變電設(shè)施用鋼與7 系鋁合金的鹽霧腐蝕及力學(xué)性能衰減研究

樊 磊， 李 波， 張有佳， 黃朝文， 石 維， 李 偉

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 貴州 貴陽(yáng) 550000；2.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院， 吉林 吉林 132000； 3.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 前 言

低合金鋼因具有強(qiáng)韌性適中、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路橋梁、高壓輸電塔體、車(chē)輛、海洋工程、建筑、壓力容器、特種設(shè)備等領(lǐng)域[1]。 高壓隔離開(kāi)關(guān)是發(fā)電廠和變電站電氣系統(tǒng)中重要的開(kāi)關(guān)，其承載部分的主要用材為Q345 鋼。 電器電力部門(mén)的運(yùn)行分析報(bào)告指出，因大氣環(huán)境中空氣濕度及腐蝕介質(zhì)含量過(guò)高導(dǎo)致Q345 鋼的銹蝕已成為高壓隔離開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行的最大隱患[1]。 雖然現(xiàn)有裸露鋼結(jié)構(gòu)件表面常采用有機(jī)或者無(wú)機(jī)涂層處理，前期可防止或延遲腐蝕的發(fā)生及發(fā)展，但是對(duì)于重污染區(qū)和濕度較高的沿海地區(qū)，通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)件表面制備防腐涂層等現(xiàn)有防腐措施的效果明顯不足[2]。 另外，由于高壓隔離開(kāi)關(guān)的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，接觸部位常伴有嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致表面涂層很快就被磨損掉，失去防腐的作用，此外，因涂層局部的磨損脫落引起的局部嚴(yán)重腐蝕會(huì)加速構(gòu)件腐蝕[3]。 因此，要徹底解決這一問(wèn)題，必須從基材著手，尋找一種與鋼材強(qiáng)度相當(dāng)、耐久性更好、景觀效果好的新型材料，替換Q345 鋼作為高強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的構(gòu)件基材。 7075 鋁合金被廣泛應(yīng)用于海洋船舶工程、航空航天等領(lǐng)域，其0.2%屈服強(qiáng)度可達(dá)到455 MPa 左右，高于Q345鋼[4－7]，從強(qiáng)度設(shè)計(jì)角度可用于替代Q345 鋼制造高壓隔離開(kāi)關(guān)。 但以往研究[6]表明，7075 鋁合金是所有鋁合金中耐鹽霧腐蝕性能較差的合金之一。 在相同的腐蝕環(huán)境中，與Q345 鋼相比7075 鋁合金的耐腐蝕性能和力學(xué)性能衰減率的高低仍有待研究。 目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有利用鋁合金代替鋼用于電力設(shè)施的先例，且國(guó)際上也無(wú)采用7075 鋁合金替代Q345 鋼用于電器設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的研究多分別對(duì)Q345 鋼和7075 鋁合金在不同的腐蝕環(huán)境中的性能進(jìn)行研究。 為此，本工作對(duì)比了7075 鋁合金和Q345 鋼在經(jīng)過(guò)不同鹽霧腐蝕時(shí)間(7，21，42 d)后的力學(xué)性能衰減和表面腐蝕形貌變化規(guī)律，為用于高強(qiáng)度腐蝕環(huán)境中的高壓隔離開(kāi)關(guān)相關(guān)零部件選材提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

Q345 鋼和7075 鋁合金的金相組織如圖1 所示，化學(xué)成分如表1 所示。 由圖1 可知，Q345 鋼的原始組織為典型的熱軋回火組織，7075 鋁合金的原始組織為軋制變形后T6 處理(完全人工時(shí)效)后的組織，晶粒沿著軋向被拉長(zhǎng)，可見(jiàn)少量的細(xì)小析出相。 由表1 可知，與相關(guān)文獻(xiàn)[8，9]對(duì)比，本工作采用的試驗(yàn)用Q345 鋼和7075 鋁合金的成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表1 Q345 鋼和7075 鋁合金的化學(xué)成分 %Table 1 Chemical composition of Q345 steel and 7075 aluminum alloy %

圖1 Q345 鋼和7075 鋁合金的金相組織Fig.1 Microstructure of Q345 steel and 7075 aluminum alloy

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鹽霧腐蝕試驗(yàn)

將Q345 鋼和7075 鋁合金加工成尺寸為30 mm×40 mm×5 mm 的掛片試樣，拉伸試樣原始標(biāo)距為L(zhǎng)0＝25 mm、過(guò)渡段曲率半徑R＝7.5 mm、截面厚度為5 mm，寬度為20 mm，圖2 為拉伸試樣尺寸示意圖。 每種材料有3 組掛片試樣和4 組拉伸試樣。 為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，不同腐蝕時(shí)間取3 個(gè)平行試樣。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile sample

試驗(yàn)前對(duì)所有試樣表面用砂紙逐級(jí)打磨至1 200號(hào)并拋光，清洗、除油、干燥、編號(hào)后測(cè)量尺寸并在精密電子天平上稱(chēng)重，精確到0.001 g，置于真空干燥器內(nèi)備用。 利用分析純NaCl 和蒸餾水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl 溶液(pH＝6.5～7.2)。 鹽霧沉降量1～2 mL/h (80 cm2)，氣壓0.06 MPa，溫度為(35±1)℃，對(duì)Q345 鋼和7075 鋁合金掛片及拉伸試樣分別進(jìn)行腐蝕時(shí)間為1 周期(7 d)、2 個(gè)周期(21 d)、3 個(gè)周期(42 d)的鹽霧腐蝕試驗(yàn)。 試驗(yàn)周期結(jié)束后取出試樣，隨后按GB/T 1645－1996，對(duì)Q345 鋼用500 mL HCl＋500 mL 去離子水＋10 g 六次甲基四胺配制的除銹劑溶液[10]浸泡1 h 以除去試樣表面腐蝕層，對(duì)試樣先后用蒸餾水、酒精清洗干凈；對(duì)7075 鋁合金用硝酸浸泡2 min 除銹后用蒸餾水沖洗干凈；然后對(duì)2 種材料吹干并放置于50 ℃真空干燥箱中干燥4 h，干燥結(jié)束后再用精密電子天平稱(chēng)量失重。 按式(1)計(jì)算腐蝕速率v，取平均值:

式中，m0為腐蝕前試樣的質(zhì)量，g；m1為腐蝕后去除腐蝕產(chǎn)物的試樣的質(zhì)量，g；A為試樣的表面積，m2；t為腐蝕時(shí)間，d。

1.2.2 拉伸試驗(yàn)、金相組織及表面腐蝕形貌分析

(1)拉伸試驗(yàn) 按GB/T 228.1－2010“金屬材料拉伸試驗(yàn):第1 部分室溫試驗(yàn)方法”取原始態(tài)及不同腐蝕時(shí)間拉伸樣在MTS Landmark 2000 試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試腐蝕前后材料的拉伸性能，拉伸速率均為0.5 mm/min。

(2)金相制備和組織分析 用電火花線切割機(jī)將試樣切成小塊，冷鑲嵌后用砂紙逐級(jí)打磨并拋光，乙醇脫脂后用蒸餾水沖洗，冷風(fēng)吹干。 對(duì)Q345 鋼和7075鋁合金分別用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精和凱勒試劑腐蝕后，用Leica DMI5000M 型金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織。

(3)試樣截面和表面腐蝕形貌分析 采用LEXT OLS 5000 三維測(cè)量激光顯微鏡分析2 種試樣經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后的表面腐蝕形貌和表面粗糙度變化情況，評(píng)價(jià)材料表面的腐蝕敏感性。 對(duì)腐蝕前后的7075 鋁合金和Q345 鋼試樣用線切割機(jī)切取截面后制備金相組織觀察試樣，利用SUPRA 40 掃描電鏡觀察2 種材料腐蝕前和經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后截面的腐蝕形貌。

1.2.3 腐蝕缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中有限元分析

為進(jìn)一步分析Q345 鋼和7075 鋁合金2 種材料在5%NaCl 腐蝕環(huán)境中的腐蝕行為及對(duì)其力學(xué)性能的影響，采用Ansys 有限元軟件模擬了2 種材料在受載下腐蝕缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中區(qū)域大小及應(yīng)力集中的程度。采用3 維空間建模，網(wǎng)格劃分及工作面示意如圖3 所示。 通過(guò)SEM 獲得腐蝕最深處截面，根據(jù)腐蝕邊界1 ∶1描繪腐蝕坑形態(tài)，網(wǎng)格劃分采用多級(jí)細(xì)化，接近缺陷處網(wǎng)格密度增大，采用固體力學(xué)模塊，試樣端部模擬施加小于2 種材料屈服強(qiáng)度(345 MPa 左右)的300 MPa 拉應(yīng)力，求解器采用穩(wěn)態(tài)求解器，最終得到腐蝕缺陷截面的應(yīng)力分布結(jié)果。

圖3 腐蝕缺陷應(yīng)力分布數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分與工作面設(shè)定示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid division and working face setting for numerical simulation of stress distribution of corrosion defects

2 結(jié)果與討論

2.1 2 種材料經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后的拉伸性能

采用Q345 鋼制備的零部件是電力設(shè)施中的主要承力構(gòu)件，若采用7075 鋁合金替代Q345 鋼制備電力設(shè)施零部件，首先得考慮其力學(xué)性能是否達(dá)標(biāo)。 因此，先對(duì)Q345 鋼及7075 鋁合金在腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能衰減進(jìn)行對(duì)比研究，獲得2 種材料在相同的腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能衰減規(guī)律，為7075 鋁合金替代Q345 鋼制備電力設(shè)施構(gòu)件的力學(xué)性能條件提供依據(jù)。

2.1.1 2 種材料經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后的拉伸曲線

通過(guò)對(duì)所有腐蝕前后的試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，得到腐蝕前后Q345 鋼和7075 鋁合金試樣的室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示。 圖4 中－0 表示原始態(tài)，－1表示腐蝕1 個(gè)周期(7 d)，－2 表示腐蝕2 個(gè)周期(21 d)，－3 表示腐蝕3 個(gè)周期(42 d)。 由圖4a 可知，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，Q345 鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，彈性階段變化不明顯，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著降低。 Q345 鋼的屈服平臺(tái)有前移的趨勢(shì)，鹽霧腐蝕7 d 后，屈服平臺(tái)縮短且越來(lái)越不明顯；42 d 后，此時(shí)沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)。 說(shuō)明腐蝕會(huì)縮短塑性屈服區(qū)間，而且隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)鋼材的脆性有一定程度增加[9]。 由圖4b 可知，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，7075 鋁合金的各項(xiàng)力學(xué)性能只出現(xiàn)了輕微退化，其中抗拉強(qiáng)度有小幅度的衰減，彈性階段曲線斜率變化不大，只是試樣拉伸到斷裂的最大應(yīng)變量迅速減小，即腐蝕對(duì)7075 鋁合金的塑性影響較大，但對(duì)其強(qiáng)度和剛度的影響不大[10]。 綜合分析圖4 可知，經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間(7，21，42 d)后，Q345 鋼和7075 鋁合金的力學(xué)性能均有一定程度的衰減，但Q345 鋼的力學(xué)性能衰減幅度遠(yuǎn)比7075鋁合金的大。

圖4 Q345 鋼及7075 鋁合金經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile stress-strain curves of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different corrosion times

2.1.2 2 種材料經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后的強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率

圖5 為不同腐蝕時(shí)間后7075 鋁合金和Q345 鋼的抗拉強(qiáng)度。 由圖5 可知，在相同的腐蝕環(huán)境中經(jīng)不同腐蝕時(shí)間后，2 種材料的強(qiáng)度均出現(xiàn)了衰減，這是由于腐蝕對(duì)金屬材料的力學(xué)性能有影響[2，5]。 但是，2 種材料的力學(xué)性能衰減程度卻不同。 對(duì)于7075 鋁合金，鹽霧腐蝕7 d 對(duì)其強(qiáng)度幾乎無(wú)影響；隨著腐蝕周期的延長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度僅有小幅度的衰減且衰減趨勢(shì)較為緩慢，鹽霧腐蝕42 d 后抗拉強(qiáng)度的衰減率僅為3.00%。但是，對(duì)于Q345 鋼來(lái)說(shuō)，在鹽霧腐蝕7 d 后就出現(xiàn)了較為明顯的強(qiáng)度衰減，抗拉強(qiáng)度衰減率達(dá)14.69%；隨時(shí)間延長(zhǎng)，Q345 鋼的強(qiáng)度衰減趨勢(shì)非常明顯，鹽霧腐蝕42 d 后抗拉強(qiáng)度的衰減率達(dá)到了24.58%，其衰減率是7075 鋁合金的8 倍左右。

圖5 不同腐蝕時(shí)間后7075 鋁合金和Q345 鋼的抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strengths of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different corrosion times

圖6 為不同腐蝕時(shí)間后Q345 鋼和7075 鋁合金的延伸率和斷面收縮率。

圖6 不同腐蝕時(shí)間后Q345 鋼和7075 鋁合金的延伸率(A)和斷面收縮率(Z)Fig.6 Elongation (A) and reduction of area (Z) of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different corrosion times

由圖6 可知，在相同的腐蝕環(huán)境中經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間后，2 種材料的延伸率和斷面收縮率的變化稍有不同。 對(duì)于7075 鋁合金，其延伸率和斷面收縮率均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且變化幅度明顯，鹽霧腐蝕42 d 后7075鋁合金延伸率和斷面收縮率分別降低了34%和46%左右，說(shuō)明鹽霧腐蝕對(duì)7075 鋁合金的塑性影響較大。 對(duì)于Q345 鋼來(lái)說(shuō)，整體的延伸率和斷面收縮率都比7075鋁合金要高很多，而且由于鋼鐵的塑性較好，鹽霧腐蝕對(duì)Q345 鋼的延伸率幾乎沒(méi)有太大的影響，鹽霧腐蝕42 d 后Q345 鋼延伸率僅降低7%左右，但是對(duì)于斷面收縮率的影響較大，鹽霧腐蝕42 d 后Q345 鋼的斷面收縮率降低了25%。

綜上所述，5%NaCl 鹽霧腐蝕對(duì)Q345 鋼和7075 鋁合金的強(qiáng)度和塑性都有一定的影響，但是由于2 種材料各自的耐腐蝕性能不同，所以導(dǎo)致其腐蝕后的力學(xué)性能表現(xiàn)不同。 其中，強(qiáng)度方面，Q345 鋼的衰減率遠(yuǎn)高于7075 鋁合金，例如，經(jīng)過(guò)42 d 鹽霧腐蝕后，Q345鋼的衰減率是7075 鋁合金的8 倍。 然而塑性方面，尤其是延伸率，Q345 鋼受鹽霧腐蝕的影響較小，而7075鋁合金的塑性受鹽霧腐蝕影響較大。 但是，42 d 鹽霧腐蝕后7075 鋁合金的延伸率和斷面收縮率仍然高于8%，符合工程應(yīng)用所需的最低塑性指標(biāo)要求。

2.2 2 種材料鹽霧腐蝕后的表面及剖面形貌

為進(jìn)一步分析鹽霧腐蝕對(duì)2 種材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)比分析了Q345 鋼和7075 鋁合金經(jīng)過(guò)不同的鹽霧腐蝕時(shí)間后的表面形貌、表面粗糙度及剖面形貌變化。

2.2.1 2 種材料鹽霧腐蝕后的表面形貌

圖7 為經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間以及除銹處理后Q345鋼和7075 鋁合金的表面形貌。 Q345 在經(jīng)過(guò)腐蝕后，宏觀上出現(xiàn)了明顯的銹層增厚。 利用除銹液進(jìn)行表面除銹后，三維測(cè)量激光顯微鏡測(cè)試的是去除銹層后的基體表層，由圖7 可知，Q345 基體已完全失去了平整的原有表層，侵蝕后表面凹凸起伏，局部區(qū)域如圖7e 出現(xiàn)了類(lèi)似點(diǎn)蝕坑的腐蝕形態(tài)，但由于Q345 為非鈍性金屬，點(diǎn)蝕區(qū)域并不與周邊區(qū)域形成較大的電勢(shì)差異，尚不構(gòu)成點(diǎn)蝕閉塞模型成立基本要素，因此未見(jiàn)其點(diǎn)蝕坑區(qū)域出現(xiàn)明顯的局部腐蝕加速，蝕孔深度較淺，總體仍應(yīng)判定為均勻腐蝕減薄。 相比而言，7075 鋁合金腐蝕在7 d 時(shí)表面出現(xiàn)了點(diǎn)狀腐蝕；腐蝕21 d 后，表面出現(xiàn)大量的灰白色銹層覆蓋；但當(dāng)腐蝕到42 d 后，原有表層仍得到保留，僅析出相部位出現(xiàn)了局部腐蝕，而且整個(gè)表面相對(duì)平整。 由此說(shuō)明7075 鋁合金以局部點(diǎn)蝕為主[11]，而Q345 鋼主要為整體均勻腐蝕[12，13]。

圖7 Q345 鋼和7075 鋁合金經(jīng)不同鹽霧腐蝕時(shí)間以及除銹處理后的表面形貌Fig.7 Surface morphology of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different salt spray corrosion times and rust removal treatment

圖8 為Q345 鋼和7075 鋁合金經(jīng)不同腐蝕時(shí)間后的平均表面粗糙度。

圖8 不同腐蝕時(shí)間后Q345 鋼和7075 鋁合金的平均表面粗糙度Fig.8 Average surface roughness of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different corrosion times

由圖8 可知，隨著鹽霧腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，2 種材料的表面粗糙度均有一定增加，但是7075 鋁合金的表面粗糙度變化較Q345 更為平緩。 腐蝕21 d 后，Q345 鋼試樣表面平均粗糙度值約為同期7075 鋁合金的2 倍，表明Q345 鋼表面已出現(xiàn)嚴(yán)重的全面腐蝕，表面起伏差異性增大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2.2 2 種材料鹽霧腐蝕后的截面形貌

圖9 為Q345 鋼和7075 鋁合金經(jīng)不同鹽霧腐蝕時(shí)間后的截面形貌。 由圖9 可知，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，Q345鋼和7075 鋁合金表面均逐漸被腐蝕，形成一些腐蝕坑。但在相同腐蝕時(shí)間時(shí)，與7075 鋁合金相比，Q345 鋼的腐蝕坑深度更深，且隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)其試樣最大腐蝕坑深度數(shù)值增大趨勢(shì)更為明顯(圖9e、9f)。 此外，還可看到Q345 鋼在腐蝕21 d 時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕坑呈連續(xù)分布的現(xiàn)象，且在大的腐蝕坑內(nèi)含有許多形狀不規(guī)則的小腐蝕坑(圖9e)，腐蝕坑的深度達(dá)到50 μm 左右。 然而7075鋁合金在腐蝕42 d 時(shí)才出現(xiàn)多個(gè)腐蝕坑將要連在一起的現(xiàn)象，但仍然是單個(gè)較小腐蝕坑單獨(dú)分布，腐蝕坑內(nèi)壁較為平滑(圖9h)，深度僅為25 μm 左右。 相比而言，腐蝕42 d 后，Q345 鋼表面腐蝕坑變得更大更深，深度達(dá)到75 μm 左右。 圖9 所示結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了圖8 的測(cè)試結(jié)果。 由此可知Q345 鋼會(huì)在原有腐蝕坑上加速腐蝕，且由于腐蝕坑連在一起且不規(guī)則性強(qiáng)，導(dǎo)致腐蝕表層的腐蝕產(chǎn)物疏松，從而大片脫落，進(jìn)而使得腐蝕愈發(fā)嚴(yán)重[14，15]。 然而，在相同環(huán)境和相同時(shí)間條件下7075 鋁合金的腐蝕坑較小且零散分布，使得7075 鋁合金不會(huì)出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物大片脫落的情況，未產(chǎn)生剝蝕現(xiàn)象。

圖9 Q345 鋼和7075 鋁合金經(jīng)不同鹽霧腐蝕時(shí)間后的截面形貌Fig.9 Cross-sectional morphology of Q345 steel and 7075 aluminum alloy after different salt spray corrosion times

2.3 2 種材料的耐蝕性能

2 種材料經(jīng)不同鹽霧腐蝕時(shí)間后的腐蝕失重和腐蝕速率變化如圖10 所示。 由圖10a 可知，7075 鋁合金和Q345 鋼試樣表面腐蝕產(chǎn)物均隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增加，但7075 鋁合金的腐蝕失重率低于Q345 鋼。7075 鋁合金的腐蝕速率在初期較快，但當(dāng)表層被腐蝕產(chǎn)物覆蓋后，其腐蝕速率減緩[15]。 而Q345 鋼的腐蝕速率并未表現(xiàn)出隨時(shí)間變化而減緩的特征，表明其銹層在鹽霧環(huán)境中并未實(shí)現(xiàn)物理阻隔作用，同時(shí)也觀察到Q345 在鹽霧箱中存在流銹現(xiàn)象，未能形成有效的腐蝕產(chǎn)物膜，如圖7e、7g，因此，Q345 的腐蝕速率[0.030 g/(m2·d)]比同期7075 鋁合金的腐蝕速率[0.002 g/(m2·d)]快約15 倍左右。

2.4 2 種材料的腐蝕缺陷處的應(yīng)力集中模擬結(jié)果

針對(duì)上述2 種材料經(jīng)鹽霧腐蝕后均形成了導(dǎo)致應(yīng)力集中的腐蝕坑的情況(圖7 和圖9)，為了進(jìn)一步分析鹽霧腐蝕對(duì)2 種材料力學(xué)性能的影響，通過(guò)有限元軟件模擬了Q345 鋼和7075 鋁合金2 種材料在相同腐蝕環(huán)境中(5%NaCl)腐蝕后，300 MPa 的應(yīng)力加載下腐蝕缺陷處的應(yīng)力集中情況，如圖11 所示。 由圖11 可知，在低于2 種材料的屈服強(qiáng)度的加載下，由于腐蝕環(huán)境的影響，從而使得2 種材料均在腐蝕缺陷處產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中程度(～500 MPa)高于2 種材料的屈服強(qiáng)度(～345 MPa)。 但是由于2 種材料本身耐腐蝕性能的不同，導(dǎo)致其腐蝕缺陷的形態(tài)和表面腐蝕坑的深度不同(圖7 和圖9)，最終導(dǎo)致其在同種受力下試樣的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中程度有顯著差別，Q345 鋼的應(yīng)力集中程度明顯高于7075 鋁合金(圖11)。 這是因?yàn)镼345 鋼在5%NaCl 鹽霧腐蝕液中的耐蝕性能明顯弱于7075 鋁合金，在經(jīng)過(guò)一定的腐蝕時(shí)間后，Q345 鋼表面形成較深的腐蝕坑，而鋁合金表面只有輕微的腐蝕，且腐蝕坑相對(duì)較淺(圖7、9)。 受載下，較深的腐蝕坑處的缺口效應(yīng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，腐蝕坑越深，應(yīng)力集中越明顯，而且應(yīng)力集中程度越強(qiáng)烈[16](圖11)。 應(yīng)力集中往往導(dǎo)致材料的局部塑性變形，最終導(dǎo)致材料斷裂失效。 因此根據(jù)腐蝕坑的大小及其引起的局部應(yīng)力集中程度可以判斷，7075 鋁合金在同等腐蝕環(huán)境中其安全性比Q345 鋼要高。 因此，可以利用7075 鋁合金替代Q345 鋼用于制造電力設(shè)施設(shè)備。

圖11 Q345 鋼和7075 鋁合金腐蝕缺陷處的應(yīng)力集中模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of stress concentration in corrosion defects of Q345 steel and 7075 aluminum alloy

3 結(jié) 論

(1)在5%NaCl 鹽霧腐蝕環(huán)境中，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，Q345 鋼和7075 鋁合金均出現(xiàn)了力學(xué)性能衰減的趨勢(shì)，但Q345 鋼的最高抗拉強(qiáng)度衰減率(24.58%)是7075 鋁合金的(3.00%)8 倍。

(2)隨鹽霧腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，Q345 鋼的腐蝕速率、最大腐蝕坑深度和表面粗糙度變化值均比7075 鋁合金大。 Q345 鋼銹層在鹽霧環(huán)境中并未實(shí)現(xiàn)物理阻隔作用，而7075 鋁合金表面腐蝕后形成的腐蝕產(chǎn)物具有物理阻隔作用。 Q345 鋼的平均腐蝕速率[0.030 g/(m2·d)]是7075 鋁合金[0.002 g/(m2·d)]的15倍左右。 受載下Q345 鋼中由腐蝕坑引起的應(yīng)力集中程度顯著高于7075 鋁合金。 因此，理論上可用7075 鋁合金代替Q345 鋼作為基材制造在高強(qiáng)度腐蝕環(huán)境中服役的高壓隔離開(kāi)關(guān)相關(guān)零部件。