魏 磊 ,彭 劍,2 ,裴峻峰,2 ,薛智超 ,汪林海

(1.常州大學(xué)機械與軌道交通學(xué)院,常州 213164;2.常州大學(xué)江蘇省綠色過程裝備重點實驗室,常州 213164)

海洋中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源,我國是一個海洋油氣資源豐富的國家,海洋是我國未來發(fā)展的一個突破口,開發(fā)和利用海洋資源是科技工作者的責(zé)任所在[1-2]。海洋平臺的使用環(huán)境苛刻,其不銹鋼水下結(jié)構(gòu)長期受海水及海洋生物的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕問題,除受自身重力載荷外,還要經(jīng)受風(fēng)浪、海流、海底地震、低溫、自然力等惡劣情況的侵蝕和破壞,且其服役時間長,受力強度高,易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)等問題[3-4]。研究海洋環(huán)境中材料的應(yīng)力腐蝕開裂行為對于保障海洋裝備結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。

2205雙相不銹鋼因其良好的耐蝕性,在海洋裝備中得到了大量應(yīng)用,同時我國腐蝕研究人員對2205雙相不銹鋼在海洋環(huán)境中的腐蝕問題進(jìn)行了大量的研究,在腐蝕機理、選材以及預(yù)防措施等方面取得了一定的進(jìn)展[5-7]。宋積文等[8]研究了2205雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面形成的微生物保護(hù)膜與不銹鋼基體間形成縫隙,在溶解氧與Cl-作用下發(fā)生縫隙腐蝕,形成局部腐蝕坑;劉宇等[9]發(fā)現(xiàn)5083鋁合金與2205雙相不銹鋼在天然海水中均能形成電偶腐蝕,這種電偶腐蝕反過來會加速5083鋁合金的腐蝕,2205雙相不銹鋼則會被其保護(hù)起來;高麗飛和杜敏[10]研究了2205雙相不銹鋼在淡化海水、海水和濃縮海水中的點蝕行為,發(fā)現(xiàn)2205 雙相不銹鋼的點蝕敏感性隨Cl-含量的提高而增加;張?zhí)煲淼萚11]研究了2205雙相不銹鋼在含有不同濃度Na HSO3模擬海水中的腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)HSO3-在溶液中極易被氧化為HSO4-,電離出的氫離子會對2205不銹鋼鈍化膜產(chǎn)生破壞作用,使其耐腐蝕性能下降。酸性環(huán)境中2205雙相不銹鋼往往更易被腐蝕,其腐蝕開裂特征與機理是研究人員關(guān)心的重要問題。喻蘭英等[12]利用了AFM 和電化學(xué)分析,研究了2205雙相不銹鋼在HCl溶液中的點蝕行為,發(fā)現(xiàn)2205雙相不銹鋼在0.5 mol/L 和1 mol/L 的HCl溶液中均具有較好的耐點蝕能力;趙天宇等[13]研究發(fā)現(xiàn),硫酸濃度和溫度對金屬材料腐蝕速率的影響由強到弱排序為20R 鋼、316L不銹鋼、2205雙相不銹鋼;楊世洲等[14]采用C型環(huán)試驗研究了2205雙相不銹鋼在酸性H2S環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為及開裂機理,研究表明2205雙相不銹鋼在NACE標(biāo)準(zhǔn)A 溶液中具有良好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

海洋環(huán)境中,金屬材料發(fā)生SCC 失效主要受到海水含鹽度和pH 的影響[15-16]。海水中含有大量的氯鹽,研究表明Cl-的存在有可能會導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生SCC,在酸性較強的含Cl-溶液中更容易發(fā)生[17]。酸性氯化物環(huán)境中Cl-易誘發(fā)點蝕,H+以原子的形式通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴散富集在材料表面的高應(yīng)力區(qū),從而使該區(qū)域的金屬脆化開裂[18-19]。

為了探究2205雙相不銹鋼在海洋環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂問題,本工作通過蒸餾水、海水以及含氯離子酸性海水溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(Slow Strain Rate Test,SSRT),對比不同介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù),并且采用掃描電鏡分析其斷口特征,從而研究環(huán)境介質(zhì)對其應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響。

1 試驗

試驗材料為2205 雙相不銹鋼,其化學(xué)成分見表1。將2205雙相不銹鋼板加工成如圖1 所示的拉伸試樣。試驗前,將試樣進(jìn)行水磨砂紙打磨、酒精清洗和烘干后備用。

表1 2205雙相不銹鋼的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of 2205 duplex stainless steel %

圖1 慢應(yīng)變速率試驗試樣尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of specimen size of slow strain rate test

試驗溶液分別為蒸餾水、人造海水和含0.6 mol/L NaCl+0.1 mol/L HCl的海水混合溶液(以下簡稱含Cl-海水混合溶液),其中,含Cl-海水混合溶液與文獻(xiàn)[20]一致。依據(jù)ASTM D1141-1998(2003)《替代海水制備的標(biāo)準(zhǔn)實施規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn),配制人造海水,然后用0.1 mol/L NaOH 溶液將人造海水的pH 調(diào)至8.2。將配制好的人造海水與HCl和NaCl混合,得到含Cl-海水混合溶液。

采用力創(chuàng)WDML-3型微機控制慢應(yīng)變速率拉伸試驗機,在上述試驗溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(SSRT),應(yīng)變速率分別為1×10-4,2×10-5,1×10-5s-1(對應(yīng)的拉伸速率分別為0.15,0.03,0.015 mm/min),分析環(huán)境介質(zhì)和應(yīng)變速率對試樣SCC行為的影響。試驗后,采用掃描電鏡觀察試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境介質(zhì)對2205 雙相不銹鋼SCC 行為的影響

由圖2可見:2205雙相不銹鋼在3種溶液中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性與初始塑性強化階段變化趨勢基本一致,在斷裂應(yīng)變和軟化階段存在明顯差異;2205雙相不銹鋼在3種溶液中的屈服強度和抗拉強度相差不大;與蒸餾水和人造海水相比,2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中的斷后伸長率、斷面收縮率和斷裂應(yīng)變能均大幅降低,這表明2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性較高,材料發(fā)生脆性斷裂[21-23]。

圖2 2205雙相不銹鋼在3種溶液中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)性能(應(yīng)變速率為1.5×10-5 s-1)Fig.2 Stress-strain curves(a)and tensile properties(b)of 2205 duplex stainless steel in three solutions(strain rate 1.5×10-5 s-1)

在含Cl-酸性溶液中,氫致開裂是2205雙相不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因[14,24-25]。Cl-極易誘發(fā)雙相不銹鋼發(fā)生點蝕,溶液中的H+會在點蝕坑中聚集,并與基體發(fā)生反應(yīng)。其中,氫原子通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴散,在晶格間隙和缺陷處聚集,當(dāng)氫含量達(dá)到臨界值時,材料的斷裂應(yīng)力會降低,從而引發(fā)SCC[18-19]。

2.2 應(yīng)變速率對2205 雙相不銹鋼SCC 行為的影響

2.2.1 應(yīng)變速率對2205 雙相不銹鋼拉伸性能的影響

由圖3可見:在蒸餾水中,2205雙相不銹鋼的斷后伸長率和斷面收縮率均隨著應(yīng)變速率的增大而減小,表明2205雙相不銹鋼的塑性逐漸降低,變形抗力逐漸增加,這符合金屬拉伸應(yīng)變速率敏感性的特點[26];各應(yīng)變速率下,2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中的斷后伸長率和斷面收縮率均低于在蒸餾水中的,并且隨著應(yīng)變速率的減小,其斷后伸長率和斷面收縮率均不斷降低,說明2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中發(fā)生了SCC,這導(dǎo)致雙相不銹鋼韌性降低,并發(fā)生脆性破壞。

圖3 不同應(yīng)變速率條件下2205雙相不銹鋼在兩種溶液中的斷后伸長率和斷面收縮率Fig.3 Percentage elongation after fracture(a)and percentage reduction of area(b)of 2205 duplex stainless steel in two solutions at different strain rates

2.2.2 應(yīng)變速率對2205雙相不銹鋼應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)的影響

采用掃描電鏡(SEM)觀察材料拉伸斷口有無脆性斷裂的特征,只能定性判斷其是否發(fā)生SCC,通過韌性指標(biāo)則可進(jìn)行定量判斷[27]。韌性指標(biāo)主要包括斷后伸長率δ、斷面收縮率Ψ 和斷裂應(yīng)變能A 等參數(shù),斷后伸長率敏感性系數(shù)Fδ,斷面收縮率敏感性系數(shù)FΨ和斷裂應(yīng)變能敏感性系數(shù)FA的計算公式見式(1)～(3)[28-30]。

式中:δ0,δ 分別為材料在惰性介質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)中的斷后伸長率;Ψ0,Ψ 分別為材料在惰性介質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)中的斷面收縮率;A0,A 分別為材料在惰性介質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)中的斷裂應(yīng)變能。

在腐蝕性與惰性介質(zhì)(如蒸餾水或空氣)中,敏感性系數(shù)可以定量表征應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性[31-32]。Fδ、FA、FΨ越大,應(yīng)力腐蝕敏感性就越高,應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象越明顯。

當(dāng)應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)F≥35%時,材料會發(fā)生SCC,該數(shù)值區(qū)域被稱為脆性斷裂區(qū)。當(dāng)25%≤F＜35%時,材料存在發(fā)生SCC 的潛在危險,該數(shù)值區(qū)域被稱為危險區(qū)。當(dāng)F＜25%時,材料不會發(fā)生SCC,該數(shù)值區(qū)域被稱為安全區(qū)[33-35]。如圖4所示:在1×10-4s-1應(yīng)變速率下,2205雙相不銹鋼的Fδ,FΨ和FA均小于25%,處于安全區(qū),說明在該應(yīng)變速率下材料未發(fā)生SCC;當(dāng)應(yīng)變速率減小至2×10-5s-1時,2205雙相不銹鋼的各項應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)明顯增大,但仍處于安全區(qū)內(nèi),Fδ和FA靠近危險區(qū),說明材料有發(fā)生SCC 的傾向;當(dāng)應(yīng)變速率減小至1×10-5s-1時,2205雙相不銹鋼的Fδ和FA都大于35%,處于脆性斷裂區(qū),FΨ處于危險區(qū),說明在該應(yīng)變速率下材料會發(fā)生SCC。綜上分析可知,在含Cl-海水混合溶液中,當(dāng)應(yīng)變速率大于1×10-4s-1時,2205雙相不銹鋼未發(fā)生SCC,當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-5s-1時,2205雙相不銹鋼會發(fā)生明顯的SCC。

圖4 不同應(yīng)變速率下2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)分布示意Fig.4 Distribution schematic diagram of stress corrosion sensitivity coefficients of 2205 duplex stainless steel in seawater mixed solution containing Cl-at different strain rates

2.3 2205雙相不銹鋼SCC斷口形貌

由圖5可見:在蒸餾水中,2205雙相不銹鋼斷口發(fā)生了明顯頸縮,其斷口呈韌性斷裂的形貌特征;在含Cl-海水混合溶液,2205雙相不銹鋼斷口較平整,無明顯頸縮現(xiàn)象,呈典型的脆性宏觀斷口的形貌特征,在靠近斷口起裂處存在腐蝕裂紋;2205雙相不銹鋼在蒸餾水中的拉伸斷口表面積明顯小于在含Cl-海水混合溶液中的;進(jìn)一步放大倍數(shù)觀察發(fā)現(xiàn),在蒸餾水中,2205雙相不銹鋼斷口可見大量韌窩,未見微裂紋,在含Cl-海水混合溶液中,其斷口可見裂紋和裂尖,裂紋周圍可見河流花樣的形貌,屬于典型的SCC 的形貌特征[36]。綜上所述可知,在1×10-5s-1應(yīng)變速率條件下拉伸時,2205雙相不銹鋼在含Cl-海水混合溶液中發(fā)生了SCC,這與圖4中的結(jié)果相一致。

圖5 2205雙相不銹鋼在不同溶液中的斷口SEM 形貌(應(yīng)變速率為1×10-5 s-1)Fig.5 Fracture SEM morphology of 2205 duplex stainless steel in different solutions(strain rate 1×10-5 s-1):(a)distilled water,low magnification;(b)seawater mixed solution containing Cl-,low magnification;(c)distilled water,high magnification;(d)seawater mixed solution containing Cl-,high magnification

3 結(jié)論

(1) 在1.5×10-5s-1應(yīng)變速率下拉伸時,2205雙相不銹鋼在蒸餾水和在海水溶液中未發(fā)生SCC,其在含Cl-海水混合溶液中發(fā)生了明顯的SCC。

(2) 在含Cl-海水混合溶液中,當(dāng)應(yīng)變速率大于2×10-5s-1時,2205雙相不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)小于25%,處于安全區(qū)。當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-5～2×10-5s-1,其應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)處于危險區(qū),2205雙相不銹鋼可能會發(fā)生SCC。當(dāng)應(yīng)變速率減小至1×10-5s-1,其應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)為25%～35%,處于危險區(qū)和脆斷區(qū),2205雙相不銹鋼會發(fā)生SCC。

(3) 在含Cl-海水混合溶液中以1×10-5s-1應(yīng)變速率拉伸時,2205 雙相不銹鋼的斷口存在裂紋,裂紋周圍可見河流花樣的形貌,進(jìn)一步驗證了該條件下2205雙相不銹鋼發(fā)生了SCC。