690 MPa级高强贝氏体钢在模拟乡村大气中的腐蚀行为
2021-01-13 10:02:16 作者:刘海霞1,2, 黄峰,1,2, 袁玮1,2, 胡骞1,2, 来源:武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 分享至:
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刘海霞, 黄峰, 袁玮, 胡骞, 刘静。 690 MPa级高强贝氏体钢在模拟乡村大气中的腐蚀行为[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2020, 40(5): 416-424 doi:10.11902/1005.4537.2020.002

LIU Haixia, HUANG Feng, YUAN Wei, HU Qian, LIU Jing. Corrosion Behavior of 690 MPa Grade High Strength Bainite Steel in a Simulated Rural Atmosphere[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2020, 40(5): 416-424 doi:10.11902/1005.4537.2020.002

近年来,随着我国经济和基础建设的快速发展,耐候钢的需求量日益增加。为了提高基础建设的经济效益和降低维护成本,要求新型钢具有更高强度的同时也必须具有优良的耐蚀性能。在实际使用过程中,贝氏体钢也有可能应用于桥梁。提高钢材耐蚀性能的常用方法是向钢中添加Cu、Cr、Ni等合金元素,这些合金元素随着腐蚀的进行会在锈层中发生富集,改善锈层致密性,提高钢材耐蚀性[1-3]。

对于235 MPa级的第一代低碳桥梁钢,高岩等[4]进行Q235钢在乡村、海洋、工业大气环境中实地暴晒试验发现,Q235钢前期腐蚀更为严重,后期腐蚀程度降低,腐蚀产物主要为α-FeOOH和γ-FeOOH,在海洋和工业环境下还分别出现β-FeOOH和Fe3O4。对于345 MPa级别的第二代低合金高强桥梁钢,顾宝珊等[5]对JT345、Q235B和Corten-A钢在工业、海洋大气中进行对比研究,结果表明,JT345钢锈层致密,且在内锈层出现明显的Cu、Cr元素富集,耐蚀性能接近Corten-A钢水平,明显优于Q235B钢。而对于420和500 MPa级的第三代高性能桥梁钢,本课题组[6]也对比研究了Q460q及Q355NHD在海洋环境中的腐蚀行为,发现Q460q钢的腐蚀产物中致密相α-FeOOH相占比最大,锈层也最为致密,耐蚀性能明显优于Q355NHD钢。由此可见,随着贝氏体钢的发展,更高强度和适应更多样的服役环境成为必然趋势,尤其在偏远山区和乡村,由于交通和地理环境问题,降低其建造及维护成本显得更为重要。690 MPa级钢是新一代高强度贝氏体钢,但目前关于690 MPa级贝氏体钢在乡村大气中耐蚀性能的相关研究鲜有报道。

本文以690 MPa级高强度贝氏体钢为研究对象,同时采用Corten-A和Q235钢作为对比,采用室内周期浸润加速试验方法研究了其在模拟乡村大气环境中腐蚀动力学规律;利用场发射扫描电镜 (FE-SEM)、电子探针 (EPMA)、X射线衍射 (XRD) 以及电化学测试方法观察和分析了Q690钢表面宏观形貌、锈层物相结构、锈层截面形貌及元素分布以及锈层电化学性能,阐明了Q690钢在模拟乡村大气环境中耐蚀规律及机理,为690 MPa级高强度贝氏体钢的研发及其在模拟乡村大气环境条件下的服役安全及防护措施的制定提供理论依据和数据支持。

1 实验方法

实验所用Q690钢是由宝武集团武汉中试工厂试制,对比用Q235钢、Corten-A钢分别为宝钢和鞍钢生产,3种钢的主要化学成分如表1所示,利用Nova400 Nano场发射扫描电镜 (FE-SEM) 观察3种钢的显微组织,如图1所示。由图1可看出,Q690钢的显微组织主要为板条贝氏体 (LB);而Q235和Corten-A钢的组织都由铁素体 (F) 和珠光体 (P) 组成。进一步观察发现,Q235钢中的珠光体含量比Corten-A多。另外,3种钢的晶粒度也明显不同,Q235钢晶粒尺寸最大,Corten-A钢其次,Q690钢晶粒最小。


采用YF-C1型周期浸润腐蚀试验箱按照GB/T 19746-2005标准对690 MPa级桥梁试验钢试样进行干、湿交替周期浸润腐蚀实验[7]。腐蚀介质为蒸馏水,设置环境温度为 (45±2) ℃、环境湿度为 (70±2) %、浸泡溶液温度为 (40±2) ℃。每个循环周期为60 min (其中干燥48 min,浸润12 min),实验总共进行768 h,分7个周期 (24、48、72、96、192、384和768 h) 取样。每阶段各取3个平行样,使用除锈液 (500 mL盐酸+500 mL蒸馏水+3.5 g六次甲基四胺) 去除腐蚀产物后,用蒸馏水和无水乙醇清洗,干燥后称重,并用空白试样矫正除锈液对基体的腐蚀量,根据失重法计算试样在不同腐蚀时间的平均腐蚀速率[7]。由于Q690钢为研制中的新型贝氏体钢,应依据TB/T 1979-2014标准计算其相对于Q235钢的相对腐蚀速率[8],用以评价Q690钢的耐蚀性,并与典型耐候钢Corten-A的相对腐蚀速率进行比较来说明其耐候性的优劣。计算公式如下:

式中,VQ690、VCorten-A和VQ235分别为失重法计算的Q690钢、Corten-A钢和Q235钢的平均腐蚀速率,g·m-2·h-1;VQ690相对和VCorten-A相对分别为Q690钢和Corten-A钢相对Q235钢的相对腐蚀速率,ΔV相对为两者差值,g·m-2·h-1。

使用数码相机 (Casio EX Zero) 记录试样腐蚀不同周期除锈前后的表面宏观形貌。腐蚀后试样经导电树脂封样并进行打磨抛光后,使用EPMA-1720型电子探针显微分析仪 (EPMA) 观察试样锈层的截面形貌及元素分布,测试条件工作电压为15 kV,工作电流为100 nA。用刀片刮取不同腐蚀周期各试样锈层,研磨成粉末,采用Philips X'Pert Pro型X射线衍射仪 (XRD) 分析锈层的物相组成,靶材为Cu靶,工作电压为40 kV,电流为40 mA,2θ范围为10°~90°,并采用参比强度法 (RIR) 对XRD结果进行半定量分析。

采用Auto Lab PGSTAT302F电化学工作站测量3种钢腐蚀不同时间后带锈试样的线性极化曲线和电化学阻抗谱。以腐蚀不同时间的带锈试样 (工作面积为1 cm2) 为工作电极,Pt电极为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,蒸馏水为腐蚀介质组装三电极体系进行电化学测试。电化学阻抗谱扫描频率范围为105~10-2 Hz,扰动电压±10 mV。线性极化曲线测试扫描范围相对于自腐蚀电位±10 mV,扫描速率0.1 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 Q690钢腐蚀动力学行为

图2给出了Q690钢以及对比Corten-A钢和Q235钢的平均腐蚀速率随时间变化曲线。可知,在腐蚀前期 (24、48和72 h),Q690钢腐蚀速率上升,并在72 h达到最大值;腐蚀时间超过72 h之后,Q690钢腐蚀速率呈下降趋势,且随着腐蚀时间延长逐渐趋于平缓,Corten-A和Q235钢也表现出同样规律。进一步观察发现,整个腐蚀周期内,Q690钢的平均腐蚀速率均小于Corten-A和Q235钢。


另外,计算Q690和Corten-A钢相对Q235的相对腐蚀速率,发现相同时间内Q690钢的相对腐蚀速率比Corten-A钢的相对腐蚀速率小,最大差值达22.6%,说明Q690钢比公认的Corten-A钢具有更好的耐候性,相关原因在后面的段落会详细讨论。

2.2 腐蚀产物形貌观察及元素分析

2.2.1 锈层表面宏观形貌演变

图3给出了不同腐蚀周期3种钢试样腐蚀产物去除前后的表面宏观形貌。由图3a可看出,随着腐蚀时间延长,3种钢表面锈层均由外部呈现黄色的腐蚀产物以及内部呈黑色的腐蚀产物组成,腐蚀产物致密性逐渐变好。比较相同腐蚀时间3种钢试样腐蚀形貌可以发现,腐蚀24和48 h后,3种钢试样表面均出现橙褐色腐蚀产物,表面形貌无明显区别。腐蚀192 h后,3种钢的锈层已基本完全覆盖基体,且逐渐出现黄褐色和黑色腐蚀产物;值得强调的是,Q690钢表面腐蚀产物总量较少,但其中黄褐色和黑色腐蚀产物占比要大于Corten-A和Q235钢表面腐蚀产物中黄褐色和黑色腐蚀产物的占比,表明Q690钢的锈层致密程度和腐蚀产物占比与Corten-A和Q235钢不同,这将直接影响其后期耐蚀性。从图3b可以看出,在实验周期内3种钢均发生均匀腐蚀,腐蚀前期基本没观察到钢基体被腐蚀的迹象,在腐蚀后期,Q690钢试样表面发生轻微的均匀腐蚀,而Q235和Corten-A钢表面均匀腐蚀现象更加明显。