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低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据

赵起越 范益 范恩点 赵柏杰 黄运华 程学群 李晓刚

赵起越, 范益, 范恩点, 赵柏杰, 黄运华, 程学群, 李晓刚. 低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据[J]. 工程科学学报, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
引用本文: 赵起越, 范益, 范恩点, 赵柏杰, 黄运华, 程学群, 李晓刚. 低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据[J]. 工程科学学报, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
ZHAO Qi-yue, FAN Yi, FAN En-dian, ZHAO Bai-jie, HUANG Yun-hua, CHENG Xue-qun, LI Xiao-gang. Influence factors and corrosion resistance criterion of low-alloy structural steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
Citation: ZHAO Qi-yue, FAN Yi, FAN En-dian, ZHAO Bai-jie, HUANG Yun-hua, CHENG Xue-qun, LI Xiao-gang. Influence factors and corrosion resistance criterion of low-alloy structural steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002

低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300604);国家自然科学基金资助项目(51971033)
详细信息

Influence factors and corrosion resistance criterion of low-alloy structural steel

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  • 摘要: 通过对不同厂家或产线生产的相近成分和显微组织的8种低合金工程结构钢样品进行中性盐雾加速腐蚀试验,结合成分测试、微观组织分析、腐蚀产物分析及数据统计与计算拟合等方法,提出了评价低合金结构钢耐蚀性的综合耐蚀指数及其包含钢材成分、夹杂物、组织及晶粒度等多因素的数学表达式。研究结果表明,低合金工程结构钢的耐蚀性除与传统的耐蚀指数I相关外,还受钢中夹杂物、显微组织、晶粒度等多种材料因素的耦合影响,其影响程度按从大到小排序依次为耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I、夹杂物总量、珠光体含量和晶粒度级别。综合耐蚀指数Y可作为比耐蚀指数I指数更有效的低合金钢耐蚀性判据,具有重要的工程应用价值。
  • 图 1  8种试验钢样品盐雾试验后的宏观形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

    Figure 1.  Macromorphologies of the steel samples after the salt spray test: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g)7#; (h) 8#

    图 2  8种试验钢样品锈层X射线衍射图谱

    Figure 2.  XRD patterns of the corrosion products formed on the steel samples

    图 3  8种试验钢样品除锈后的微观形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

    Figure 3.  Micromorphologies of the steel samples after rust removal: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

    图 4  8种试验钢样品金相组织。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

    Figure 4.  Microstructures of the steel samples: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

    图 5  8种试验钢样品夹杂物形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

    Figure 5.  Morphologies of the inclusions in the steel samples: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

    图 6  8种试验钢盐雾试验后的失重率与耐蚀性指数、珠光体面积百分比、晶粒度级别和夹杂物面积百分比的关系

    Figure 6.  Relationship between the mass loss ratio and the corrosion resistance index, area percentage of pearlite, grain grade, and area percentage of inclusions

    表 1  试验钢样品的化学成分(质量分数)

    Table 1.  Chemical composition of the steel samples %

    SampleCSiMnPSCrNiCuVTiNbFe
    1#0.120.191.430.0140.0030.0330.0100.0150.0050.0190.001Bal
    2#0.180.201.280.0150.0030.0280.0130.0240.0050.0350.001Bal
    3#0.170.241.170.0150.0020.0350.0100.0140.0040.0100.010Bal
    4#0.180.240.910.0100.0040.0260.0150.0190.0030.00240.009Bal
    5#0.160.191.210.0110.0020.0430.0450.0200.0040.0100.001Bal
    6#0.140.151.480.0100.0060.0160.0060.0080.0050.0150.002Bal
    7#0.180.230.910.0140.0070.0300.0110.0120.0030.00280.010Bal
    8#0.180.230.920.0140.0080.0300.0110.0120.0030.00280.010Bal
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    表 2  八种试验钢样品的耐蚀指数I

    Table 2.  Corrosion resistance index of the steel samples

    1#2#3#4#5#6#7#8#
    0.991.241.051.101.200.640.970.97
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    表 3  8种试验钢样品的质量损失率

    Table 3.  Mass loss ratio of the steel samples %

    1#2#3#4#5#6#7#8#
    1.112.022.802.843.003.023.063.29
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    表 4  八种钢样品晶粒度级别及组织含量

    Table 4.  Grain size and percentage of pearlite/ferrite

    SampleGrain size grade/
    Grain diameter/μm
    Area percentage
    of pearlite/%
    Area percentage
    of ferrite/%
    1#9/1720.1379.87
    2#8.5/2024.2275.78
    3#9.5/1322.2967.72
    4#10/1224.7375.27
    5#8.5/1938.8261.18
    6#10.5/1037.2962.71
    7#9/1623.1476.86
    8#9/1538.4961.51
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    表 5  8种试验钢样品夹杂物评级及夹杂物所占面积

    Table 5.  Inclusion grade and percentage of the inclusion area of the steel samples

    SampleInclusion gradeArea percentage of inclusion /%
    1#C 0.5e+D 10.05630
    2#C 0.5e+D 0.50.04055
    3#C 1e+D 1e0.12769
    4#A 0.5+C 1e+D 10.11457
    5#C 0.5+D 10.05512
    6#C 1+D 1.50.08360
    7#C 1+D 0.50.08123
    8#A 0.5+C 1+D 0.50.07664
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  • [1] 李晓刚. 耐蚀低合金结构钢. 北京: 冶金工业出版社, 2017

    Li X G. Corrosion-resistant Low Alloy Steel. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2017
    [2] Zhang S Q, Wan J F, Zhao Q Y, et al. Dual role of nanosized NbC precipitates in hydrogen embrittlement susceptibility of lath martensitic steel. Corros Sci, 2020, 164: 108345 doi:  10.1016/j.corsci.2019.108345
    [3] Zhang D Z, Gao X H, Du Y, et al. Effect of microstructure refinement on hydrogen-induced damage behavior of low alloy high strength steel for flexible riser. Mater Sci Eng A, 2019, 765: 138278
    [4] 李秀程, 李学达, 王学林, 等. 低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展. 工程科学学报, 2017, 39(5):643

    Li X C, Li X D, Wang X L, et al. Research progress on microstructures and toughness of welding heat-affected zone in low-alloy steel. Chin J Eng, 2017, 39(5): 643
    [5] 马博, 彭艳, 刘云飞, 等. 低合金钢Q345B动态再结晶动力学模型. 材料热处理学报, 2010, 31(4):141

    Ma B, Peng Y, Liu Y F, et al. Dynamic recrystallization kinetics model of low-alloy steel Q345B. Trans Mater Heat Treat, 2010, 31(4): 141
    [6] 殷胜, 朱红丹. 屈服强度750 MPa低合金钢高强度集装箱用钢的开发. 特殊钢, 2019, 40(1):16 doi:  10.3969/j.issn.1003-8620.2019.01.005

    Yin S, Zhu H D. Development of yield strength 750 MPa HSLA steel for container. Spec Steel, 2019, 40(1): 16 doi:  10.3969/j.issn.1003-8620.2019.01.005
    [7] Ma H C, Chen L H, Zhao J B, et al. Effect of prior austenite grain boundaries on corrosion fatigue behaviors of E690 high strength low alloy steel in simulated marine atmosphere. Mater Sci Eng A, 2020, 773: 138884 doi:  10.1016/j.msea.2019.138884
    [8] Wang Z H, Wu J S, Li J, et al. Effects of niobium on the mechanical properties and corrosion behavior of simulated weld HAZ of HSLA steel. Metall Mater Trans A, 2018, 49(1): 187 doi:  10.1007/s11661-017-4391-4
    [9] 程远鹏, 白羽, 李自力, 等. 集输管道CO2/油/水环境中X65钢的腐蚀特征. 工程科学学报, 2018, 40(5):594

    Cheng Y P, Bai Y, Li Z L, et al. Corrosion characteristics of X65 steel in CO2/oil/water environment of gathering pipeline. Chin J Eng, 2018, 40(5): 594
    [10] 孙永伟, 钟玉平, 王灵水, 等. 低合金高强度钢的耐模拟工业大气腐蚀行为研究. 中国腐蚀与防护学报, 2019, 39(3):274 doi:  10.11902/1005.4537.2018.129

    Sun Y W, Zhong Y P, Wang L S, et al. Corrosion behavior of low-alloy high strength steels in a simulated common SO2-containing atmosphere. J Chin Soc Corros Prot, 2019, 39(3): 274 doi:  10.11902/1005.4537.2018.129
    [11] Sarkar P P, Kumar P, Manna M K, et al. Microstructural influence on the electrochemical corrosion behavior of dual-phase steels in 3.5% NaCl solution. Mater Lett, 2005, 59(19-20): 2488 doi:  10.1016/j.matlet.2005.03.030
    [12] Qiao Q Q, Lu L, Fan E D, et al. Effects of Nb on stress corrosion cracking of high-strength low-alloy steel in simulated seawater. Int J Hydrogen Energy, 2019, 44(51): 27962 doi:  10.1016/j.ijhydene.2019.08.259
    [13] Zhang S Q, Fan E D, Wan J F, et al. Effect of Nb on the hydrogen-induced cracking of high-strength low-alloy steel. Corros Sci, 2018, 139: 83 doi:  10.1016/j.corsci.2018.04.041
    [14] 陈恒, 卢琳. 残余应力对金属材料局部腐蚀行为的影响. 工程科学学报, 2019, 41(7):929

    Chen H, Lu L. Effect of residual stress on localized corrosion behavior of metallic materials. Chin J Eng, 2019, 41(7): 929
    [15] Guo J, Yang S W, Shang C J, et al. Influence of carbon content and microstructure on corrosion behavior of low alloy steels in a Cl- containing environment. Corros Sci, 2009, 51(2): 242 doi:  10.1016/j.corsci.2008.10.025
    [16] Schino A D, Barteri M, Kenny J M. Grain size dependence of mechanical, corrosion and tribological properties of high nitrogen stainless steels. J Mater Sci, 2003, 38(15): 3257 doi:  10.1023/A:1025181820252
    [17] 张峰, 陈惠芬, 柴锋, 等. 夹杂物对Cr‒Ni系高强度钢耐蚀性能的影响. 钢铁研究学报, 2017, 29(11):945

    Zhang F, Chen H F, Chai F, et al. Effect of inclusions on corrosion resistance of Cr‒Ni high-strength steels. J Iron Steel Res, 2017, 29(11): 945
    [18] Liu C, Revilla R I, Zhang D W, et al. Role of Al2O3 inclusions on the localized corrosion of Q460NH weathering steel in marine environment. Corros Sci, 2018, 138: 96 doi:  10.1016/j.corsci.2018.04.007
    [19] Liu C, Revilla R I, Liu Z Y, et al. Effect of inclusions modified by rare earth elements (Ce, La) on localized marine corrosion in Q460NH weathering steel. Corros Sci, 2017, 129: 82 doi:  10.1016/j.corsci.2017.10.001
    [20] American Society for Testing Material. ASTM G101-04(2010) Standard Guide for Estimating the Atmospheric Corrosion Resistance of Low Alloy Steels. Pennsylvania: American Society for Testing and Materials, 2010
    [21] 中华人民共和国国家质量监督检验总局. GB/T 4171—2008耐候结构钢. 北京: 中国标准出版社, 2008

    General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine, People’s Republic of China. GB/T 4171—2008 Atmospheric Corrosion Resisting Structural Steel. Beijing: China Standards Press, 2008
    [22] 中华人民共和国国家质量监督检验总局. GB/T 714—2015桥梁用结构钢. 北京: 中国标准出版社, 2015

    General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine, People’s Republic of China. GB/T 714—2015 Structural Steel for Bridge. Beijing: China Standards Press, 2015
    [23] Cheng X Q, Jin Z, Liu M, et al. Optimizing the nickel content in weathering steels to enhance their corrosion resistance in acidic atmospheres. Corros Sci, 2017, 115: 135 doi:  10.1016/j.corsci.2016.11.016
    [24] 苏宏艺, 魏世丞, 梁义, 等. 静水压与溶解氧耦合作用对低合金高强钢腐蚀电化学行为的影响. 工程科学学报, 2019, 41(8):1029

    Su H Y, Wei S C, Liang Y, et al. Combined effect of hydrostatic pressure and dissolved oxygen on the electrochemical behavior of low-alloy high-strength steel. Chin J Eng, 2019, 41(8): 1029
    [25] Kamimura T, Stratmann M. The influence of chromium on the atmospheric corrosion of steel. Corros Sci, 2001, 43(3): 429 doi:  10.1016/S0010-938X(00)00098-6
    [26] Liu C, Cheng X Q, Dai Z Y, et al. Synergistic effect of Al2O3 inclusion and pearlite on the localized corrosion evolution process of carbon steel in marine environment. Materials, 2018, 11(11): 2277 doi:  10.3390/ma11112277
  • [1] 王伟健,  罗艳,  张立峰,  任英.  20CrMo合金钢生产全流程钢中非金属夹杂物的演变机理 . 工程科学学报, 2021, (): -. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.12.17.003
    [2] 王宇斌, 王勇, 陈旋, 吴晓春.  组织形态对718塑料模具钢切削性能的影响 . 工程科学学报, 2020, 42(10): 1343-1351. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.06.001
    [3] 张一民, 孙彦辉, 白雪峰, 卓超.  不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 . 工程科学学报, 2020, 42(S): 14-20. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13
    [4] 杨轶轩, 阳晋, 张威, 王敏, 李岚昕, 李新.  夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响 . 工程科学学报, 2020, 42(S): 27-33. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s05
    [5] 高帅, 王敏, 郭建龙, 王皓, 智建国, 包燕平.  IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估 . 工程科学学报, 2020, 42(2): 194-202. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004
    [6] 徐龙云, 杨健, 王睿之.  Mg脱氧夹杂物对大线能量焊接HAZ组织的影响 . 工程科学学报, 2020, 42(S): 9-13. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.05.s10
    [7] 王宇, 熊柏青, 李志辉, 温凯, 李锡武, 张永安, 闫丽珍, 刘红伟, 闫宏伟.  Al−Zn−Mg−Cu−Zr−(Sc)合金搅拌摩擦焊接头组织和性能 . 工程科学学报, 2020, 42(5): 612-619. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.29.001
    [8] 王智权, 郭子峰, 尚成嘉, 张衍, 冯军, 陈斌, 吕宝锋, 李玉鹏.  终轧温度对600 MPa级高钛高成型性铁素体-珠光体酸洗带钢组织与织构的影响 . 工程科学学报, 2019, 41(1): 104-110. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.011
    [9] 常立忠, 高岗, 郑福舟, 施晓芳.  稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 . 工程科学学报, 2019, 41(6): 763-771. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008
    [10] 李璟宇, 成国光, 李六一, 胡斌, 徐昌松, 王贵民.  202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 . 工程科学学报, 2019, 41(12): 1567-1574. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004
    [11] 田少鲲, 李静媛, 张俊龙, 吕丹.  Sc对7056铝合金组织和性能的影响 . 工程科学学报, 2019, 41(10): 1298-1306. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.22.003
    [12] 姜倩, 刘恩洋, 赵严, 于思荣, 熊伟.  可溶性镁合金的制备及其性能 . 工程科学学报, 2018, 40(2): 192-199. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.009
    [13] 杨勇, 周乐育, 蒋鹏, 任学平, 贺小毛.  模锻变形对曲轴用非调质钢1538MV显微组织的影响 . 工程科学学报, 2018, 40(5): 579-586. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.008
    [14] 习小军, 赖朝彬, 李京社, 汪志刚, 孙乐飞, 陈英俊.  钇基稀土对E36钢板显微组织及冲击性能的影响 . 工程科学学报, 2017, 39(2): 244-250. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.012
    [15] 王晓英, 仇圣桃, 邹宗树, 干勇.  Al-Ca复合合金钢水脱氧机理的研究 . 工程科学学报, 2017, 39(5): 702-709. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.008
    [16] 张圣华, 宋波, 宋明明, 高启瑞.  钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及韧性的影响 . 工程科学学报, 2017, 39(6): 846-853. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.005
    [17] 刘洪波, 刘建华, 沈少波, 吴博威, 丁浩, 苏晓峰.  铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 . 工程科学学报, 2017, 39(7): 1008-1019. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005
    [18] 侯杰, 董建新, 姚志浩.  夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 . 工程科学学报, 2017, 39(7): 1027-1035. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007
    [19] 李秀程, 李学达, 王学林, 夏佃秀, 王学敏, 尚成嘉.  低合金钢焊接热影响区的微观组织和韧性研究进展 . 工程科学学报, 2017, 39(5): 643-654. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.001
    [20] 王秋平, 李璐, 周荣锋, 蒋业华, 周荣.  Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 . 工程科学学报, 2017, 39(2): 222-231. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.009
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  • 收稿日期:  2020-01-10
  • 网络出版日期:  2021-02-02
  • 刊出日期:  2021-02-26

低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
    基金项目:  国家重点研发计划资助项目(2016YFB0300604);国家自然科学基金资助项目(51971033)
    通讯作者: E-mail: huangyh@mater.ustb.edu.cn
  • 中图分类号: TG171

摘要: 通过对不同厂家或产线生产的相近成分和显微组织的8种低合金工程结构钢样品进行中性盐雾加速腐蚀试验,结合成分测试、微观组织分析、腐蚀产物分析及数据统计与计算拟合等方法,提出了评价低合金结构钢耐蚀性的综合耐蚀指数及其包含钢材成分、夹杂物、组织及晶粒度等多因素的数学表达式。研究结果表明,低合金工程结构钢的耐蚀性除与传统的耐蚀指数I相关外,还受钢中夹杂物、显微组织、晶粒度等多种材料因素的耦合影响,其影响程度按从大到小排序依次为耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I、夹杂物总量、珠光体含量和晶粒度级别。综合耐蚀指数Y可作为比耐蚀指数I指数更有效的低合金钢耐蚀性判据,具有重要的工程应用价值。

English Abstract

赵起越, 范益, 范恩点, 赵柏杰, 黄运华, 程学群, 李晓刚. 低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据[J]. 工程科学学报, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
引用本文: 赵起越, 范益, 范恩点, 赵柏杰, 黄运华, 程学群, 李晓刚. 低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据[J]. 工程科学学报, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
ZHAO Qi-yue, FAN Yi, FAN En-dian, ZHAO Bai-jie, HUANG Yun-hua, CHENG Xue-qun, LI Xiao-gang. Influence factors and corrosion resistance criterion of low-alloy structural steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
Citation: ZHAO Qi-yue, FAN Yi, FAN En-dian, ZHAO Bai-jie, HUANG Yun-hua, CHENG Xue-qun, LI Xiao-gang. Influence factors and corrosion resistance criterion of low-alloy structural steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
  • 低合金工程结构钢具有良好的力学性能、焊接性能和其他加工性能,被广泛应用于建筑和工程结构、桥梁、风电设备、压力容器、船舶及车辆等领域[1-6]。由于低合金结构钢应用范围广,面临的腐蚀环境复杂,因此其耐蚀性能对大型工程结构与装备的寿命及安全性尤其重要。而钢材的使用寿命及安全性除与服役环境、防护措施有关之外,与材料本身的耐蚀性具有更加直接的关系。

    目前,大多数学者认为显微组织只对新鲜金属表面的耐蚀性产生影响,当金属表面有腐蚀产物覆盖的时候,显微组织的影响基本可以忽略,成分的影响占主导,内锈层中的合金元素能够提高锈层的致密性,阻止环境中的腐蚀性介质与金属的接触,保护金属基体[1, 7-10]。但也有学者对钢材合金元素之外的其他材料因素对腐蚀的影响进行了研究[11-19],其中Guo等[15]研究发现,显微组织单一的铁素体组织的耐蚀性优于铁素体/珠光体的混合组织,均匀单一的铁素体试样表面倾向于形成含较少裂纹的均匀腐蚀产物膜,提升锈层致密度;Schino等[16]发现无论在质量分数3.5%的NaCl溶液,还是在工业污染大气和普通大气环境中,晶粒尺寸为15.8 μm的试样比68 μm的试样均表现出更低的腐蚀速率;Liu等[18-19]采用一系列微区电化学试验方法,对Q460NH铁素体加珠光体双相钢中Al2O3夹杂物诱发点蚀的过程进行了研究,发现了夹杂物对腐蚀萌生的重要影响。上述研究均表明,除了成分因素,钢材中的显微组织、夹杂物等因素也是影响耐蚀性的不可忽略的重要因素。

    但是目前评价低合金结构钢耐蚀性的直接和快速判据为ASTM标准和我国国家标准中提出的耐大气腐蚀指数(以下简称“耐蚀指数”)I[20-22],而该判据只考虑了低合金钢的化学成分。在研究低合金钢耐蚀性的文献中,化学成分与其他各种材料因素对耐蚀性的耦合影响及各因素的定量化分析也未见报道。本文主要以八种来自不同厂家或产线生产的低合金工程结构钢为研究对象,分别对其成分、晶粒度、组织含量及夹杂物含量进行了表征统计,并通过盐雾加速试验、锈层形貌成分分析,结合软件计算方法,揭示了4种材料因素对低合金钢腐蚀失重的影响及权重,提出了可以作为低合金钢耐蚀性有效判据的综合耐蚀指数,为低合金结构钢的实际生产及应用提供了重要的参考依据。

    • 实验用的低合金工程结构钢样品取自8个不同厂家/产线,样品编号及主要化学成分如表1所示。

      表 1  试验钢样品的化学成分(质量分数)

      Table 1.  Chemical composition of the steel samples %

      SampleCSiMnPSCrNiCuVTiNbFe
      1#0.120.191.430.0140.0030.0330.0100.0150.0050.0190.001Bal
      2#0.180.201.280.0150.0030.0280.0130.0240.0050.0350.001Bal
      3#0.170.241.170.0150.0020.0350.0100.0140.0040.0100.010Bal
      4#0.180.240.910.0100.0040.0260.0150.0190.0030.00240.009Bal
      5#0.160.191.210.0110.0020.0430.0450.0200.0040.0100.001Bal
      6#0.140.151.480.0100.0060.0160.0060.0080.0050.0150.002Bal
      7#0.180.230.910.0140.0070.0300.0110.0120.0030.00280.010Bal
      8#0.180.230.920.0140.0080.0300.0110.0120.0030.00280.010Bal

      根据《GB/T 4171—2008 耐候结构钢》,低合金结构钢耐大气腐蚀性性能可用耐蚀指数I来评估,指数越大,钢的耐腐蚀性能越好,其计算公式如下:

      $$ \begin{split} & I = 26.01\left( {\% {\rm{Cu}}} \right)+3.88\left( {\% {\rm{Ni}}} \right)+1.2\left( {\% {\rm{Cr}}} \right)+\\ & 1.49\left( {\% {\rm{Si}}} \right)+17.28\left( {\% {\rm{P}}} \right) - 7.29\left( {\% {\rm{Cu}}} \right) \cdot \left( {\% {\rm{Ni}}} \right) -\\ & 9.1\left( {\% {\rm{Ni}}} \right)\left( {\% {\rm{P}}} \right) - 33.39{\left( {\% {\rm{Cu}}} \right)^2} \end{split} $$

      根据表1钢的化学成分以及上述公式,可得8种样品的耐蚀指数,如表2所示。由该表可知,2#和5#试验钢耐蚀指数较高,1#、7#和8#钢耐蚀指数较低,但由于8种钢耐蚀元素含量差别不大,因此其耐蚀性指数差异也并不大。

      表 2  八种试验钢样品的耐蚀指数I

      Table 2.  Corrosion resistance index of the steel samples

      1#2#3#4#5#6#7#8#
      0.991.241.051.101.200.640.970.97
    • 将试样沿法向切成10 mm×10 mm×3 mm的片状试样,经60~2000号水砂纸逐级打磨后,对试样进行机械抛光,然后用去离子水、丙酮清洗,去除表面的油污。之后根据《GB/T 10561—2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》在AxioScopeA1型蔡司金相显微镜下对机械抛光后的八种试验钢进行夹杂物观察并评级,评级结果采用A法表示。每个试样选择3个具有代表性的视场进行观测。

      机械抛光后的试样经体积分数4%的硝酸酒精溶液侵蚀后使用蔡司金相显微镜观察其金相组织,并根据《GB/T 6394—2002金属平均晶粒度测定方法》及MIAPS金相图像分析软件评定8种钢的晶粒度级别、平均晶粒尺寸,并计算铁素体及珠光体两相面积占比,以对这8种试验钢组织结构的差异进行分析。

      将试样沿轧制方向切成70 mm×35 mm的片状试样,表面经磨床打磨光亮,清洗除油后称重,之后按照《GB/T 10125—2012人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行室内盐雾试验,每组试验样品(每个编号)的平行试样为3个,试验周期为7 d。盐雾实验作为室内加速腐蚀试验,可以快速模拟室外大气腐蚀的情况。本实验采用质量分数5%氯化钠溶液,调节pH值在6.5~7.2之间,使用连续喷雾进行中性盐雾试验。试样沿与垂直方向45°放于V型槽中,实验周期为7 d。

      实验结束后,对取出的试样进行宏观拍照,使用VK-X200激光共聚焦显微镜(Confocal laser scanning microscope,CLSM)对试样表面3D形貌进行观察和测量,表面腐蚀产物的物相分析采用Rigaku DMAX-RB 12KW X射线衍射仪(XRD)进行分析。按照《GB/T 16545—2015金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》使用500 mL盐酸+500 mL H2O+3.5 g六次甲基四胺除锈液进行除锈,除锈后清洗干燥并称重,计算试样经7 d盐雾试验后的腐蚀速率。之后,使用JEOL JCM6000PLUS型扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)对除锈后试样表面的形貌进行观察,综合分析8种试验钢的腐蚀情况。

    • 按照GB/T 16545—2015去除表面腐蚀产物,之后用酒精清洗,干燥后称量。按照下式计算8种试验钢样品盐雾加速腐蚀实验后的质量损失率:

      $$ \delta =\frac{{m}_{0}-{m}_{1}}{{m}_{0}}\times 100\% $$

      其中,m0为试样原始质量,g;m1为试样去除腐蚀产物后的质量,g。表3为8种试样经7 d中性盐雾试验后的腐蚀质量损失率,每个编号的数据为3个平行试样的平均值。对比可知,1#、2#试验钢的腐蚀质量损失率较低,腐蚀较为轻微,5#、6#、7#的腐蚀质量损失率较为接近,8#试样的质量损失率最大,即盐雾试验结果表明,1#试验钢腐蚀最轻,8#钢腐蚀最重,且1#~8#试验钢的耐蚀性呈现明显的降低趋势。

      表 3  8种试验钢样品的质量损失率

      Table 3.  Mass loss ratio of the steel samples %

      1#2#3#4#5#6#7#8#
      1.112.022.802.843.003.023.063.29
    • 经7 d中性盐雾试验后,8种试验钢的宏观形貌如图1所示。8种试验钢经盐雾加速试验后腐蚀情况均较为严重,表面已完全失去金属光泽,且被厚度不均匀的红褐色及黑色锈层覆盖,总体来说,8种钢腐蚀后的宏观形貌差异不大。对表面腐蚀产物进行X射线衍射(XRD)分析,如图2所示,8种试样的主要腐蚀产物均为α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4,且8种钢中各腐蚀产物的含量相近。研究表明,α-FeOOH的存在容易形成致密的氧化膜,能很好地提高材料的耐蚀性,而γ-FeOOH不易形成相对致密的氧化膜,不利于提高材料的耐蚀性[23-25]。而本实验中,8种钢中的几种羟基氧化铁的含量接近,表明在腐蚀后期不同种钢的锈层致密度及完整性相近,基本无区别。

      图  1  8种试验钢样品盐雾试验后的宏观形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

      Figure 1.  Macromorphologies of the steel samples after the salt spray test: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g)7#; (h) 8#

      图  2  8种试验钢样品锈层X射线衍射图谱

      Figure 2.  XRD patterns of the corrosion products formed on the steel samples

      8种试验钢除锈后表面微观形貌如图3所示,除锈后表面均较为粗糙且呈现出明显的高低起伏状。1#~4#试样除锈后表面较为平整,但局部分布有大量小的蚀坑,相比而言,1#的表面蚀坑较浅;5#试样的表面分布有明显微裂纹,腐蚀情况较1#~4#更重;6#、7#试样表面可见大量较深的腐蚀坑,局部可见明显的剥离状形貌;8#试样表面形貌类似于该铁素体珠光体双相钢金相的侵蚀形貌,腐蚀较深且有大量渗碳体出现,部分区域可见清晰的裂纹,腐蚀形貌最为严重。因此,结果显示,1#~8#钢腐蚀形貌逐渐加重,1#钢耐蚀性较好,8#钢较差,与前文的腐蚀失重率相对应。但仅从8种钢的成分、腐蚀形貌及锈层成分无法得出影响8种试验钢样品耐蚀性差别的具体因素,因此考虑材料中的夹杂物、晶粒度及组织成分,综合分析影响低合金钢耐蚀性的材料因素。

      图  3  8种试验钢样品除锈后的微观形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

      Figure 3.  Micromorphologies of the steel samples after rust removal: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

    • 图4所示,8种试样均由铁素体和珠光体组成,但不同试样间组织差异主要体现在晶粒度及铁素体珠光体两相比例上。表4列出了8种试验钢的晶粒度级别、平均晶粒尺寸以及两相分别所占的面积百分比,如表所示,8种钢的晶粒度差别不大,6#的晶粒度最细,2#和5#的晶粒度最为粗大;而从组织含量可知,两相比例差异较为明显,其中,1#和7#钢中铁素体含量最高,而5#、6#和8#试验钢的珠光体含量较高。

      图  4  8种试验钢样品金相组织。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

      Figure 4.  Microstructures of the steel samples: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

      表 4  八种钢样品晶粒度级别及组织含量

      Table 4.  Grain size and percentage of pearlite/ferrite

      SampleGrain size grade/
      Grain diameter/μm
      Area percentage
      of pearlite/%
      Area percentage
      of ferrite/%
      1#9/1720.1379.87
      2#8.5/2024.2275.78
      3#9.5/1322.2967.72
      4#10/1224.7375.27
      5#8.5/1938.8261.18
      6#10.5/1037.2962.71
      7#9/1623.1476.86
      8#9/1538.4961.51

      珠光体是奥氏体发生共析转变形成的铁素体和Fe3C的共析体,其C含量高于铁素体,铁素体和Fe3C呈相互交替的片层状结构,且两种结构均具有导电性。在盐雾腐蚀性介质中,珠光体中的渗碳体和铁素体之间形成微电偶,Fe3C电位较正为阴极,铁素体电位较负为阳极,因此铁素体优先发生腐蚀溶解,破坏了珠光体片层之间及周围的结构。而当珠光体自身的铁素体溶解完后,也会导致周围先析出的铁素体溶解[26]。由以上分析可知,珠光体的含量对于低合金钢的腐蚀也是一个重要的影响因素。

      此外,有研究表明,在3.5% NaCl溶液、工业污染大气和普通大气环境下,晶粒尺寸更小的钢材表现出了更低的腐蚀速率;但也有研究表明,晶粒细化可以降低IF钢的局部腐蚀,但却增加了基体的缺陷,从而提高了材料的腐蚀速率,二者同时影响着IF钢的耐蚀性[1]。因此,钢材的晶粒度也是影响耐蚀性的一个重要指标,但本实验中,晶粒度与钢材的腐蚀失重并未呈现出明显的正相关,可能是其他材料因素也对钢材耐蚀性有着影响,导致晶粒度因素表现不明显。

      8种试验钢样品中的夹杂物形貌如图5所示,夹杂物评级如表5所示。除4#和8#钢中有A类(硫化物)夹杂物外,其余6种钢中均只含有C类(硅酸盐类)和D类(环状氧化物类)夹杂物,且每种钢中均含有由于轧制而产生的变形夹杂物,但仅有3#和4#钢中含有粗系夹杂物。8种钢中的夹杂物级别(i)均较低,最高级别不超过1.5。对3个视场夹杂物面积占比进行统计计算,每个视场(总面积约65000 μm2)夹杂物所占面积平均比值结果如表5所示,其中3#和4#夹杂物总量较高,1#、2#、5#夹杂物总量较低。

      图  5  8种试验钢样品夹杂物形貌。(a)1#;(b)2#;(c)3#;(d)4#;(e)5#;(f)6#;(g)7#;(h)8#

      Figure 5.  Morphologies of the inclusions in the steel samples: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#

      表 5  8种试验钢样品夹杂物评级及夹杂物所占面积

      Table 5.  Inclusion grade and percentage of the inclusion area of the steel samples

      SampleInclusion gradeArea percentage of inclusion /%
      1#C 0.5e+D 10.05630
      2#C 0.5e+D 0.50.04055
      3#C 1e+D 1e0.12769
      4#A 0.5+C 1e+D 10.11457
      5#C 0.5+D 10.05512
      6#C 1+D 1.50.08360
      7#C 1+D 0.50.08123
      8#A 0.5+C 1+D 0.50.07664

      根据Liu等[26]人的研究,在Q460NH钢(珠光体铁素体双相钢)中,在腐蚀早期,夹杂物周围的晶格畸变引起电极电位变化所产生的腐蚀推动力在诱发腐蚀过程中起主导作用,而夹杂物也是腐蚀早期的主要起源,而随着高能晶格畸变区的不断溶解,由畸变引起的电极电位变化所产生的腐蚀推动力逐渐减弱,到一定程度后由珠光体诱发的电极电位变化所产生的腐蚀推动力开始占据主导作用,推动腐蚀的发展。因此,在低合金钢的腐蚀起源和发展中,夹杂物和珠光体也存在着这种协同作用机制,进一步证明了影响钢材本身腐蚀失重的并不只是单一材料因素,而是多种因素的共同作用。

    • 将试验钢样品的质量损失率与试验钢的耐蚀指数I、显微组织中珠光体面积百分比X1、夹杂物面积百分比X2以及晶粒度级别X3 4个因素分别进行线性回归分析,其结果如图6所示。从图6可发现上述4因素对试验钢质量损失率的影响规律,即I指数越大、晶粒越细,钢的腐蚀质量损失率越低,而钢中珠光体含量越高、夹杂物越多,钢的腐蚀质量损失率越高。

      图  6  8种试验钢盐雾试验后的失重率与耐蚀性指数、珠光体面积百分比、晶粒度级别和夹杂物面积百分比的关系

      Figure 6.  Relationship between the mass loss ratio and the corrosion resistance index, area percentage of pearlite, grain grade, and area percentage of inclusions

      以上述8种试验钢样品的质量损失率作为评价腐蚀性的依据,并以材料的耐蚀指数I、显微组织中珠光体面积百分比(X1)、夹杂物面积百分比(X2)以及晶粒度级别(X3)为变量,采用Statistical product and service solutions(SPSS)软件进行多元回归分析,然后将质量损失率转化为综合耐蚀指数,并根据更多的试验数据,特别是耐候结构钢Q460NH的腐蚀试验数据进行系数修正,可得低合金结构钢综合耐蚀指数Y与材料4种因素的关联关系式如下:

      $$ Y = I-0.062{X_1}-12.1{X_2} + 0.10{X_3} $$

      由上式可知,低合金结构钢的耐蚀性除与耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I指数有关外,还与钢的微观组织、夹杂物及晶粒大小有关,耐蚀性随珠光体含量下降、夹杂物尺寸及数量下降、晶粒细化而提高。该式作为评价低合金结构钢耐蚀性的评价依据,综合耐蚀指数Y值越大,低合金钢的耐蚀性就越好。此外,从表达式可以看出,对本实验所用的低合金结构钢耐蚀性影响的因素按从大到小排序依次为耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I指数、夹杂物总量、铁素体或珠光体含量和晶粒度级别。

      低合金结构钢综合耐蚀指数Y的表达式突破了原来低合金钢耐蚀性判据中只考虑合金成分的影响、忽视材料其它影响因素的弊端,相比于原来仅以成分计算的耐蚀指数I,该表达式中的综合耐蚀指数Y涵盖的因素更全面,更符合钢材在真实环境中腐蚀的客观规律,因此更适合作为低合金结构钢耐蚀性的新判据,具有重要的工程应用价值。尽管由于本实验的样本数量较少,得出的定量关系式不一定精确,但随着今后研究过程中纳入的影响因素更全面、统计分析样本数量增加,表达式会得到进一步优化,将成为低合金结构钢耐蚀性的更准确、可靠的判据,为耐蚀低合金结构钢的开发与生产、耐蚀性评估及服役寿命预测提供更加可靠的依据。

    • (1)提出了不同于传统耐蚀指数I的综合耐蚀指数及其关系式,其中不仅包含了传统耐蚀指数I涉及的化学成分因素,还包含了钢中夹杂物、微观组织和晶粒度等影响因素,可作为低合金结构钢耐蚀性更有效的判据。

      (2)影响低合金结构钢耐蚀性的材料因素除钢的化学成分之外,还包括钢的夹杂物、微观组织、晶粒度等多种因素,并且耐蚀性随耐蚀指数I增高、夹杂物尺寸和数量下降、珠光体含量降低及晶粒细化而提高。

      (3)低合金钢耐蚀性的影响因素按影响大小排序依次为耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I指数、夹杂物总量、铁素体或珠光体含量以及晶粒度级别。

参考文献 (26)

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