張彭輝，顧良華，丁康康，逄昆，范林

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船用低合金鋼焊接件腐蝕行為研究

張彭輝，顧良華，丁康康，逄昆，范林

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島，266101）

目的 研究船用低合金鋼焊接件在海水中的腐蝕行為。方法 采用金相組織觀察、極化曲線、電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，以及掃描振動(dòng)電極技術(shù)（SVET），對(duì)船用低合金鋼焊接件在天然海水中的腐蝕行為進(jìn)行研究。結(jié)果 船用低合金鋼焊接件中熱影響區(qū)與焊縫區(qū)及母材區(qū)金相組織發(fā)生明顯分化，熱影響區(qū)腐蝕傾向最大，耐蝕性最差，并且易與母材區(qū)形成電偶發(fā)生破壞。SVET測(cè)試結(jié)果表明，最大陽(yáng)極電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)集中于靠近母材處。結(jié)論 焊接件各區(qū)域間組織存在較大差異，熱影響區(qū)成為最易發(fā)生腐蝕破壞的區(qū)域，在海水中陽(yáng)極反應(yīng)發(fā)生在熱影響區(qū)，隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)電流增大，腐蝕加重。

SVET；焊接件；低合金鋼；海水腐蝕

低合金鋼因其良好的性能，在船舶工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1—4]。焊接結(jié)構(gòu)是低合金鋼在船舶上的主要結(jié)構(gòu)形式，由于在焊接過(guò)程中接頭部位容易出現(xiàn)金屬成分和組織結(jié)構(gòu)的改變，以及氣孔、夾雜等焊接缺陷和殘余應(yīng)力問(wèn)題，使得焊縫區(qū)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，在實(shí)際使用過(guò)程中易發(fā)生局部破壞，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件失效[5—9]。海水是一種復(fù)雜、苛刻的腐蝕介質(zhì)，船舶長(zhǎng)時(shí)間服役于海洋環(huán)境中，更加加劇了焊接件的腐蝕，不僅嚴(yán)重影響著船舶的服役壽命，更造成巨大的安全隱患。

焊接件由于各區(qū)域組織發(fā)生分化，其腐蝕以局部腐蝕為主。傳統(tǒng)的宏觀電化學(xué)研究方法是以整個(gè)電極為研究對(duì)象，獲得電極過(guò)程的平均信息，無(wú)法獲得電極表面微區(qū)的電化學(xué)特性。掃描振動(dòng)電極技術(shù)（SVET）可在不接觸樣品表面的情況下檢測(cè)樣品的局部腐蝕電位（電流）信息，在局部腐蝕、涂層性能研究等方面得到了應(yīng)用[10—13]。采用SVET技術(shù)可以在無(wú)損情況下對(duì)焊縫腐蝕進(jìn)行原位研究，可以更好地對(duì)焊接件局部位置的腐蝕過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行分析，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)電化學(xué)方法的不足。S. Wang等[14]采用SVET技術(shù)結(jié)合其他多種測(cè)試技術(shù)，對(duì)低合金鋼（A508）與鎳基合金（52M）焊縫在模擬壓水反應(yīng)堆介質(zhì)中的腐蝕行為進(jìn)行了研究。L.W. Wang等[15]采用熱模擬方法對(duì)X80管線鋼進(jìn)行處理，制得了模擬焊接熱影響區(qū)的試樣，并采用SVET，LEIS等方法對(duì)其腐蝕行為進(jìn)行了原位表征。S. J. Luo和R. Wang[16]研究了高頻焊接管材鋼焊接接頭在含硫條件下的腐蝕行為，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與母材區(qū)相比，焊縫區(qū)電位負(fù)，腐蝕電流密度大，焊縫區(qū)會(huì)由于與母材區(qū)形成微電偶而導(dǎo)致腐蝕加速。采用SVET對(duì)焊接接頭的腐蝕過(guò)程進(jìn)行研究，能夠從微觀角度更好地研究焊接接頭的腐蝕行為，因此文中采用SVET測(cè)試技術(shù)，結(jié)合金相組織分析、極化以及電化學(xué)阻抗測(cè)試方法，對(duì)船用低合金鋼埋弧焊焊接件在海水中的腐蝕行為進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

焊接件母材材料為船用低合金鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

焊接件采用埋弧焊工藝進(jìn)行加工，焊條成分見(jiàn)表2。

表1 低合金鋼化學(xué)成分

表2 焊條化學(xué)成分

1.2 方法

1）金相組織分析。采用線切割切取尺寸為100 mm×16 mm×10 mm的試樣，試樣取樣以焊縫為中心，左右各取20 mm長(zhǎng)度母材，確保所取試樣包含母材區(qū)、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)。用180#，400#，800#，1200#，2000#砂紙逐級(jí)打磨試樣，然后用金剛石研磨膏拋光至鏡面。拋光后用無(wú)水乙醇清洗表面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間為15 s，然后用去離子水和無(wú)水乙醇依次清洗表面，吹干后采用Leica DIM 5000 M金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。

2）電化學(xué)測(cè)試。在試樣焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)分別切割試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，工作面積為1 cm2。試樣除油吹干后在背部焊接銅導(dǎo)線，然后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，制成電化學(xué)測(cè)試試樣。工作面用180#，400#，800#，1000#砂紙逐級(jí)打磨，并用無(wú)水乙醇清洗表面，吹干后放入干燥器備用。將試樣浸泡在天然海水中，并對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試和極化曲線測(cè)試，對(duì)比分析各區(qū)域電化學(xué)性質(zhì)的差異。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，工作電極為低合金鋼試樣，參比電極為飽和甘汞電極，對(duì)電極為鉑電極。采用PMC電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)阻抗和動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，電化學(xué)阻抗測(cè)試頻率范圍為100 kHz~10 mHz，激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV。動(dòng)電位極化曲線測(cè)試電位（vs OCP）范圍為－0.25~1.6 V，掃描速率為0.33 mV/s。

3）SVET測(cè)試。按圖1切取試樣，試樣尺寸為15 mm×7 mm×4 mm。試樣背后焊接銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，露出工作面，工作面面積為15 mm×7 mm。對(duì)工作面進(jìn)行打磨拋光，用無(wú)水乙醇清洗表面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。SVET測(cè)試采用VersaSCAN電化學(xué)掃描系統(tǒng)，掃描探針為直徑50 μm的Pt-Ir微電極。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將試樣置于電解槽中，并將試樣工作面調(diào)至水平。掃描探針在試樣上方沿垂直于試樣工作面方向振動(dòng)，振幅為30 μm，調(diào)整探針與試樣表面間距離為100 μm，掃描區(qū)域如圖1所示。掃描面積為3 mm×15 mm，由母材區(qū)向焊縫區(qū)進(jìn)行掃描。試驗(yàn)開(kāi)始前向電解槽中注入天然海水并沒(méi)過(guò)探針。SVET測(cè)試結(jié)果為試樣表面局部氧化還原反應(yīng)的離子電勢(shì)差，依據(jù)儀器數(shù)據(jù)處理規(guī)范將測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為局部電流密度。

圖1 焊接件測(cè)試試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織觀察

對(duì)低合金鋼焊接試樣表面進(jìn)行侵蝕后表面形貌如圖2所示。對(duì)焊接件表面不同區(qū)域進(jìn)行金相觀察，對(duì)應(yīng)區(qū)域金相組織如圖3所示。由圖3可知，焊接件不同區(qū)域金相組織差異較大。焊縫區(qū)微觀組織分布均勻，晶粒細(xì)小，其金相組織由大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。熱影響區(qū)主要為鐵素體和珠光體，呈明顯的帶狀分布，并且離焊縫區(qū)越遠(yuǎn)，帶狀組織分化越明顯。母材區(qū)以板條貝氏體和針狀鐵素體為主，表面分布著碳化物顆粒。

圖2 焊接件金相試樣侵蝕后形貌

由于焊縫區(qū)是由焊條在熱源作用下，經(jīng)熔化凝固后形成的，因此焊縫與母材金相組織不同。熱影響區(qū)受熱源熱輸入影響，其組織發(fā)生變化，并且離熱源距離不同，受到的影響不同。由圖3可以看出，與母材相比，熱影響區(qū)組織明顯發(fā)生分化，導(dǎo)致熱影響區(qū)的組織與母材區(qū)不同。同時(shí)可看出，離熱源越遠(yuǎn)，熱影響區(qū)組織不均勻性越小。

2.2 電化學(xué)測(cè)試

焊接件不同區(qū)段極化曲線的測(cè)試結(jié)果如圖4a所示。由電流密度可以看出，熱影響區(qū)的自腐蝕速率最大。試樣熱影響區(qū)腐蝕電位為－0.638 V，與焊縫區(qū)（－0.642V）接近，低于母材區(qū)電位（－0.631 V）。由于焊接過(guò)程中熱影響區(qū)成分和組織發(fā)生變化，化學(xué)成分和組織的不均勻性導(dǎo)致熱影響區(qū)的電極電位與母材區(qū)存在差異，使熱影響區(qū)與母材區(qū)之間易發(fā)生電偶腐蝕，使焊接件腐蝕失效[14]。

電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果如圖4b所示。采用三元件等效電路進(jìn)行擬合，等效電路如圖5所示。其中s代表溶液電阻，t代表電荷轉(zhuǎn)移電阻，代表具有雙電層電容特性的常相位角元件。

焊接件各區(qū)域電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由阻抗測(cè)試結(jié)果可知，在整個(gè)焊接件中，熱影響區(qū)的阻抗值為最低，其耐蝕性最差。根據(jù)極化曲線測(cè)試結(jié)果，在焊接件中熱影響區(qū)發(fā)生腐蝕的傾向最大。同時(shí)，其腐蝕電位與母材區(qū)之間存在較大差值，因此熱影響區(qū)易與母材區(qū)形成電偶而發(fā)生腐蝕。在整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)中，熱影響區(qū)面積最小，因此在與母材形成電偶發(fā)生腐蝕過(guò)程中極易出現(xiàn)大陰極小陽(yáng)極的情況，腐蝕一旦發(fā)生，熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕，從而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件的失效。

2.3 SVET測(cè)試結(jié)果

SVET測(cè)試結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，最大腐蝕電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材交界處。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱影響區(qū)陽(yáng)極電流覆蓋面積增加，陰極區(qū)仍出現(xiàn)在母材區(qū)。浸泡至5 h時(shí)，陽(yáng)極電流密度明顯增大，熱影響區(qū)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，陽(yáng)極電流峰值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處，同時(shí)母材區(qū)陰極電流也增大，并且焊縫區(qū)也表現(xiàn)為陰極區(qū)。由圖6可知，在試驗(yàn)周期內(nèi)，陽(yáng)極反應(yīng)主要發(fā)生在熱影響區(qū)，并且隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，最大陽(yáng)極電流密度增大。

表3 焊接件各區(qū)域電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果擬合數(shù)據(jù)

研究表明，鋼鐵中不同組織之間存在電化學(xué)性能差異[18]。由于焊接過(guò)程中熱輸入的影響，使熱影響區(qū)與母材區(qū)組織發(fā)生明顯分化，導(dǎo)致熱影響區(qū)與母材區(qū)之間存在明顯的電位差，從而在熱影響區(qū)與母材區(qū)之間產(chǎn)生了不同組織之間的電偶腐蝕。因此當(dāng)試樣浸入海水中時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)首先在熱影響區(qū)發(fā)生，母材區(qū)則作為陰極得到保護(hù)，并且最大陽(yáng)極電流出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處。同時(shí)根據(jù)極化以及電化學(xué)阻抗測(cè)試的結(jié)果，熱影響區(qū)自腐蝕速率最大，阻抗值最低，進(jìn)一步加速了熱影響區(qū)的腐蝕。因此隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱影響區(qū)的腐蝕電流密度進(jìn)一步增大。熱影響區(qū)在整個(gè)試驗(yàn)周期中均作為陽(yáng)極發(fā)生腐蝕，并且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，表現(xiàn)為較為集中的局部陽(yáng)極電流峰。這可能是由于受熱源影響不同，熱影響區(qū)本身組織也不均勻，其局部區(qū)域的電化學(xué)性質(zhì)也存在一定差異，電偶腐蝕發(fā)生后，對(duì)缺陷位置的加速作用更加明顯。因此在浸泡周期內(nèi)，熱影響區(qū)內(nèi)局部區(qū)域出現(xiàn)較大陽(yáng)極電流。

圖6 不同浸泡時(shí)間SVET測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)用船用低合金鋼焊接件各區(qū)段之間的組織存在明顯差異，焊縫區(qū)金相組織由大量的針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。熱影響區(qū)主要為鐵素體和珠光體，呈明顯的帶狀分布，并且離焊縫區(qū)越遠(yuǎn)，帶狀組織分化越明顯。母材區(qū)以板條貝氏體和針狀鐵素體為主，表面分布著碳化物顆粒。

2）低合金鋼焊接件熱影響區(qū)具有最大的自腐蝕速率和腐蝕傾向，同時(shí)其阻抗值最小，耐蝕性最差。熱影響區(qū)與母材區(qū)存在較大的電位差，并且熱影響區(qū)在整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)中面積最小，熱影響區(qū)會(huì)由于電偶腐蝕而發(fā)生破壞。

3）實(shí)驗(yàn)用船用低合金鋼材料在海水中發(fā)生局部腐蝕，陽(yáng)極反應(yīng)發(fā)生在熱影響區(qū)。隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，最大陽(yáng)極電流密度增大，腐蝕加重。陽(yáng)極電流峰值主要出現(xiàn)在熱影響區(qū)與母材區(qū)交界處。

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Corrosion Behaviors of Welded Low-alloy Hull Steel

ZHANG Peng-hui, GU Liang-hua, DING Kang-kang, PANG Kun, FAN Lin

(State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Qingdao 266101, China)

Objective To study corrosion behaviors of low-alloy hull steel in seawater. Methods Corrosion behaviors of low-alloy hull steel were studied by metallurgical structure observing, potentiodynamic scanning, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning vibration electrode test. Results There was obvious difference among metallographic structures in basement zone (BZ), heat-affected zone (HAZ) and weld zone (WZ). HAZ tended to have corrosion firstly, while the corrosion resistance of which was the lowest. And there was the probability of galvanic corrosion between HAZ and BZ. The result of SVET showed that the highest anodic current appeared in HAZ, and concentrated near BS as the time went on. Conclusion There are obvious differences among metallurgical structures in different zones, while HAZ turns out to be prior to corrode. Anodic reaction occurs at HAZ, and the max anodic current and corrosion increase with time.

SVET; weldment; low-alloy steel; seawater corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.019

TJ04; TG172

A

1672-9242(2017)06-0097-05

2017-04-01；

2017-05-01

張彭輝（1989—），男，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。