阴极极化对高强钢焊接件应力腐蚀敏感性的影响

高海平，张慧霞，郭为民，侯健，周娟，宋泓清

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所 海洋腐蚀与防护重点实验室，山东青岛 266101）

高强度低合金钢具有优异的力学性能，目前在海洋工程装备、舰船结构及海滨建筑中得到了广泛应用，但是此类钢在海水和波浪冲击下极易发生腐蚀疲劳和应力腐蚀破裂［1-4］。为减缓高强钢在海水中的溃疡腐蚀、坑蚀等，通常对海洋工程、舰船等进行阴极保护。在阴极极化条件下，高强钢在海水中的应力腐蚀敏感性会因阴极析氢而增加［5-8］。此外，高强钢构件在使用过程中大多会进行焊接，焊接处的残余应力及高硬度也会增加其应力腐蚀敏感性。因此，研究高强度低合金钢焊接件在阴极极化条件下的应力腐蚀行为具有重要意义。

文中采用慢拉伸试验、电化学阻抗技术并结合扫描电镜和三维视频测试技术，考察了不同极化电位下高强钢焊接件在海水中的应力腐蚀敏感性，为高强钢在海洋环境中的应用提供重要的设计依据。

1 实验方法

1.1 实验材料及试样准备

实验材料选用高强钢板材，屈服强度大于710 MPa，板材厚度为25 cm。焊接前将板材加热到150℃进行预热，焊丝规格分别为φ3.2 mm和φ4 mm，对应的焊接电流分别为110 A和130 A。

自焊接板垂直于焊缝的方向取样，焊缝位于试样的中部，按照GB/T 228－2010设计试样尺寸。试样工作段尺寸为φ5 mm×30 mm。依次用400#，600#，800#，1000#，1200#砂纸将试样打磨平滑（表面粗糙度为0.8 μm），然后用无水乙醇、丙酮擦洗并用冷风吹干。试样工作面积为2 cm2，其它部分用704硅胶密封。试样形状及尺寸如图1所示。

图1 试样形状及尺寸Fig.1 The shape and size of the specimen

1.2 慢应变速率实验

采用美斯特工业系统有限公司生产的CMT5305系列电子万能试验机进行慢应变速率实验，拉伸速率为2.78×10-6s-1（0.005 mm/min）。试样通过腐蚀槽与电子万能试验机的2个夹具连接。各项拉伸参数，例如载荷、位移、时间等，均由连接试验机的微机系统自动采集。

试样断裂后，采用断面收缩率和断裂时间来判定不同极化电位条件下高强钢焊接件在海洋环境中应力腐蚀敏感性的大小。断面收缩率数值越小，说明应力腐蚀敏感性越大。

1.3 电化学测试

采用电化学工作站（ACM Field Machine Serial No.1527 made in England）进行电化学测试。采用三电极体系测量试样的交流阻抗，铂丝为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，工作电极为高强钢试样，工作面为3 cm2的圆柱面。交流阻抗测试参数：试验频率为100 kHz～100 mHz，扰动电压为10 mV，同时施加不同极化电位。

1.4 断口形貌观察

分别采用三维视频显微镜和扫描电子显微镜（FEI/Philips XL30）对试样断口的宏观和微观形貌进行观察。从宏观断口形貌可以观察到试样断裂处的颈缩情况，从微观断口形貌可以观察断口处试样的断裂方式，以区别试样是韧性断裂还是脆性断裂。

2 结果与讨论

2.1 海水中的应力腐蚀敏感性

高强钢焊接件试样在空气中和海水中的应力-应变曲线如图2所示，可以看出，高强钢焊接件在空气和海水中的应力-应变曲线几乎重合，应变量近似相等，分别为16.27%，16.43%。这表明在海水中自腐蚀状态下，高强钢焊接件没有明显的应力腐蚀敏感性。

图2 高强钢焊接件试样在海水和空气中的应力-应变曲线Fig.2 Stress-elongationcurvesofsteelspecimensinairandseawater

2.2 不同极化电位下的力学性能

图3 不同极化电位下高强钢焊接件应力-应变曲线Fig.3 Stress-elongation curves of steelspecimens with different polarization potential

不同阴极极化电位下高强钢焊接试样的应力-应变曲线如图3所示，可以看出，随着极化电位负移，高强钢焊接件的应变量呈现先增大后逐渐降低的趋势。在-0.8 V电位下，高强钢焊接件的应变量最大。与自腐蚀状态相比，施加-0.7～-0.9 V电位后，高强钢焊接试样应变量增大，表明在此电位区间材料得到了保护，没有应力腐蚀敏感性。在-1.0 V电位下，高强钢焊接试样的应变量为15.87%，开始低于自腐蚀状态下的数值。随着施加极化电位持续负移，应变量继续减小，在-1.2 V电位下，试样的应变量仅为14.08%。综上所述，在-1.1～-1.2 V电位下，试样的应变量明显减小，因此，在此极化电位区间内，高强钢焊接件具有明显的应力腐蚀敏感性。

高强钢焊接件试样的断裂时间和断面收缩率随阴极极化电位的变化曲线如图4所示，可以看出，随着极化电位负移，断裂时间和断面收缩率呈现出一致的变化趋势。与自腐蚀状态下的参数相比，断裂时间和断面收缩率在极化电位-0.8 V时取得最大值，然后逐渐减小。

图4 焊接件断裂时间和断面收缩率随阴极极化电位的变化曲线Fig.4 Fracture time and perecentage reduction of area of high-strength low-alloy steelspecimens with polarization potential

2.3 电化学阻抗

不同极化电位下，高强钢焊接件在拉伸过程中的电化学阻抗图谱如图5所示。阻抗图谱由2个半圆组成，高频率区代表的是锈层电阻及其电容，低频率区代表的是电荷转移电阻及其电容。可以看出，在相同拉伸时间下，施加不同极化电位的高强钢焊接件阻抗图谱有很大的差别。在Ecorr～-0.8 V电位区间内，随着电位的负移，阻抗半圆弧增大，阻抗值增大，表面腐蚀程度减小。在-0.9～-1.2 V电位区间内，随着电位的负移，阻抗半圆弧逐渐减小，说明腐蚀程度的增加。

图5 不同极化电位下高强钢焊接件在拉伸不同时间的电化学阻抗Fig.5 Electrochemical impedance Nyquist plots of high-strength low-alloy steelspecimens with different polarization potential

利用如图6所示的等效电路对高强钢焊接件拉伸试样的电化学阻抗进行拟合。其中R1是溶液电阻，CPE1是与锈层电阻R2对应的长相位角元件，CPE2是与电荷转移电阻R3对应的长相位角元件。通过阻抗数据拟合的结果，绘制出高强钢焊接件在海水中的腐蚀产物电阻和电荷转移电阻随极化电位的变化曲线，如图7所示。

图6 高强钢焊接件在海水中的等效电路Fig.6 Equivalent circuit model

从图7可以看出，锈层电阻与电荷转移电阻随极化电位的变化规律一致，都是随着电极电位的负移，先增加后减小，在-0.8 V左右取得最大值。在Ecorr～-0.8 V区间内，锈层电阻和电荷转移电阻逐渐增加，腐蚀速率较慢，表明在该极化电位下材料得到了良好的保护。在-0.9～-1.2 V区间内，锈层电阻和电荷转移电阻逐渐减小，表明在此电位区间内高强钢焊接试样的腐蚀加剧，焊接件应力腐蚀敏感性逐渐增大。

图7 高强钢焊接件在海水中锈层电阻和电荷转移电阻随极化电位的变化曲线Fig.7 The rusty scale resistance and the charge transfer resistance of the high-strength low-alloy steel specimens with different polarization potential

2.4 断口形貌观察

不同极化电位下高强钢焊接件慢拉伸实验断口三维视频形貌如图8所示，可以看出，随极化电位正移，颈缩现象逐渐明显。在空气和自腐蚀状态下，断口具有明显的颈缩现象，断口处呈现杯锥形状。在-0.7～-1.0 V电位区间内，材料断口仍存在颈缩现象。在-1.1 V电位下，断口的颈缩减弱，并出现撕裂痕。在-1.2 V电位下，断口颈缩已经不明显，出现脆性断口的宏观形貌，进一步证明了在-1.2 V电位下，高强钢焊件具有明显的应力腐蚀敏感性。

图9a和b分别是在空气和海水自腐蚀状态下断口的SEM形貌，可以看出，断口有明显的韧窝，可知在空气和海水自腐蚀电位下，材料发生韧性断裂。极化电位为-0.7～-1.0 V区间时，材料的断口处仍出现大量的韧窝，表明材料在慢拉伸实验中伴随有大量的塑性变形；电位为-1.1 V时，如图9g所示，断口出现小部分解理面；电位为-1.2 V时，如图9h所示，断口出现了较大面积的解理面，占总面积的20%左右，呈现了解理、沿晶断裂的脆性断裂特征。综上所述，在Ecorr～-0.9 V极化电位区间内，材料的断裂方式主要是韧性断裂；当电位达到-1.1 V时，材料有脆性断裂的倾向；当电位负于-1.2 V时，材料以脆性断裂为主。这是因为在该极化电位下，会出现过保护情况，发生析氢反应，氢会扩散到裂纹的前端，从而使裂纹前端的金属发生脆变。随着应力腐蚀的进行，氢会不断扩散到裂纹前端，从而加速裂纹的扩展，使材料在远低于其断裂应力的条件下断裂。

图8 不同极化电位下高强钢焊接件拉伸断口三维视频照片Fig.8 The fracture of high-strength low-alloy steelspecimens with different polarization potential

图9 不同极化电位下高强钢焊接件拉伸断口SEM照片Fig.9 The fracture surface of high-strength low-alloy steelspecimens withdifferentpolarizationpotential

过保护产生的氢使高强钢焊接件发生断裂，其主要原因是氢降低了原子键合力和表面能。由于键合力是原子间相互作用力曲线的最大值，表面能又是这个曲线下的面积，所以氢降低键合力的同时，也降低了表面能［9-10］。此外，氢的存在促进局部塑变，从而促进断裂。氢会使裂纹尖端发生位错，同时促使位错运动。当外应力较高时，位错源就会开动使微裂纹转化为空洞，从而导致韧断。如果外应力较低，裂纹会在无位错区域形成，这是因为低的外应力周围的位错源不能开动，就不会形成空洞，只会形成解理裂纹，最终导致材料发生氢致脆断。这种氢引起的韧性断裂和脆性断裂主要是由外加应力和氢量的大小决定的［11-15］。

3 结论

1）在自腐蚀电位下，高强钢焊接件在海水中没有明显的应力腐蚀敏感性。

2）在Ecorr～-0.9 V极化电位区间内，高强钢焊接件在海水中没有明显的应力腐蚀敏感性。

3）在-1.1～-1.2 V极化电位区间内，高强钢焊接件断口出现脆性断裂特征，力学性能下降明显，具有很强的应力腐蚀敏感性。

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