒的平均尺寸，且顆粒狀珠光體的數(shù)量多于HAZ，所以母材區(qū)的耐腐蝕性能高于HAZ。

熔合線處的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6中可知，兩組試件熔合線HAZ一側(cè)在成形后產(chǎn)生粗大魏氏體組織，這是由于熔合線處的HAZ在施焊過程中過熱所致[9]。粗大的魏氏體晶粒降低了熔合線HAZ一側(cè)的耐腐蝕性能，是熔合線處腐蝕溝槽產(chǎn)生的主要原因。

2.4 分析與討論

觀察A1組、A2組試件表面的腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)，雖然兩組試件腐蝕前的表面狀態(tài)、腐蝕環(huán)境和腐蝕時(shí)間均相同，但無論是試件自身各區(qū)域的腐蝕行為還是兩試件的腐蝕行為，均存在很大差異。焊接殘余應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)顯示：A1、A2組試件中的焊接殘余應(yīng)力水平隨著距焊縫中心距離的增大而逐漸降低，焊接結(jié)構(gòu)三個(gè)區(qū)域殘余應(yīng)力水平關(guān)系為σ焊縫＞σHAZ＞σ母材；A2 組試件在經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，其內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平降低約70%，而兩組試件各區(qū)域的顯微組織結(jié)構(gòu)無明顯差異。因此，兩組試件內(nèi)部殘余應(yīng)力水平的差異與試件之間腐蝕形貌的差異存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平是影響焊接結(jié)構(gòu)腐蝕行為的主要因素。

圖5 試件不同區(qū)域顯微組織結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure in different areas of specimens

圖6 各組試件熔合線處顯微組織結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of fusion line in different groups of specimens

2.4.1 不同區(qū)域腐蝕行為差異

焊縫表面的焊接殘余應(yīng)力水平很高，本應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，但是在施焊過程中，焊材熔化并迅速升溫，焊材晶體組織在高溫下（T＞700℃）發(fā)生相變并進(jìn)入奧氏體轉(zhuǎn)化區(qū)[9]，因此冷卻后的焊縫顯微組織結(jié)構(gòu)為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和珠光體。雖然在腐蝕過程中焊縫區(qū)的顯微組織結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，引起晶間腐蝕，但由于焊縫區(qū)域顯微組織結(jié)構(gòu)更為細(xì)小致密，其耐腐蝕性能仍然高于HAZ和母材區(qū)。

HAZ表面較高水平的焊接殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)能升高[10]，降低金屬原子轉(zhuǎn)化為金屬離子所需的活化能，使金屬表面的電化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力水平較低時(shí)，HAZ表面的腐蝕形貌以點(diǎn)蝕為主，在殘余應(yīng)力和較大晶粒尺寸的影響下，其點(diǎn)蝕程度比焊縫和母材表面更嚴(yán)重。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力水平較高時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)能的升高降低了區(qū)域整體的耐腐蝕性能，腐蝕電偶對(duì)局部電化學(xué)反應(yīng)速率的促進(jìn)作用不再明顯，HAZ表面的主要腐蝕行為由點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為均勻腐蝕。同時(shí)，不論HAZ表面殘余應(yīng)力水平高低，其表面腐蝕程度均隨著殘余應(yīng)力水平的升高而趨于嚴(yán)重。

振動(dòng)消除應(yīng)力后，母材表面的腐蝕速率很低，在腐蝕過程中會(huì)出現(xiàn)少量的點(diǎn)蝕坑。但是，未經(jīng)振動(dòng)消除應(yīng)力處理焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致母材表面形成腐蝕溝槽，并在腐蝕溝槽以外區(qū)域產(chǎn)生大量蝕坑，其蝕坑直徑大于低殘余應(yīng)力水平下母材的蝕坑直徑。

2.4.2 近熔合線表面腐蝕行為

熔合線處的粗大魏氏體是腐蝕溝槽產(chǎn)生的主要原因，且熔合線處的殘余應(yīng)力水平會(huì)影響腐蝕溝槽的深度：殘余應(yīng)力水平越高，腐蝕溝槽越深，金屬損失越多。

振動(dòng)消除應(yīng)力后，由于該區(qū)域焊縫在形成過程中與少量熔化的母材融合，其顯微組織結(jié)構(gòu)在相變后更為粗大，耐腐蝕性能降低。在殘余應(yīng)力的作用下，近熔合線處焊縫表面的點(diǎn)蝕程度明顯高于焊縫其他區(qū)域，且焊接殘余應(yīng)力水平越高，點(diǎn)蝕程度越嚴(yán)重。

近熔合線處HAZ表面的焊接殘余應(yīng)力水平高于HAZ其他區(qū)域，在焊接殘余應(yīng)力的作用下內(nèi)能增量更大。因此近熔合線處HAZ表面呈現(xiàn)出更明顯的均勻腐蝕特征，其表面的蝕坑數(shù)量明顯少于HAZ其他區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）振動(dòng)消除應(yīng)力后，焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)焊縫、HAZ和母材表面的點(diǎn)蝕行為起到促進(jìn)作用，局部腐蝕電偶仍是結(jié)構(gòu)表面腐蝕行為的主要影響因素。

（2）未經(jīng)振動(dòng)消除應(yīng)力處理時(shí)，殘余應(yīng)力為影響結(jié)構(gòu)表面腐蝕行為的主要因素，并使結(jié)構(gòu)表面的腐蝕行為由點(diǎn)腐蝕轉(zhuǎn)化為均勻腐蝕。

（3）粗大魏氏體是腐蝕溝槽產(chǎn)生的主要原因，而殘余應(yīng)力水平越高，熔合線處的腐蝕溝槽越深，金屬損失量越多，因此殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)成為應(yīng)力腐蝕開裂、失效高發(fā)區(qū)的重要原因。

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