AF1410高强度钢大气腐蚀试验研究

张兴华，骆晨，刘明，孙志华，陆峰，汤智慧

（中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，北京 100095）

超高强度钢是指屈服强度大于700MPa，抗拉强度大于1200MPa的钢材。研究表明，美国20世纪80年代研制的AF1410高强钢不仅具有高强度、高韧性等优异的力学性能，同时还具有良好的焊接性能且价格低，被广泛用于高性能航空结构材料领域[1]，用于制造长寿命高强度结构件、轴类零件、紧固件、起落架。该材料对腐蚀环境相当敏感，它的腐蚀性能和规律直接关系到飞机的日历寿命[2]，因此有必要重视其在实际大气环境中的腐蚀特点和腐蚀规律。

1 试验

1.1 试验材料与试样规格

试样采用AF1410高强度钢，其化学组成见表1，规格为100mm×50mm×4.5mm。

表1 AF1410钢的化学成分及其质量分数Table1 Chemicalcomposition ofAF1410 alloy %

1.2 自然大气环境暴露试验

1.2.1 试验环境特点

试验选在北京大气环境实验站进行。北京大气环境试验站气温适中，日照辐射强度偏弱，具有典型暖温带亚湿润内陆性气候特征[3]。

1.2.2 试验条件和试验周期

试验方法参见GB/T 14165—2008[4]的规定。试验的检测周期为1，2，3，5年。每次取试样4件，进行质量损失分析、形貌观测和成分测试。

1.3 试样检查与分析

1.3.1 断面分析

制备腐蚀产物层的断面试样，用Quanta600型环境扫描电子显微镜和牛津EI350型能谱仪观察，并进行元素分析。

1.3.2 外观检查与分析

外观检查包括目视检查和Quanta600型环境扫描电子显微镜观察试样表面，以及高像素单反相机拍摄试样的腐蚀宏观形貌。

1.3.3 质量损失分析

按照HB 5257—83[5]规定的方法进行。

1.3.4 电化学阻抗分析

电化学阻抗谱用PAR Potentiostat/Galvanostat M273A恒电位仪进行测量，后用ZSimpWin对电化学阻抗谱进行拟合分析[6]。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀样品断面分析

图1展示了AF1410高强度钢在北京大气暴露1，2，3，5年后的锈层断面形貌。由图1可知，在北京大气暴露1年后，锈层较薄，且疏松多孔；2年后，锈层变厚，内部出现裂纹；3年后，锈层变为很薄的较致密层；5年后，锈层开裂明显加重。锈层断面形貌的变化反映出锈层开始生长，内部有孔洞，后来随锈层厚度增加，受内应力和各种环境因素影响，最终导致外部锈层开裂、脱落。

表2显示了AF1410高强度钢暴露5年后锈层断面的元素组成。由表2可知，高强度钢的锈层基本上由Fe和O元素组成，说明腐蚀产物主要为铁的氧化物，相关数据说明锈层内部含氧量略低。由于长期暴露，锈层表面无法清除的积灰是造成含C的原因之一，也是造成含氧量增加的原因之一。

表2 暴露5年的锈层（EDX）元素成分及含量Table 2 Chemical composition of rust（EDX）after 5-year exposure %

2.2 腐蚀宏观形貌分析

对在北京大气环境中的AF1410高强度钢样品进行外观检查，腐蚀形貌照片如图2所示。由图2可知，AF1410高强度钢在腐蚀初期，锈层疏松，表面颜色较深；随暴露时间延长，锈层疏松层面积变小，颜色变灰；暴露至3年，锈层又变平整；暴露至5年，锈层颜色变深，表面粗糙度加大。一般认为，Fe2O3为黄褐色，Fe的羟基化合物和Fe3O4为黑褐色[7]。据此判断，AF1410高强度钢腐蚀产物初期内部以Fe3O4和β-FeOOH为主，结合层较致密，在阳光暴晒下逐渐变为Fe2O3和α-FeOOH，变得疏松[7]。结合图1说明，锈层在达到一定厚度以后表面疏松层很容易产生脱落现象。

图2 AF1410高强度钢在北京大气暴露后的外观Fig.2 Corrosion appearance of AF1410 high-strength steelafter atmospheric exposure in Beijing

结合电镜形貌图（图3）可看出，腐蚀1年的试样锈层表面开始有裂纹，随着腐蚀时间增加，裂纹逐步增多，表面在腐蚀3年时变平整，5年后试样表面裂纹扩大，腐蚀程度严重。

图3 AF1410高强度钢在北京大气暴露后的表面形貌（SEM）Fig.3 SEM image of surfacemorphology of AF1410 high-strength steelafteratmospheric exposure

2.3 腐蚀质量损失随时间的变化规律

图4是AF1410高强度钢在北京的大气腐蚀质量损失数据曲线。对1，2，3，5年4个采样点的单位面积腐蚀质量损失进行计算，从质量损失数据图的变化趋势看，AF1410高强度钢腐蚀质量损失持续增加，AF1410高强度钢表面连续腐蚀。根据数据变化趋势看出，AF1410高强度钢在北京的大气环境中，第1年腐蚀质量损失为84.8702 g/m2，第1年到第2年腐蚀质量损失为41.801 g/m2，第2年到第3年腐蚀质量损失为34.901 g/m2，第3年到第5年平均年腐蚀质量损失为43.8014 g/m2。

图4 单位面积质量损失-时间函数关系曲线Fig.4 relationship betweenweight lossand exposure time

腐蚀初期，由于锈层逐渐变厚、变致密，对钢基体的保护作用逐渐增强，造成腐蚀速率降低。在腐蚀2年到3年之间达到最慢。结合断面分析得知，随着腐蚀产物厚度增加，内应力变化、温度变化、雨水冲刷等因素导致锈层开裂，直至脱落，锈层的保护作用减弱，使得腐蚀速率在腐蚀3年时开始增加。3年后，腐蚀产物继续增加，锈层又开始形成保护层。

2.4 电化学交流阻抗分析

AF1410高强度钢模拟电路如图5a所示。图中W1为Warburg阻抗；Rr为锈层电阻；Rs为溶液电阻；CPE1和CPE2为常相位角元件。暴露1，2，3，5年的样品锈层较为疏松，存在弥散效应，因此选用常相位角元件。

由图5b高频段得知，暴露1，2，3，5年的样品展现出的是压缩变形的容抗弧；由低频段可知，锈层样品在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的电极反应受扩散过程控制。通过图5b和5c以及表3带锈试样交流阻抗拟合后的数据结果中的Rr值的大小可以看出，锈层电阻在3年时达到最小值，因为此时锈层最薄；由Rc可以看到电极阻力也是在3年时最小，锈层最薄，耐蚀性能最差。

图5 AF1410高强度钢在北京大气暴露后锈层的电化学阻抗谱Fig.5 EIS of AF1410 high-strength steel rust after exposure in Beijingatmosphere

表3 暴露不同时间的AF1410高强度钢拟合数据Table 3 Data ofAF1410 samplesafter1,2,3 and 5 yearsofexposure

3 结论

1）腐蚀初期，AF1410高强度钢在北京大气中的腐蚀速率随着锈层厚度增加逐渐减小；在2年到3年间，由于锈层的脱落，导致腐蚀速率增加；3年后，腐蚀速率随锈层厚度增加而逐渐减小。

2）在北京大气暴露2年后，AF1410高强度钢样品锈层厚度较大，且锈层底层较致密，因此锈层阻抗最大，对基体保护效果最为明显；暴露3年后，AF1410高强度钢样品锈层虽然较致密，但是由于其厚度较薄，锈层阻抗最低，因此最容易腐蚀。

3）AF1410高强度钢在北京大气环境中，锈层开始生长得较为致密；2年后随着锈层厚度增加，锈层内应力也增加，加上雨水冲刷、温度变化等因素，导致锈层开裂、脱落；随后锈层又开始继续生长加厚，锈层阻抗则随着锈层厚度的变化而变化，腐蚀速率呈现反复升降的过程。

[1]郝雪龙，刘建华，李松海.中性盐雾预腐蚀对AF1410高强度钢疲劳寿命的影响[J].航空材料学报，2010，30（1）：67—71. HAO Xue-long，LIU Jian-hua，LI Song-hai.Effect of Neutral Salt Spray Precorrosion on Fatigue Life of AF1410 Steel[J].Journal of Aeronautical Materials，2010，30（1）：67—71.

[2] WEIR P.Corrosion and Corrosion Fatigue of Airframe Materials[R].2000.

[3]刘明，汤智慧，蔡健平.30CrMnSiA高强度钢在北京地区的大气腐蚀研究[J].装备环境工程，2010，7（4）：17—21. LIU Ming，TANG Zhi-hui，CAI Jian-ping.Study on Atmospheric Corrosion of 30CrMnSiA High Strength Steel in Beijing Area[J].Equipment Environmental Engineering，2010，7（4）：17—21.

[4]GB/T 14165—2008，金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求[S]. GB/T 14165—2008，The General Requirements of Outfield for Atmospheric Corrosion Testing ofMetals And Alloys[S].

[5]HB 5257—83，腐蚀试验结果的重量损失测定和腐蚀产物的清除[S]. HB 5257—83，TheWeight Lossof Corrosion TestMeasured and Corrosion Products Removed[S].

[6] 曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社，2008. CAO Chu-nan.Principles of Electrochemistry of Corrosion [M].Beijing：Chemical Industry Press，2008.

[7]张全成，吴建生，郑文龙.耐候钢表面稳定锈层形成机理的研究[J].腐蚀科学与防护技术，2001，13（3）：143—146. ZHANG Quan-cheng，WU Jian-sheng，ZHENGWen-long. Formation Mechanism of Protective Rust on Weathering Steel[J].Corrosion Science and Protection Technology，2001，13（3）：143—146.