氯化鈉溶液預(yù)腐蝕對(duì)304不銹鋼表面空蝕的影響

劉海霞, 歐陽(yáng)亞?wèn)|, 陳 杰, 劉光磊, 余 輝

(江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

空化是發(fā)生在液體中的一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象.當(dāng)液體中局部靜壓強(qiáng)低于其飽和蒸汽壓時(shí),其中的空化核將迅速長(zhǎng)大成為肉眼可見(jiàn)的空化泡.空化泡遷移至高壓區(qū)時(shí),會(huì)由于內(nèi)外壓強(qiáng)不平衡而潰滅,空化泡潰滅的瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊波或微射流.當(dāng)材料表面長(zhǎng)期受到空化泡潰滅作用時(shí),就會(huì)產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象[1].應(yīng)用于海洋和船舶工程中的機(jī)械部件在運(yùn)行時(shí)常受到腐蝕和空蝕的聯(lián)合作用[2].多重因素對(duì)材料表面的作用涵蓋了復(fù)雜的機(jī)理,已有研究表明材料在氯化鈉溶液中會(huì)受到腐蝕和空蝕的協(xié)同作用,從而導(dǎo)致材料失效加速,壽命縮短[3].也有科研人員對(duì)被NaCl溶液腐蝕后試樣進(jìn)行空蝕研究,結(jié)果表明一定程度的腐蝕能夠延緩空蝕發(fā)展[4],例如,316LVM鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl溶液中形成的鈍化膜會(huì)降低空蝕發(fā)生的概率[5].可見(jiàn),介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響腐蝕與空蝕聯(lián)合作用的重要因素.文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)在人工模擬海水(NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%)中,隨著硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高,鎳鋁青銅抵抗空蝕和腐蝕的能力明顯下降,而錳鋁青銅和錳黃銅對(duì)硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不敏感.NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～15.0%時(shí),ASTM1045碳鋼的質(zhì)量損失存在臨界值[7].在空蝕與腐蝕的協(xié)同作用中,氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)加速雙相不銹鋼(00Cr22Ni5Mo3N)表面層納米力學(xué)性能的退化[8].在脈沖空蝕與腐蝕共同作用過(guò)程中,316L不銹鋼(美標(biāo)AISI 316L不銹鋼)由于鈍化膜的自恢復(fù)作用而呈現(xiàn)負(fù)協(xié)同特征[9].

不銹鋼在流體機(jī)械的加工制造中被廣泛采用,但是在含有Cl-的海洋環(huán)境中,不銹鋼容易發(fā)生晶間腐蝕、縫隙腐蝕及點(diǎn)腐蝕等局部腐蝕[10-11].受海域位置、氣候等因素的影響,海水中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng).考慮到沿海地區(qū)的實(shí)際使用環(huán)境,探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕后不銹鋼的空蝕特征具有重要的工程價(jià)值.目前關(guān)于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)不銹鋼腐蝕程度影響的認(rèn)識(shí)還不夠充分,對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕的金屬材料空蝕特征的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道.

筆者以304奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象,對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.0%、3.5%和4.5%的NaCl溶液中被腐蝕24 h后的304不銹鋼進(jìn)行射流空蝕試驗(yàn),通過(guò)測(cè)量、觀察試樣的質(zhì)量損失、表面形貌、微觀組織和表面粗糙度等,對(duì)試樣表面的空蝕特征進(jìn)行系統(tǒng)分析與對(duì)比,研究成果將為過(guò)流部件的空蝕機(jī)理研究與空蝕性能改進(jìn)提供參考.

1 試驗(yàn)材料和方法

采用符合美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布的ASTM G134—95《空化液體射流對(duì)固體材料侵蝕的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》的射流空蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究,其裝置示意圖見(jiàn)文獻(xiàn)[2].將304奧氏體不銹鋼棒材加工成圖1所示的形狀.不銹鋼中C、Si、Mn、P、S、Cr和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.038%、0.469%、1.288%、0.039%、0.019%、18.233%和8.106%,其余為Fe.

圖1 304不銹鋼試樣結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖(單位: mm)

將分析純氯化鈉粉末與蒸餾水按一定比例配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.0%、3.5%和4.5%的氯化鈉溶液.304不銹鋼試樣經(jīng)800、1 000、1 200、1 500和2 000號(hào)砂紙依次打磨,再用1 μm的金剛石拋光液拋光至鏡面效果.之后分別在3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液中腐蝕24 h,在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗5 min,再吹干,然后在射流空蝕試驗(yàn)裝置中空蝕45 min.進(jìn)而使用EX225DZH型電子分析天平稱量試樣的失重,相關(guān)計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11].利用日本奧林巴斯OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察試樣表面三維形貌.利用FEI NovaNano 450型掃描電鏡觀察空蝕后的試樣表面形貌.使用美國(guó)阿美特克集團(tuán)公司的1260A+1287A多通道電化學(xué)工作站測(cè)定腐蝕后試樣的極化曲線.使用ICX4IM型金相顯微鏡觀察試樣截面金相組織.采用掃描電鏡配備的EBSD探頭測(cè)量試樣截面的晶粒大小與取向.

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣累計(jì)質(zhì)量損失

圖2為試樣被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的NaCl溶液腐蝕后、再空蝕,且腐蝕和空蝕時(shí)間相同時(shí)獲得的累計(jì)質(zhì)量損失mdiss對(duì)比.

圖2 試樣被NaCl溶液腐蝕、再空蝕后累計(jì)質(zhì)量損失對(duì)比

試驗(yàn)中,每組試樣測(cè)5次,取平均值.本試驗(yàn)質(zhì)量損失誤差值為±0.003 mg.

由圖2可知,在腐蝕和空蝕時(shí)間相同的條件下,隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,304不銹鋼試樣的累計(jì)質(zhì)量損失呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì).當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),試樣累計(jì)質(zhì)量損失為0.070 mg,相較于未腐蝕試樣,累計(jì)質(zhì)量損失減少了0.008 mg;當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),試樣累計(jì)質(zhì)量損失為0.050 mg,可見(jiàn)明顯小于NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)的情況;當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至4.5%時(shí),試樣累計(jì)質(zhì)量損失為0.060 mg,相比于NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)增加了0.010 mg,但較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)有所減少.可見(jiàn),304不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中腐蝕后、再空蝕,其累計(jì)質(zhì)量損失最小,試樣的空蝕損傷也最輕.

2.2 試樣表面三維形貌

圖3為被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕、再空蝕后試樣表面三維形貌圖,其中h為基于參考平面的高度,深藍(lán)色凹陷處為試樣表面發(fā)生空蝕的區(qū)域,淺綠色及黃色凸起部分為試樣表面的空蝕滯后區(qū).通過(guò)比較相鄰區(qū)域顏色變化可以獲得試樣表面的三維輪廓特征,進(jìn)而可以推斷試樣表面空蝕坑數(shù)量與分布狀況.

圖3 被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕、再空蝕后試樣表面三維形貌圖

圖3a中,被2.0%NaCl溶液腐蝕24 h、再射流空蝕45 min的試樣表面出現(xiàn)明顯凸起,同時(shí)試樣表面出現(xiàn)尺寸較大、深度較深、分布不均勻的凹坑,圖中的顏色變化范圍較大,表明試樣表面凸起和凹坑區(qū)域高度差較大.圖3b中,當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),試樣表面無(wú)凸起現(xiàn)象,但出現(xiàn)了尺寸較小的凹坑,凹坑尺寸分布相對(duì)均勻,未發(fā)生空蝕的綠色區(qū)域面積較大,圖中的顏色變化范圍較小,表明試樣表面起伏程度較小.圖3c中,當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí),試樣表面出現(xiàn)了少量凸起,且凹坑尺寸增大,深度增加,但凸起和凹坑分布較為均勻,試樣表面空蝕滯后區(qū)的整體面積減少,與深藍(lán)色凹陷區(qū)域的高度差明顯增加,表明試樣表面的凹凸不平程度增大;與NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)相比,試樣表面凸起與凹陷區(qū)域高度差及整體的凹坑尺寸均較小,其凹凸不平程度較小.綜上可知,304不銹鋼試樣在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中被腐蝕、再空蝕后,其表面空蝕損傷隨NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先減弱、后增強(qiáng)的趨勢(shì),這與試樣累計(jì)質(zhì)量損失的變化趨勢(shì)一致.

2.3 試樣表面微觀形貌

將在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中被腐蝕、再空蝕的304不銹鋼試樣與未經(jīng)NaCl溶液腐蝕304不銹鋼試樣分別進(jìn)行45 min射流空蝕試驗(yàn),并進(jìn)行對(duì)比,各試樣表面的SEM顯微形貌如圖4所示.圖4a中,對(duì)于未腐蝕的試樣,其表面受到空化泡潰滅作用后出現(xiàn)了較為明顯的空蝕坑和裂紋.部分裂紋較深,且延伸至空蝕坑,并與之相通,使材料表面出現(xiàn)層狀剝落,從而形成較大尺寸凹坑.圖4b中,經(jīng)過(guò)2.0%NaCl溶液腐蝕24 h的試樣,再射流空蝕45 min后,其表面出現(xiàn)較為明顯的滑移.同時(shí)由于滑移系移動(dòng)和累積變形,以及晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的晶粒取向變化,使晶界處萌生微裂紋,晶界得以顯現(xiàn).由圖4b可見(jiàn)層狀剝落更傾向于在晶界處發(fā)生,與未經(jīng)腐蝕的試樣相比,所形成的凹坑尺寸更小,深度更淺.

圖4 被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕的試樣空蝕后的SEM顯微形貌

圖4c中,當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至3.5%時(shí),試樣表面整體較為平整,空蝕坑較小,且數(shù)量少,晶界處有微裂紋產(chǎn)生,但初生裂紋并未擴(kuò)展.與圖4b相比,晶粒內(nèi)部滑移現(xiàn)象更加明顯,部分區(qū)域出現(xiàn)滑移裂紋,從而使材料表面出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象.圖4d中,當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí),試樣表面出現(xiàn)較多黑色斑點(diǎn)和空蝕坑,同時(shí)晶界處出現(xiàn)的微裂紋擴(kuò)展引起了層狀剝落.此外,試樣表面還呈現(xiàn)大范圍塑性變形.試樣表面產(chǎn)生的剝落及空蝕破壞程度較溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)小,但比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)更為嚴(yán)重.總之,腐蝕后試樣表面的空蝕程度較未腐蝕時(shí)有所下降,說(shuō)明NaCl溶液的腐蝕對(duì)不銹鋼的空蝕有延緩作用,并且延緩程度隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈先增大、后減小的趨勢(shì).

2.4 試樣表面粗糙度

表面粗糙度Rs為通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)得的表面高度均方根值,其計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[2].在每組試樣的表面空蝕區(qū)取點(diǎn)測(cè)3次表面粗糙度,取平均值.未腐蝕及被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕試樣在空蝕后的表面粗糙度如圖5所示.

圖5 不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下試樣空蝕后表面粗糙度對(duì)比

由圖5可知:隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,空蝕后304不銹鋼試樣的表面粗糙度先減小、后增大,這與試樣表面微觀形貌的變化趨勢(shì)相似;對(duì)于未經(jīng)腐蝕的試樣,其射流空蝕后的表面粗糙度最大,為0.094 μm;在2.0%NaCl溶液中被腐蝕后、再空蝕的試樣表面粗糙度略微減小,由試樣的表面微觀形貌可知,這是由于被2.0%NaCl溶液腐蝕后、再空蝕時(shí),試樣表面由于層狀剝落而產(chǎn)生的凹坑尺寸和深度減小;3.5%NaCl溶液中試樣表面粗糙度最小,為0.053 μm,這是因?yàn)槠浣韺幼冃纬潭容^均勻,材料只在晶界處有少量剝落;當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí),試樣表面粗糙度為0.076 μm,較3.5%NaCl溶液中的試樣增加了約43%,但明顯小于2.0%NaCl溶液中的試樣表面粗糙度,結(jié)合圖4d,可知這是因?yàn)樵嚇酉牧烁嗫栈轁玑尫诺哪芰?造成更大面積的塑性變形所致.

2.5 被NaCl溶液腐蝕后試樣的電化學(xué)分析

測(cè)試采用三電極體系進(jìn)行,其中參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑片電極,工作電極為304不銹鋼.測(cè)試區(qū)域的表面積為113.10 mm2,非測(cè)試區(qū)域用環(huán)氧樹(shù)脂封裝,試驗(yàn)溫度控制在25 ℃.根據(jù)開(kāi)路電位將初始電位和終止電位分別調(diào)整至-0.8和0.4 V,掃描速率為0.001 V/s.圖6為304不銹鋼在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中腐蝕24 h后測(cè)得的極化曲線,其中U為腐蝕電位,J為腐蝕電流密度.

圖6 304不銹鋼在腐蝕24 h后的極化曲線

自腐蝕電位和自腐蝕電流密度是對(duì)極化曲線陰極極化和陽(yáng)極極化做切線擬合時(shí),得到的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).表1為304不銹鋼在3種NaC1溶液中的自腐蝕電位Ucorr和自腐蝕電流密度Jcorr.

表1 304不銹鋼的腐蝕參數(shù)

由圖6可知,不銹鋼在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中極化曲線形狀相似,且具有典型的分段特征.總之,左側(cè)陰極區(qū)曲線斜率基本不變,右側(cè)陽(yáng)極區(qū)曲線斜率變化較明顯,說(shuō)明極化曲線陰極區(qū)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)沒(méi)有明顯變化,反應(yīng)過(guò)程主要由陽(yáng)極極化過(guò)程控制.不銹鋼在NaCl溶液中陰極反應(yīng)主要為

(1)

NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,僅為2.0%時(shí),試樣表面Cr2O3致密氧化膜不易被氯離子擊穿,表現(xiàn)為較高的點(diǎn)蝕電位.此時(shí)金屬陽(yáng)極主要發(fā)生的溶解反應(yīng)為

(2)

(3)

累積的金屬離子質(zhì)量超過(guò)腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2、Cr(OH)3的溶解度后,則會(huì)發(fā)生金屬離子水解反應(yīng).當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3.5%時(shí),形成的腐蝕產(chǎn)物將進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng),即

(4)

(5)

這使得3.5%NaCl溶液中試樣表面的鈍化膜更為致密,導(dǎo)致304不銹鋼基體與溶液介質(zhì)隔離程度最高,在降低基體溶解速率的同時(shí),極大地阻礙了Fe2+、Cr3+和Ni2+向溶液中的擴(kuò)散.當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到4.5%時(shí),除了加快金屬基體的溶解和水解反應(yīng),還發(fā)生以下反應(yīng),破壞鈍化膜的連續(xù)性,即

(6)

式中: M表示金屬元素;下標(biāo)ox表示氧化物或氫氧化物中的離子;aq表示溶液中的離子.

由表1可知,隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,試樣自腐蝕電位先增大、再減小,但自腐蝕電流密度則為先減小、再增大.此外,根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布的ASTM G102—89《電化學(xué)測(cè)量中腐蝕速率和相關(guān)信息計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比.這表明被3.5%NaCl溶液腐蝕的不銹鋼具有較強(qiáng)自鈍化能力和較低自腐蝕速率,2.0%NaCl溶液腐蝕的不銹鋼自鈍化能力次之,4.5%NaCl溶液腐蝕的不銹鋼最弱.

2.6 試樣截面的金相組織分析

304奧氏體不銹鋼為面心立方晶體結(jié)構(gòu),具有12個(gè){111}<110>滑移系,故一般情況下不易以孿晶的形式發(fā)生變形.由于空化射流發(fā)生的時(shí)間尺度很小,試樣表面受空化作用而迅速產(chǎn)生形變,原子擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)尚來(lái)不及進(jìn)行.同時(shí),304奧氏體不銹鋼具有較低的層錯(cuò)能,因此也會(huì)產(chǎn)生孿晶.圖7為被不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液腐蝕后、再空蝕的304不銹鋼試樣橫截面金相組織照片.

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液中試樣的橫截面金相組織照片

圖7a中,試樣橫截面上方出現(xiàn)明顯凹陷,并且顏色變暗,這說(shuō)明試樣表面出現(xiàn)層狀剝落現(xiàn)象.結(jié)合圖4試樣的SEM表面形貌可知,這是由于裂紋沿著晶界向晶粒內(nèi)部延展,并與空蝕坑相互作用所致.同時(shí),在凹陷區(qū)下方還出現(xiàn)了深度約20 μm的塑性變形層,并且在試樣近表面處觀察到了變形孿晶.圖7b中,試樣橫截面上方并未出現(xiàn)凹陷,保持了原始晶粒的特征,在較大的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了變形孿晶,孿晶層厚度增加,塑性變形層深度增加至29 μm.圖7c中,試樣表層出現(xiàn)凹陷,但其整體損傷不及圖7a嚴(yán)重.此外,試樣近表面出現(xiàn)的變形孿晶數(shù)目增多,孿晶層厚度增加,塑性變形層的深度進(jìn)一步增加至33 μm.

綜上可知,試樣被NaCl溶液腐蝕、再發(fā)生空蝕后,其損傷程度及表面粗糙度均小于未被腐蝕而直接發(fā)生空蝕的試樣.被質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.0%、3.5%和4.5%NaCl溶液腐蝕的試樣發(fā)生空蝕后,其累計(jì)質(zhì)量損失隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高呈先減小、再增大的趨勢(shì),試樣表面的凹凸不平程度也隨之先減小、再增大.這一規(guī)律表明被NaCl溶液腐蝕后,試樣表面空蝕破壞被延緩,但延緩程度隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增大、后減小的趨勢(shì).

2.7 被NaCl溶液腐蝕、再空蝕試樣的EBSD分析

隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,試樣被腐蝕后,再發(fā)生空蝕,其表面塑性變形逐漸加大.故選擇被4.5%NaCl溶液腐蝕后的試樣,對(duì)其截面進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)測(cè)試.圖8為腐蝕后的304不銹鋼試樣在射流空蝕前后的橫截面由EBSD測(cè)試獲得的反極圖,圖中不同顏色代表不同晶粒取向.

圖8 304不銹鋼試樣空蝕前后的截面反極圖

測(cè)得腐蝕后未空蝕試樣近表面的平均晶粒尺寸為6.8 μm,而射流空蝕后試樣近表面平均晶粒尺寸減小至3.5 μm.

圖9為射流空蝕前后304不銹鋼試樣不同晶界數(shù)分?jǐn)?shù)n變化對(duì)比,其中晶界數(shù)分?jǐn)?shù)指的是一定取向角α的晶界數(shù)量占總晶界數(shù)量的比例.

圖9 空蝕前后304不銹鋼試樣晶界數(shù)分?jǐn)?shù)變化對(duì)比

由圖9可知,空蝕后,試樣近表面區(qū)域取向角小的晶界數(shù)分?jǐn)?shù)增大.這說(shuō)明試樣近表面在空蝕中發(fā)生了位錯(cuò)增殖,大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成位錯(cuò)胞,從而形成胞狀的亞晶結(jié)構(gòu),試樣近表面處出現(xiàn)了晶粒細(xì)化現(xiàn)象.此外,取向角為60°時(shí)晶界數(shù)分?jǐn)?shù)也有所增大,這是因?yàn)?04不銹鋼的{111}<112>孿生系誘發(fā)孿生現(xiàn)象,從而使取向角為60°時(shí)孿晶界數(shù)量增加.在射流空蝕的過(guò)程中,304不銹鋼試樣近表面塑性變形以滑移為主、孿生為輔.

304不銹鋼試樣的織構(gòu)演變和變形的擇優(yōu)取向可以通過(guò)極圖來(lái)說(shuō)明,圖10為試樣在射流空蝕前后近表面處的極圖,其中Er為織構(gòu)強(qiáng)度.

圖10 空蝕前后304不銹鋼試樣近表面處的極圖

圖10a中,未空蝕試樣表面具有一定程度的擇優(yōu)取向,并且其最大織構(gòu)強(qiáng)度為26.80,但晶粒取向分布比較混亂,其織構(gòu)呈隨機(jī)分布的特點(diǎn),無(wú)法分辨試樣表面主要的織構(gòu)類型.圖10b中,當(dāng)試樣表面受到射流空蝕作用后,其近表面處織構(gòu)類型發(fā)生變化,晶粒的擇優(yōu)取向明顯,試樣表面的織構(gòu)類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃opper織構(gòu){112}<111>,并且最大織構(gòu)強(qiáng)度增加至27.34.這說(shuō)明腐蝕后的未空蝕試樣表面在受到空化泡潰滅產(chǎn)生的應(yīng)力作用后,晶粒內(nèi)部除了發(fā)生位錯(cuò)滑移現(xiàn)象,還產(chǎn)生了明顯的轉(zhuǎn)動(dòng).因而試樣近表面處晶粒取向逐漸趨于一致,從而產(chǎn)生了較為統(tǒng)一的變形織構(gòu),試樣近表面區(qū)域呈現(xiàn)明顯的各向異性特征.

圖11為作用在試樣表面的壓應(yīng)力分解示意圖.當(dāng)不銹鋼試樣表面受到空化射流壓應(yīng)力作用時(shí),其表面會(huì)發(fā)生以滑移為主的塑性變形.由圖11可知,在晶體滑移面上會(huì)產(chǎn)生與壓應(yīng)力呈一定角度的剪切應(yīng)力τrss,并且該剪切應(yīng)力是引起滑移的主要原因.

圖11 作用在試樣表面的壓應(yīng)力分解示意圖

剪切應(yīng)力計(jì)算公式[12]如下:

(7)

式中:τrss為作用在圖11中滑移面上驅(qū)動(dòng)滑移的剪切應(yīng)力;p為試樣表面受到的壓應(yīng)力;A0為試樣橫截面積;AS為滑移面面積;φ為壓應(yīng)力p與滑移面法線的夾角;θ為壓應(yīng)力p與滑移方向的對(duì)角.

圖12為面心立方結(jié)構(gòu)及其滑移系{111}<110>的兩種滑移面排列的示意圖,其中灰色陰影區(qū)域表示滑移面的排列情況.

圖12 面心立方結(jié)構(gòu)及其滑移系{111}<110>的兩種滑移面排列示意圖

3 結(jié)果分析與討論

304不銹鋼的耐腐蝕性能主要取決于Cr元素的鈍化作用,其表面可自發(fā)地形成Cr2O3等連續(xù)致密的氧化膜,從而使金屬基體和腐蝕介質(zhì)隔開(kāi).但在含有Cl-的溶液中,304不銹鋼表面的氧化膜容易受到Cl-的破壞,從而發(fā)生點(diǎn)蝕脫落,使金屬基體直接暴露在溶液中[13].當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到3.5%時(shí),金屬陽(yáng)極溶解加快,同時(shí)促進(jìn)了水解過(guò)程中生成OH-,OH-與金屬離子結(jié)合形成氫氧化物M(OH)n或氧化物M2On[14],形成新的鈍化膜.當(dāng)腐蝕后試樣進(jìn)行空蝕試驗(yàn)時(shí),點(diǎn)蝕坑上覆蓋的鈍化膜承受空化泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波或微射流作用后,消耗了部分空化泡潰滅釋放的能量,從而起到了延緩空蝕的作用.當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%時(shí),試樣表面形成的鈍化膜并不連續(xù),不能完全覆蓋在點(diǎn)蝕坑上,空化效應(yīng)導(dǎo)致更大的空蝕凹坑產(chǎn)生,如圖4d所示.當(dāng)被NaCl溶液腐蝕后再進(jìn)行射流空蝕時(shí),試樣表面的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和塑性變形增強(qiáng).這主要是由于點(diǎn)蝕導(dǎo)致MnS等夾雜物脫落[15],降低了試樣表面晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)阻力,從而在試樣近表面處形成更加有利于滑移的變形織構(gòu),該織構(gòu)在空化射流壓應(yīng)力作用下更加穩(wěn)定.因此,當(dāng)NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),試樣表面的空蝕破壞程度最輕.

4 結(jié) 論

1)3.5%NaCl溶液中,304不銹鋼具有較強(qiáng)自鈍化能力和較小自腐蝕速率,此時(shí)腐蝕傾向最弱,形成的鈍化膜穩(wěn)定性最強(qiáng).在4.5%NaCl溶液中形成的鈍化膜并不連續(xù),之后的射流空蝕試驗(yàn)中,由于空化效應(yīng)導(dǎo)致試樣近表面處產(chǎn)生更大的空蝕坑.

2)被NaCl溶液腐蝕后的試樣與未被腐蝕的試樣相比,其表面的射流空蝕破壞程度較輕,表面粗糙度較小.隨著NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,在腐蝕時(shí)間和空蝕時(shí)間均相同的條件下,304不銹鋼試樣表面的塑性變形愈加明顯,孿晶層厚度逐漸增加.此外,試樣的累計(jì)質(zhì)量損失和表面凹凸不平的程度均呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì),在NaCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)兩者均達(dá)到最小值.

3)基于EBSD測(cè)試結(jié)果,被NaCl溶液腐蝕后再射流空蝕的試樣與未空蝕試樣相比,其近表面處的平均晶粒尺寸減小,孿晶界數(shù)量增加,晶粒取向發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變,織構(gòu)由原來(lái)的隨機(jī)分布轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的{112}<111>織構(gòu),織構(gòu)強(qiáng)度增大.同時(shí),近表面處的位錯(cuò)滑移更容易發(fā)生,塑性變形以滑移為主、孿生為輔.