金属在海水中的应力腐蚀评价

bairoe · 发表于 2016-1-20 12:27:58

由于金属材料使用的工况环境完全不同，除了空气环境、还有好多使用在高温、高温高压环境、以及在腐蚀介质环境下使用，而应力腐蚀开裂( SCC)是金属构件常见的失效形式，而且是在构件几乎没有宏观塑性变形下发生。这种失效难以预测，危害性很大。慢应变速率拉伸试验( SSRT)是用来快速评价抗应力腐蚀开裂材料-环境体系SCC敏感性的实验室方法。
其最大的优点是可以将实际用材与使用工况直接结合，快速、准确地评估其性能。在高强度碳钢应力腐蚀开裂中，应用电化学噪声测量可监测材料应力腐蚀开裂的发生过程，并且还可反映不同材料的应力腐蚀机理。
本工作采用SSRT对40Cr高强钢以1.36×10-6s-1应变速率于海水中应力腐蚀的敏感性进行快速评价，并利用动电位扫描、电化学噪声(ECN)技术对其在海水中的腐蚀行为进行监测；最后采用扫描电镜( SEM)对拉伸试样的断口进行形貌观察分析，进一步分析合金钢在海水中具有良好的SCC性能。设备采用百若仪器的YYF-50型慢应变速率应力腐蚀试验机。同时，也可以应用最新开发的DCPD裂纹扩展速率模块进行合金钢在腐蚀介质下的KIC测量。
1试验
1.1  基材热处理
试验用基材为40Cr钢，40Cr钢的显微组织是回火索氏体，其中铁素体已完全失去淬火马氏体的形貌特征，而碳化物（主要为渗碳体）为颗粒状，属于粒状珠光体。由于粒状渗碳体对铁素体基体没有切割作用，铁素体基体在高温回火时可得到充分的回复和再结晶，故此回火索氏体具有优良的综合力学性能和抗应力腐蚀性能。
基材热处理工艺为850℃油淬，580℃回火2h，水冷；其屈服强度和抗拉强度分别为785，980MPa。
1.2  慢应变速率拉伸及应力腐蚀疲劳试验
依据GB/T 15970.7- 2000和ASTMG 49 - 2000，对40Cr钢进行慢应变速率拉伸SCC试验，做试样。试样工作段用水磨砂纸逐级打磨到1000号，然后用丙酮、酒精清洗后吹干，并用硅橡胶、聚四氟胶带密封非工作段表面待用。施加约120 N预加载荷以消除减速齿轮、夹具等的间隙；SCC试验拉伸应变速率为1.36 x10-6s-1，SCC所用介质为甘油和青岛海滨天然海水。
将材料在甘油与海水中的特征参数进行对比，采用公式计算对应于各参数的SCC敏感性指数F(λ)，从而进行材料在海水中的SCC敏感性的评定，公式如下：F(λ)=( λ0 -λ) /λ0 x100910
式中λ——腐蚀介质中的力学性能参数，可分别为断裂能A，断面收缩率Ψ，延伸率δ
λ0——惰性介质中的力学性能参数
F(λ)越大，说明材料在腐蚀性介质中SCC敏感性越强，也就是材料在腐蚀性介质与惰性介质中各力学性能指标差距越大。试样断裂后，进行形貌观察分析。
采用DCPD裂纹扩展测量系统进行裂纹扩展速率求取，分别采用恒K或降K控制方式。
1.3  电化学测试
在慢拉伸试验过程中，同时进行ECN测量。
待自腐蚀电位稳定后，再进行快慢扫描极化曲线测量。
2  结果与讨论
2.1  海水lfl的SCC敏感性
进行合金钢在不同的介质下（如：腐蚀介质和惰性介质）慢应变速率拉伸比对。
2.2  电化学性能
2.2.1  快慢扫描极化曲线
根据Parkins提出的电位快慢扫描曲线法：选择相当快的扫描速度（约1000 mV/min）向阳极方向扫描，显示出强阳极极化区的情况，其目的是使成膜的机会变得很小，观察无膜状态下的电流密度；在其他条件不变时，改用较慢扫描速度（约20 mV/min），显示一段活化性不强的区域，目的是提供足够的时间来生成膜。快慢扫描所得极化曲线的阳极电流密度差别越大，说明发生应力腐蚀开裂的倾向性越大。因为应力腐蚀开裂发生在活化一钝化之间的临界平衡区域，既不是全面活化，也不是全面钝化。
2.2.2  电化学噪声
对合金钢在海水SSRT过程中电位、电流密度随时间的变化进行测量，并绘制曲线。观察合金钢在海水中电位、电流密度随时间的波动很小，尤其是电位趋于稳定后，瞬时变化中有无噪声峰。
噪声电阻的倒数1/Rn随时间的变化，即时反映腐蚀速度的瞬时变化趋势，随SSRT过程中负荷随时间的变化，可以看出负荷随时间的变化和噪声倒数随时间的变化有很好的相关性，在整个慢拉伸过程中，大致可以分成2个阶段：a为材料的弹性拉伸阶段，b为材料进入屈服阶段到最终断裂阶段。在a阶段，腐蚀速度随时间的延长呈递增趋势，表明随负荷的增大，裂纹有从开始萌生到新裂纹不断产生、裂纹数目显著增加的渐变过程，力学和腐蚀介质对材料进行交互的作用；在Ⅱ阶段(约16000一18000 s)，腐蚀速度明显增大，并基本维持在这一水平，不再随负荷的变化而明显改变。这主要是由于新的裂纹已经很少产生，腐蚀处于一个相对稳态状态，裂纹尖端由于力学因素始终处于活化状态，而材料在腐蚀介质中发生应力腐蚀的首要条件是所产生的裂纹尖端始终处于活化、钝化交替出现的状态，所以在此阶段裂纹的扩展主要是由于力学因素的作用而非腐蚀介质——海水，并最终导致材料的断裂。
合金钢在海水SSRT过程中噪声电阻倒数、负荷随时间的变化
2.3 扫描电镜(SEM)断口形貌
  对钢在海水和惰性介质甘油中慢拉伸断口的宏观和微观形貌进行对比。

QQ截图20160105134053.jpg
3  结论
(1)    合金钢在海水中SCC的敏感性，不同的合金钢敏感性不同；
(2)    可用电化学噪声技术对合金钢在海水中慢拉伸全过程的腐蚀情况进行监测。噪声电阻倒数1/R。的变化反映材料在不同拉伸阶段腐蚀速度的即时变化；
(3)    合金钢断口形貌在海水中，宏观上表现出纤维区、放射区等明显的韧性断裂特征；微观上主要显示韧窝形貌，这些与其在惰性介质所得的结果进行比较，说明合金钢在海水中发生以力学为主要破坏因素的韧性断裂；
(4)    可以采用DCPD裂纹扩展测量系统，进行腐蚀介质下的裂纹扩展速率测量。