國內(nèi)鋼的顯微組織耐蝕性研究概述

焦海東，劉麗霞，彭 軍，鄭麗麗，吳世杰

（1.內(nèi)蒙古科技大學 材料與冶金學院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)先進陶瓷材料與器件重點實驗室，內(nèi)蒙古包頭 014010）

根據(jù)交通運輸部消息，截至2017 年底，全國鐵路營業(yè)里程達12.7 萬公里，是1978 年的2.5倍，特別是高速鐵路里程達2.5 萬公里，占世界高速鐵路里程的三分之二。而作為高速鐵路的重要組成部分的鋼軌，越來越受到國內(nèi)外的重視。由于我國鐵道行業(yè)鋼鐵使用量最大，鋼軌的腐蝕問題一直是鐵路發(fā)展過程中一個不容忽視的問題[1]。因鋼軌長時間暴露在大氣中，易受到各種嚴酷環(huán)境的腐蝕而大量損耗，嚴重影響到高速鐵路運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。所以，解決鋼軌耐蝕性是至關重要的。隨著我國鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展，牽引重量、行車速度、運輸密度和年通過總重的提高，大大增加了鋼軌的負荷，加大了鋼軌的傷損[2]。目前，世界各國對鋼性能的研究主要集中在高強度、高耐磨性上，但對鋼顯微組織耐腐蝕性能研究卻鮮有報道。

1 各種工藝對顯微組織的研究

不同的工藝得到不同的顯微組織，而顯微組織直接決定鋼的初期腐蝕行為并間接影響長期腐蝕行為[3,4]。公開資料顯示，相關研究學者試圖通過改變耐候鋼的顯微組織以提高耐腐蝕性能，改變組織形態(tài)對耐候鋼的耐腐蝕性能有改善作用[5]。組織成分對重軌鋼性能起著決定性作用，影響重軌鋼組織結構的因素有很多,如溫度、合金化元素、冷卻條件、加工條件等[6]。在耐腐蝕性能方面，也有文獻證明珠光體片層間距的細化可以提高鋼材的耐腐蝕性能[7-9]。因此，采用各種方式去細化珠光體片層結構，也是至關重要的。

1.1 熱處理的影響

王曉麗等[6]對U75V 重軌鋼軋材經(jīng)14 道次粗軋、中軋和6 道次精軋，然后用掃描電鏡觀察重軌鋼組織各道次珠光體片層間距。從而得出，重軌鋼的軋制變形量越大,珠光體組織的片層間距值越小，軋制道次越多，組織材料的強度和硬度越高，重軌鋼的韌塑性、耐磨性、耐蝕性和抗接觸疲勞能力都較好。

周麗等[10]通過對自煉含Cr 重軌鋼分別進行鍛造和軋制工藝獲得1 號和2 號實驗鋼，然后采用光學顯微鏡、掃描電鏡、XRD、周期浸潤試驗箱腐蝕、電化學等方法研究了重軌鋼在模擬工業(yè)大氣環(huán)境下的腐蝕速率大小：1 號鍛造工藝實驗鋼＞2 號軋制工藝實驗鋼。因此，經(jīng)軋制處理的含Cr 重軌鋼的耐腐蝕性優(yōu)于經(jīng)鍛造處理的含Cr 重軌鋼；實驗鋼經(jīng)軋制工藝處理后可促進保護性銹層的增加，提高了銹層阻止侵蝕性介質(zhì)穿透的能力。

安小凡等[11]采用Fluent 軟件進行了有限元模擬，對BNbRE 重軌鋼經(jīng)100m/s 和200m/s 的風速冷卻后，得到的顯微組織都為索氏體，但隨冷卻風速的增大，片層間距變得更為細小，細化珠光體片層結構，改善了重軌鋼的性能。

1.2 稀土元素的影響

荊鑫等[12]對重軌鋼添加了0.03%的La-Ce 元素，用掃描電鏡觀察夾雜物的形狀由長條狀變?yōu)閳A形，且夾雜物尺寸明顯減小，重軌鋼珠光體片層間距也明顯減小，從而微觀組織得到細化，提高了重軌鋼的性能。李春龍等[13]采用實驗測定、金相觀察和理論分析等方法研究了在本實驗條件下，稀土加入量為0.01%時，潔凈BNbRE 重軌鋼的性能得到顯著改善，且微量的稀土起到實現(xiàn)凈化鋼液、變質(zhì)夾雜物和微合金化作用,而且作用效果非常穩(wěn)定。定巍等[14]采用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡以及相變儀等研究了對U71Mn 重軌鋼添加稀土La 可使各相變點有一定程度的下降，且細化和均勻化奧氏體晶粒，珠光體片層間距減小，顯微組織馬氏體板條細化。

包喜榮等[15]對含有稀土元素的重軌鋼BNbRE和U71Mn 采用了熱模擬試驗機和掃描電鏡方法研究了不同的終軋溫度和稀土元素對重軌鋼動態(tài)再結晶的影響。研究表明，奧氏體的動態(tài)再結晶明顯受到稀土元素的抑制，并且珠光體片層間距得到細化。稀土元素可抑制重軌鋼動態(tài)再結晶，并在較高終軋溫度下也可使顯微組織細小化和均勻化。

1.3 合金化元素的影響

包喜榮等[16]對含有微合金元素V、Nb 和Re的重軌鋼BNbRE、U75V 和U71Mn 采用了熱模擬試驗機和掃描電鏡方法研究了不同的終軋溫度和微合金元素V、Nb 和Re 對重軌鋼動態(tài)再結晶的影響。研究結果顯示，通過觀察顯微組織，VC 在晶界析出,阻止了奧氏體晶粒再結晶長大,從而細化了珠光體片層間距；RE 對晶界的固溶拖曳作用起到細化珠光體組織的作用，而Nb 則具有更強的細化晶粒作用。

王韶華等[17]利用Thermocalc 熱力學軟件、相顯微鏡和掃描電鏡等方法，研究了Cr 合金元素對重軌鋼組織性能影響。結果表明，當添加的Cr 合金化元素含量為0.45%時，重軌試驗鋼的強度和硬度均達到最大值，且珠光體片層間距達到最小，晶粒度等級得到提高，晶粒尺寸變得細小。添加0.45%的Cr 元素更有利于α-FeOOH 的快速形成和含量的增加，且基體表面形成的Cr 氧化物在一定程度上提高了實驗重軌鋼的耐腐蝕性能，同時也增加了銹層阻止侵蝕性介質(zhì)穿透的能力[18]。

許家彥等[19]采用變形誘導鐵素體相變控制技術和未再結晶控軋技術對傳統(tǒng)345MPa 級Cu-P-Cr-Ni 系列09CuPCrNi 鋼進行Nb 微合金化，可使鋼帶晶粒尺寸超細化，強度和屈服強度得到顯著提高，同時鋼帶也具有良好的塑性、韌性、冷彎性能、耐大氣腐蝕性能和焊接性能。

劉承軍等[20]對采用真空感應爐模擬、金相顯微分析、掃描電鏡測定等方法研究了碳對Mn、Nb、RE 等元素的稀土重軌鋼的影響，從研究結果得出，稀土重軌鋼的奧氏體晶粒尺寸、珠光體片層間距、屈服強度和抗拉強度隨著碳含量的增加而逐漸增大，但是沖擊韌性則隨著碳含量的增加逐漸減小。

2 各種工藝及鋼的耐蝕性的研究

2.1 熱處理的耐蝕性

吳紅艷等[21]對09CuPTi 系耐候鋼采用兩階段軋制生產(chǎn)出精軋終軋溫度、終冷溫度及冷卻速度不同的3 種實驗鋼，且顯微組織均為針狀鐵素體+板條貝氏體。研究表明，在終冷溫度為530℃，冷卻速度為25℃/s 時，具有良好的屈服強度、抗拉強度和強韌性，且在模擬工業(yè)大氣環(huán)境下銹層明顯呈現(xiàn)出內(nèi)外兩層，外銹層疏松，內(nèi)銹層致密，具有保護基體的作用，與Q345 鋼相比具有良好的耐腐蝕性。

董月芬等[22]采用XRD、SEM、TEM等方法分析30Cr13 管線鋼在300℃、500℃和650℃回火溫度下耐腐蝕性能的研究。結果顯示，在300℃和500℃回火管線鋼顯微組織均為回火馬氏體，650℃顯微組織為塊狀的鐵素體，由于500℃回火管線鋼出現(xiàn)了“失鈍”的現(xiàn)象，使其耐腐蝕性明顯低于300℃和650℃的回火管線鋼，且650℃的回火管線鋼淬火溫度的提高對耐蝕性無明顯改善。

郝雪卉等[23]對AH32 耐蝕鋼采用周期浸泡、掃描電鏡、電子探針等方法研究了在軋制面和橫截面試樣顯微組織的耐腐蝕性能。研究結果表明，軋制面珠光體所占面積分數(shù)小，且表面有均勻腐蝕和因夾雜物溶解所形成的腐蝕坑；橫截面珠光體所占面積分數(shù)大，且沿條帶狀珠光體組織腐蝕；后者比前者的腐蝕速度快，隨周期浸泡時間的延長兩者的腐蝕速度均加快。

郭明曉等[24]對Q235 碳鋼采用X 射線衍射、掃描電鏡及電化學測試等方法在模擬海洋工業(yè)大氣環(huán)境中探究了不同比例SO2和Cl-的協(xié)同效應對碳鋼初期耐腐蝕性能的影響。研究結果表明Q235碳鋼在腐蝕初期呈現(xiàn)出先加速后減速的腐蝕過程；腐蝕24h 后，表面銹層呈現(xiàn)出內(nèi)層致密外層疏松的兩層結構。SO2促使碳鋼腐蝕形態(tài)更均勻化，SO2和Cl-的協(xié)同效應會加速碳鋼的腐蝕，但二者不同比例對碳鋼腐蝕的失重無明顯影響，對腐蝕產(chǎn)物成分也無改變。

2.2 材料的耐蝕性

郭佳等[25]對貝氏體鋼、鐵素體鋼和傳統(tǒng)耐候鋼09CuPCrNi 三種低合金鋼采用光學金相技術模擬沿海大氣環(huán)境中的初期腐蝕行為進行了分析研究。貝氏體鋼具由良好的強韌性和耐腐蝕性能，鐵素體+珠光體傳統(tǒng)耐候鋼09CuPCrNi 也有較好的長期耐腐蝕性能，原因可能是由于珠光體中的滲碳體片對銹層與基體起鉚接作用[25,26]。

夏昕鳴等[27]采用中性鹽霧試驗方法通過室內(nèi)模擬南海大氣環(huán)境分別對Q235B、Q355 和Q500qE 三種試樣進行耐腐蝕性能研究。結果顯示，Q235B表面最先被完全腐蝕，Q355 和Q500qE 的表面膜初期具有延緩腐蝕作用，Q500qE 極化阻抗最大，表面腐蝕最為平整，三種試驗鋼耐腐蝕性能依次為：Q500qE＞Q355＞Q235B。腐蝕首先在試樣表面劃痕或缺陷等處局部發(fā)生并迅速擴展，表層銹蝕產(chǎn)物結構相對疏松，對基體保護作用有限[27]。

陳小平等[28]對耐候鋼和碳鋼的銹層組織的研究表明，腐蝕初期耐候鋼以α-FeOOH 成分為主的銹層組織，因銹層α-FeOOH 晶體枝晶纖細致密，具有鈍化作用，對基體具有很好保護作用；碳鋼以Fe2O3成分為主的銹層組織，因銹層Fe2O3枝晶粗大疏松多孔,不具保護作用。

劉建容等[29]對武鋼生產(chǎn)的WNQ570 熱軋板鋼在武鋼工業(yè)大氣下暴露8 年與09CPrNi 鋼和Q345 鋼作對比進行研究耐腐蝕性能。結果表明，8 年的試驗，WNQ570 鋼和09CPrNi 鋼的腐蝕率是Q345 鋼的69%和60%，WNQ570 鋼與09CPrNi鋼的腐蝕接近，且優(yōu)于Q345 鋼。

邸全康等[30]對Cu-P-Cr 鋼和Cu-P-Cr-Ni 鋼與Q235 鋼做對比，進行了組織及耐蝕性的研究。結果表明，耐蝕性優(yōu)劣順序依次為：Cu-P-Cr-Ni鋼＞Cu-P-Cr 鋼＞Q235 鋼，在腐蝕初期，Cu-P-Cr鋼耐蝕性略低于Cu-P-Cr-Ni 鋼，當產(chǎn)生一定銹層后，Cu-P-Cr 鋼耐蝕性反而略高于Cu-P-Cr-Ni鋼[29]。

魏新帝等[31]通過采用周期浸潤、中性鹽霧實驗掃描電鏡和X 射線衍射技術等方法對23Co14Ni12Cr3Mo 和 40CrNi2Si2MoVA 兩種超高強鋼的耐腐蝕性能進行了研究。研究顯示，兩種鋼在干濕交替環(huán)境中耐腐蝕性最差，23Co14Ni12Cr3Mo鋼比40CrNi2Si2MoVA鋼的耐腐蝕性更好；腐蝕產(chǎn)物的銹層主要由外層疏松的γ-FeOOH 和內(nèi)層較為致密、附著力較強的α-FeOOH 組成。

3 各種合金化及組織的耐腐蝕研究

3.1 合金化的耐蝕性

吳立竹[32]研究了Cr 元素對套管鋼腐蝕行為的影響。研究結果表明，隨著Cr 元素含量的增加，實驗鋼晶粒出現(xiàn)明顯細化，抗拉強度和屈服強度均增大，沖擊功和伸長率出現(xiàn)先增加再降低的趨勢，表面銹層更加致密，微孔的數(shù)量減少，分層現(xiàn)象更加清晰明顯。因此，腐蝕速率下降，耐腐蝕性能提高。

王越等[33]研究了兩種熱軋態(tài)Q500H 和Q700H高強度耐候鋼，采用了周期浸泡實驗、SEM、XRD、電化學測試等方法對其顯微組織和耐蝕性能做了分析。從而得出，實驗鋼顯微組織均由珠光體和多邊形鐵素體組成，增加Cr、Ni 元素細化了金相組織的同時還使珠光體片層間距減小，同時Cr、Ni的增加促進生成了致密的穩(wěn)定α-FeOOH 和Fe3O4，使得鋼體表面銹層越來越致密，有效的減少了基體被腐蝕的可能性。而Q700H 相比Q500H腐蝕速率慢，耐腐蝕性更優(yōu)。

王曉麗等[34]采用掃描電鏡、周期浸潤腐蝕和電化學等方法研究得出了在模擬工業(yè)大氣環(huán)境下，RE 重軌鋼的RE 合金元素促進了致密的穩(wěn)定α-FeOOH 的快速生成及含量增加，使得耐腐蝕性優(yōu)于不含RE 的重軌鋼，且提高了RE 重軌鋼表面銹層抗腐蝕介質(zhì)穿透的能力，改善了重軌鋼的耐腐蝕性。

案紫瑞等[35]設計研究出新型Ci、N、Mo、Cu、Si多元合金化的鑄造不銹鋼,經(jīng)熱處理后得到單相奧氏體顯微組織，具有較小的晶間腐蝕傾向、良好的抗點蝕性能和抗高溫濃硫酸腐蝕性能。

吳紅艷等[36]利用光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、電子探針（EPMA）、周期浸潤腐蝕和電化學等方法研究了高強度耐候鋼組織和耐腐蝕性。結果表明，耐候鋼的顯微組織主要是準多邊形鐵素體+粒狀貝氏體，隨Cu 元素含量的增加，銹層致密度增加，銹層與鋼基體的結合力增強，有效的阻止了腐蝕介質(zhì)與基體接觸腐蝕，從而提高耐腐蝕性能。

邵長靜[37]通過優(yōu)化合金設計，添加P、Cu 等合金元素提高耐蝕性，設計出兩種不同成分的低碳貝氏體鋼1#鋼和2#鋼，其顯微組織均為細小的粒狀貝氏體，與細小的鐵素體+珠光體組織09CuPCrNi 鋼和粗大的鐵素體+珠光體組織Q345 鋼做對比，耐腐蝕性能為：2# 鋼＞09CuPCrNi 鋼＞1#鋼＞Q345 鋼，因此，Cu、P 和Ni 元素使得基體呈均勻腐蝕，且銹層均勻增厚，有效的提高了耐蝕性能。

張賀佳等[38]通過添加Cu、C 元素及熱軋空冷工藝，研究了Cu、C 元素對Cr9Mo1 鋼耐腐蝕性能及力學性能的影響。結果顯示，添加Cu 元素對兩種含C 量的Cr9Mo1 鋼力學性能無明顯影響；C 的含量主要影響Cr9Mo1 鋼的力學性能，而對耐腐蝕性能無明顯影響。同時添加0.2%(質(zhì)量分數(shù))Cu 元素，C 含量較低的Cr9Mo1 鋼強度及塑性均略有提高，而C 含量較高的Cr9Mo1 鋼強度略有提高，但塑性略下降。

目前耐蝕鋼的研制主要是通過加入合金元素，得到有利的組織和形成良好的保護膜,以此來提高材料的耐蝕性能[23,39-41]。

3.2 組織的耐蝕性

董杰等[42]采用控扎控冷工藝分別獲得貝氏體和鐵素體+珠光體顯微組織，進行模擬海水腐蝕實驗，并利用SEM、XRD 和電化學測試方法研究CuPCr 型耐海水腐蝕鋼顯微組織及耐腐蝕性能。結果表明：貝氏體組織能夠在較短的時間內(nèi)形成比較致密穩(wěn)定的銹層,其耐腐蝕性能明顯優(yōu)于腐蝕產(chǎn)物疏松的鐵素體和珠光體組織。

王燕榮等[43]采用控扎控冷工藝研究了不同Cr含量對管樁鋼顯微組織及性能的影響。結果表明，添加0.5%Cr、1.0%Cr 和1.5%Cr 管樁鋼的金相組織分別為多邊形鐵素體+少量珠光體，不規(guī)則鐵素體+少量粒狀貝氏體和鐵素體+貝氏體+少量M-A 島；隨著Cr 含量的增加，管樁鋼的屈強強度、抗拉強度、屈強比、耐點腐蝕性能逐漸增加，而斷后伸長率逐漸降低，1.5%Cr 管樁鋼具有最佳的耐腐蝕性。

邵軍[44]采用模擬腐蝕試驗方法，在酸性氯離子環(huán)境下分別對低合金高強度船板鋼的馬氏體，貝氏體＋鐵素珠，珠光體＋鐵素體組織進行了耐蝕性研究。研究結果顯示，因馬氏體組織單一、碳化物析出少、腐蝕產(chǎn)物對基體具有保護作用；復相珠光體組織，有較高電位的滲碳體,與鐵素體組織存在的相間電位差促進了鐵素體的腐蝕,其表面銹層完整性與保護作用較差，腐蝕速率最大。貝氏體＋鐵素體鋼的顯微組織單一性上較差,但富碳相較少且分布均勻,其耐腐蝕性介于馬氏體鋼和鐵素體＋珠光體鋼之間。

晁月林等[5]通過運用兩種實驗鋼（如表1 所示），對實驗鋼1 進行控軋控冷后空冷工藝獲得組織為貝氏體+馬氏體+塊狀的鐵素體的1 號樣，如圖1a 和b 所示；對實驗鋼1 進行控軋控冷后再次熱處理后經(jīng)950℃淬火工藝獲得淬火馬氏體組織的2 號樣，如圖1c 和d 所 示；對實驗鋼2 進行控軋控冷后熱處理空冷工藝獲得鐵素體＋珠光體組織的3 號樣，如圖1e 和f 所示。采用光學顯微鏡、掃描電鏡、XRD、干濕交替實驗機、電化學測試等方法研究三個試樣的相對腐蝕速率，和Q235 碳鋼進行對比，從而得出腐蝕速率的大小為：1 號樣的5Cr 鋼＞2 號樣的5Cr 鋼＞3 號樣的Q235 碳鋼；馬氏體使得5Cr 鋼的自腐蝕電位Ecorr 高于復相組織。

表1 2 種實驗用鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） ωB/%

4 結語

本文分別從各種鋼種的分析方法、加工工藝、合金化元素和不同組織對鋼的屈服強度、抗拉強度、屈強比、塑性、韌性和耐腐蝕性等方面的影響，側(cè)重于耐腐蝕性的研究，歸納了以下幾個結論：

（1）鋼的兩大研究路線就是熱處理和合金化，進而改變金相組織，去研究不同顯微組織表現(xiàn)出來的性能。

（2）熱處理方法，比如通過軋制、增大冷卻風速，使得晶粒尺寸減小，改變珠光體片層結構，細化了片層間距，進而改善了鋼的性能，也提高了耐腐蝕性。

（3）合金化方法，比如添加微量的稀土元素、多元合金元素，促進了珠光體快速生成，細化了珠光體片層間距，晶粒尺寸減小，同時也促進了表面銹層穩(wěn)定致密物的快速生成，很好的防止了基體被腐蝕，提高了耐腐蝕性，改善了鋼的性能。

因此，根據(jù)國內(nèi)外對鋼顯微組織的耐腐蝕性的研究成果而言，并沒有相對比較成熟的工業(yè)化可生產(chǎn)的技術與鋼種產(chǎn)品。在耐腐蝕方面，采用各種方式方法都沒有實質(zhì)性的突破。近十幾年，我國的鋼鐵有了很大的突破，但在鋼軌上的研發(fā)，有很大的困難，而沒有太大的進展。本文進行了大量的文獻調(diào)研，歸納總結了鋼顯微組織耐腐蝕方面的研究內(nèi)容，希望能幫助到更多的學者研究出更具成熟的工業(yè)化鋼種，對世界工業(yè)化的發(fā)展、科技的發(fā)展、人類社會的進步有著重要意義。

圖1 鋼種試樣的金相/掃描組織形貌