陰極極化電位對(duì)9a鋼氫脆敏感性的影響

陰極極化電位對(duì)9a鋼氫脆敏感性的影響

1陰極保護(hù)電位對(duì)氫脆敏感性的影響在海上環(huán)境中，通常使用陰極保護(hù)來(lái)抑制鋼腐蝕。但是鋼的強(qiáng)度越高,其氫脆敏感性也越大。國(guó)內(nèi)外資料報(bào)道,高強(qiáng)鋼的失效與陰極保護(hù)有關(guān)。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作,國(guó)內(nèi)已研究了ZC-120鋼、16Mn和921鋼等在陰極保護(hù)電位下的氫脆敏感性,并利用氫脆系數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,對(duì)于屈服強(qiáng)度大于500MPa的鋼,當(dāng)保護(hù)電位在-0.950V～-1.000V區(qū)間時(shí),具有較強(qiáng)的氫脆敏感性。國(guó)外則研究了不同等級(jí)低碳高合金鋼和焊縫的最佳陰極保護(hù)電位及其氫脆敏感性[12,13,14,15,16,17],并利用目前沿用的標(biāo)準(zhǔn)-在超過(guò)最大負(fù)荷后斷裂,且韌性指標(biāo)至少有80%的比率(相對(duì)與惰性介質(zhì))并具有宏觀韌性斷口形貌對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,屈服強(qiáng)度大于600MPa的鋼,最佳的保護(hù)電位區(qū)間為-0.770V～-0.850V。921A鋼是含有Si、Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素、屈服強(qiáng)度為600MPa等級(jí)的低碳高合金鋼,因具有良好的強(qiáng)韌性,是船體的重要結(jié)構(gòu)材料。但在海水環(huán)境中有關(guān)陰極極化電位對(duì)其氫脆敏感性具體的影響規(guī)律尚未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)及電化學(xué)測(cè)試研究了陰極極化電位下921A鋼在海水中的氫脆敏感性,為其在海洋環(huán)境下確定合理的陰極保護(hù)提供參考。2測(cè)試方法和過(guò)程實(shí)驗(yàn)材料921A鋼化學(xué)成分(mass%)為:0.073C,0.29Si,0.43Mn,0.010P,0.0044S,2.65Ni,1.02Cr,0.26Mo,0.058V。慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)采用棒狀拉伸試樣,試樣規(guī)格符合GB/T15970-2000標(biāo)準(zhǔn),工作段尺寸為Φ5×30mm,表面光潔度R=0.8。試樣依次用400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙打磨至平滑,無(wú)水乙醇、丙酮擦洗并烘干,留取1.5cm2工作面積,其余用704硅膠密封。慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)實(shí)驗(yàn)在GYF-30型低應(yīng)變速率腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成。電解質(zhì)為青島海域天然海水,拉伸速率為0.005mm/min(2.7×10-6S-1)。負(fù)荷-位移曲線由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和記錄。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,利用M366A雙恒電位儀控制極化電位,用273電化學(xué)工作站測(cè)量試樣在彈性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形和斷裂各階段下的極化電流和電化學(xué)阻抗譜。極化電流的測(cè)量時(shí)間為1h。電化學(xué)阻抗譜的測(cè)量頻率范圍為100kHZ～10mHZ,阻抗測(cè)量信號(hào)幅值為10mV的正弦波。測(cè)試采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑鈮電極。本文所有電位均相對(duì)于SCE。用HIROX三維視頻顯微鏡KH-3000V觀察斷口宏觀形貌,用XL-30環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌。3結(jié)果與討論3.1材料的力學(xué)性能由不同陰極極化電位下921A鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1)可以看出,隨著陰極極化電位變負(fù),材料的應(yīng)變逐漸降低,表明材料的脆性增加。在-0.710V電位下,921A鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與在甘油中的較接近。在-0.960V電位下的強(qiáng)度較其他電位的高。在-1.010V～-1.210V范圍內(nèi),材料的應(yīng)變較相近。不同極化電位下延伸率、斷裂時(shí)間和斷裂能比率(在海水中的延伸率和斷裂能與在甘油中的相應(yīng)指標(biāo)的比值)的變化曲線(圖2)呈現(xiàn),從腐蝕電位Ecorr(-0.650V～-0.670V)開(kāi)始,極化電位變負(fù),材料的韌性指標(biāo)參數(shù)逐漸降低。在-0.710V電位下各韌性指標(biāo)均為最大值。當(dāng)極化電位負(fù)于-0.960V之后,斷裂能比率已低于80%。據(jù)國(guó)外沿用的標(biāo)準(zhǔn)可判斷其斷裂形式已經(jīng)不屬于韌性斷裂。利用工程上常用的氫脆系數(shù)FH評(píng)價(jià)921A鋼的氫脆敏感性。其中式中FH為氫脆系數(shù),即斷面收縮率損失的百分?jǐn)?shù);ψ0為甘油實(shí)驗(yàn)樣品,即材料在惰性介質(zhì)中的斷面收縮率;ψ為試樣在腐蝕環(huán)境中的斷面收縮率。將FH>35%視為斷裂區(qū),即材料在該環(huán)境下肯定會(huì)發(fā)生氫脆破壞。將25%≤FH≤35%視為危險(xiǎn)區(qū),即材料在該環(huán)境下有發(fā)生氫脆破壞的潛在危險(xiǎn)。將FH≤25%視為安全區(qū),即材料在該環(huán)境下肯定不會(huì)發(fā)生氫脆破壞。從不同極化電位下氫脆系數(shù)FH隨極化電位的變化曲線(圖3)可看出,隨極化電位變負(fù),氫脆系數(shù)增大。當(dāng)電位處于Ecorr(-0.650V～-.670V)至-0.960V的電位區(qū)間內(nèi),氫脆系數(shù)在5%左右波動(dòng),材料處于安全區(qū)。當(dāng)電位接近-0.960V時(shí),氫脆系數(shù)突然增加至約20%。在-1.010V～-1.210V范圍內(nèi)氫脆系數(shù)已高于25%,材料進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。3.2極化電流與應(yīng)力的關(guān)系恒極化電位下極化電流隨應(yīng)力變化曲線(圖4)表明隨極化電位變負(fù),極化電流數(shù)值增大;但在不同極化電位下,極化電流隨應(yīng)力變化的規(guī)律不同。隨不同變形階段應(yīng)力的變化,在-0.710V電位下(圖4a)極化電流數(shù)值先減小后趨于穩(wěn)定;在-0.960V電位下(圖4b)極化電流值較穩(wěn)定。在電位<-0.960V的范圍內(nèi)(圖4c,4d)極化電流數(shù)值先增大后穩(wěn)定。3.3各變形工況下的rp分析由921A鋼在彈性變形、均勻塑性變形、不均勻塑性變形和斷裂階段的電化學(xué)阻抗譜的Nyquist曲線(圖5)可看出,不同的陰極極化電位下,阻抗圖譜均由單一的容抗弧組成。在不同極化電位和不同變形階段,阻抗譜圖的變化規(guī)律不同。利用Rs(QRp)等效電路進(jìn)行擬合。其中,Rs為溶液電阻,Rp為極化電阻。由擬合結(jié)果(圖6)知,Rp值在-0.710V電位下最大,當(dāng)進(jìn)入不均勻集中變形階段后(圖中階段Ⅲ、Ⅳ)其值迅速減小。在-0.960Ⅴ電位下,Rp在各變形階段的數(shù)值波動(dòng)不大。電位負(fù)于-1.010V,Rp值極小,且在-1.110Ⅴ和-1.210Ⅴ電位下幾乎無(wú)變化。由電化學(xué)分析結(jié)果知,在-0.710V電位下,材料發(fā)生集中塑性變形后,電極反應(yīng)的阻力降低且極化電流減小,說(shuō)明隨裂紋的萌生、擴(kuò)展,材料的腐蝕速率增加但韌性并沒(méi)有降低,在此電位下的應(yīng)力腐蝕主要以陽(yáng)極溶解為主;在-0.960V電位下,極化電流和極化電阻與材料不同階段應(yīng)力變化無(wú)關(guān),說(shuō)明在此極化電位下陰極反應(yīng)是主要控制因素。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的Had沿變形中產(chǎn)生的裂紋進(jìn)入材料內(nèi)部,并與位錯(cuò)和滑移系交互作用,使材料強(qiáng)度增加但韌性有所降低。電位負(fù)于-1.010V下,在材料不同階段變形過(guò)程中,電極反應(yīng)的阻力幾乎不變但極化電流增大。在材料變形的過(guò)程中裂紋的萌生、擴(kuò)展改變著微區(qū)中陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的分布,在微小的裂紋的尖端形成較多的小陽(yáng)極區(qū)并使陰極反應(yīng)加劇,產(chǎn)生大量H2在應(yīng)力集中處富集,使材料氫脆斷裂的傾向增大。3.4-1.2斷口電鏡觀察不同陰極極化電位下拉伸實(shí)驗(yàn)斷口形貌照片(圖7)顯示,在三維視頻顯微鏡下隨陰極極化電位變負(fù),921A鋼頸縮現(xiàn)象逐漸減小并趨于消失,在-1.110V電位下(圖7c),斷口有明顯45°傾斜角。在掃描電鏡下觀察,極化電位為-0.710V時(shí)(圖7d)斷口為均勻的韌窩組織。極化電位為-0.960V時(shí),大部分?jǐn)嗫谌詾轫g窩組織,但在放射區(qū)邊緣出現(xiàn)了準(zhǔn)解理斷裂特征形貌(圖7e),約占6%。在-1.110V電位下,斷口的纖維區(qū)仍為韌窩組織,其余近45%區(qū)域呈脆性斷裂的特征形貌(圖7f)。4電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1)從慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果知,隨陰極極化電位變負(fù),921A鋼韌性降低,脆性增加。當(dāng)極化電位為-0.960V時(shí)氫脆系數(shù)顯著增加約至20%。在負(fù)于-1.010V～-1.210V范圍內(nèi)氫脆系數(shù)高于25%,材料進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。(2)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,