国内钢的显微组织耐蚀性研究概述

焦海东，刘丽霞，彭 军，郑丽丽，吴世杰

（1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古自治区先进陶瓷材料与器件重点实验室，内蒙古包头 014010）

根据交通运输部消息，截至2017 年底，全国铁路营业里程达12.7 万公里，是1978 年的2.5倍，特别是高速铁路里程达2.5 万公里，占世界高速铁路里程的三分之二。而作为高速铁路的重要组成部分的钢轨，越来越受到国内外的重视。由于我国铁道行业钢铁使用量最大，钢轨的腐蚀问题一直是铁路发展过程中一个不容忽视的问题[1]。因钢轨长时间暴露在大气中，易受到各种严酷环境的腐蚀而大量损耗，严重影响到高速铁路运行的安全性、可靠性和经济性。所以，解决钢轨耐蚀性是至关重要的。随着我国铁路运输事业的发展，牵引重量、行车速度、运输密度和年通过总重的提高，大大增加了钢轨的负荷，加大了钢轨的伤损[2]。目前，世界各国对钢性能的研究主要集中在高强度、高耐磨性上，但对钢显微组织耐腐蚀性能研究却鲜有报道。

1 各种工艺对显微组织的研究

不同的工艺得到不同的显微组织，而显微组织直接决定钢的初期腐蚀行为并间接影响长期腐蚀行为[3,4]。公开资料显示，相关研究学者试图通过改变耐候钢的显微组织以提高耐腐蚀性能，改变组织形态对耐候钢的耐腐蚀性能有改善作用[5]。组织成分对重轨钢性能起着决定性作用，影响重轨钢组织结构的因素有很多,如温度、合金化元素、冷却条件、加工条件等[6]。在耐腐蚀性能方面，也有文献证明珠光体片层间距的细化可以提高钢材的耐腐蚀性能[7-9]。因此，采用各种方式去细化珠光体片层结构，也是至关重要的。

1.1 热处理的影响

王晓丽等[6]对U75V 重轨钢轧材经14 道次粗轧、中轧和6 道次精轧，然后用扫描电镜观察重轨钢组织各道次珠光体片层间距。从而得出，重轨钢的轧制变形量越大,珠光体组织的片层间距值越小，轧制道次越多，组织材料的强度和硬度越高，重轨钢的韧塑性、耐磨性、耐蚀性和抗接触疲劳能力都较好。

周丽等[10]通过对自炼含Cr 重轨钢分别进行锻造和轧制工艺获得1 号和2 号实验钢，然后采用光学显微镜、扫描电镜、XRD、周期浸润试验箱腐蚀、电化学等方法研究了重轨钢在模拟工业大气环境下的腐蚀速率大小：1 号锻造工艺实验钢＞2 号轧制工艺实验钢。因此，经轧制处理的含Cr 重轨钢的耐腐蚀性优于经锻造处理的含Cr 重轨钢；实验钢经轧制工艺处理后可促进保护性锈层的增加，提高了锈层阻止侵蚀性介质穿透的能力。

安小凡等[11]采用Fluent 软件进行了有限元模拟，对BNbRE 重轨钢经100m/s 和200m/s 的风速冷却后，得到的显微组织都为索氏体，但随冷却风速的增大，片层间距变得更为细小，细化珠光体片层结构，改善了重轨钢的性能。

1.2 稀土元素的影响

荆鑫等[12]对重轨钢添加了0.03%的La-Ce 元素，用扫描电镜观察夹杂物的形状由长条状变为圆形，且夹杂物尺寸明显减小，重轨钢珠光体片层间距也明显减小，从而微观组织得到细化，提高了重轨钢的性能。李春龙等[13]采用实验测定、金相观察和理论分析等方法研究了在本实验条件下，稀土加入量为0.01%时，洁净BNbRE 重轨钢的性能得到显著改善，且微量的稀土起到实现净化钢液、变质夹杂物和微合金化作用,而且作用效果非常稳定。定巍等[14]采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜以及相变仪等研究了对U71Mn 重轨钢添加稀土La 可使各相变点有一定程度的下降，且细化和均匀化奥氏体晶粒，珠光体片层间距减小，显微组织马氏体板条细化。

包喜荣等[15]对含有稀土元素的重轨钢BNbRE和U71Mn 采用了热模拟试验机和扫描电镜方法研究了不同的终轧温度和稀土元素对重轨钢动态再结晶的影响。研究表明，奥氏体的动态再结晶明显受到稀土元素的抑制，并且珠光体片层间距得到细化。稀土元素可抑制重轨钢动态再结晶，并在较高终轧温度下也可使显微组织细小化和均匀化。

1.3 合金化元素的影响

包喜荣等[16]对含有微合金元素V、Nb 和Re的重轨钢BNbRE、U75V 和U71Mn 采用了热模拟试验机和扫描电镜方法研究了不同的终轧温度和微合金元素V、Nb 和Re 对重轨钢动态再结晶的影响。研究结果显示，通过观察显微组织，VC 在晶界析出,阻止了奥氏体晶粒再结晶长大,从而细化了珠光体片层间距；RE 对晶界的固溶拖曳作用起到细化珠光体组织的作用，而Nb 则具有更强的细化晶粒作用。

王韶华等[17]利用Thermocalc 热力学软件、相显微镜和扫描电镜等方法，研究了Cr 合金元素对重轨钢组织性能影响。结果表明，当添加的Cr 合金化元素含量为0.45%时，重轨试验钢的强度和硬度均达到最大值，且珠光体片层间距达到最小，晶粒度等级得到提高，晶粒尺寸变得细小。添加0.45%的Cr 元素更有利于α-FeOOH 的快速形成和含量的增加，且基体表面形成的Cr 氧化物在一定程度上提高了实验重轨钢的耐腐蚀性能，同时也增加了锈层阻止侵蚀性介质穿透的能力[18]。

许家彦等[19]采用变形诱导铁素体相变控制技术和未再结晶控轧技术对传统345MPa 级Cu-P-Cr-Ni 系列09CuPCrNi 钢进行Nb 微合金化，可使钢带晶粒尺寸超细化，强度和屈服强度得到显著提高，同时钢带也具有良好的塑性、韧性、冷弯性能、耐大气腐蚀性能和焊接性能。

刘承军等[20]对采用真空感应炉模拟、金相显微分析、扫描电镜测定等方法研究了碳对Mn、Nb、RE 等元素的稀土重轨钢的影响，从研究结果得出，稀土重轨钢的奥氏体晶粒尺寸、珠光体片层间距、屈服强度和抗拉强度随着碳含量的增加而逐渐增大，但是冲击韧性则随着碳含量的增加逐渐减小。

2 各种工艺及钢的耐蚀性的研究

2.1 热处理的耐蚀性

吴红艳等[21]对09CuPTi 系耐候钢采用两阶段轧制生产出精轧终轧温度、终冷温度及冷却速度不同的3 种实验钢，且显微组织均为针状铁素体+板条贝氏体。研究表明，在终冷温度为530℃，冷却速度为25℃/s 时，具有良好的屈服强度、抗拉强度和强韧性，且在模拟工业大气环境下锈层明显呈现出内外两层，外锈层疏松，内锈层致密，具有保护基体的作用，与Q345 钢相比具有良好的耐腐蚀性。

董月芬等[22]采用XRD、SEM、TEM等方法分析30Cr13 管线钢在300℃、500℃和650℃回火温度下耐腐蚀性能的研究。结果显示，在300℃和500℃回火管线钢显微组织均为回火马氏体，650℃显微组织为块状的铁素体，由于500℃回火管线钢出现了“失钝”的现象，使其耐腐蚀性明显低于300℃和650℃的回火管线钢，且650℃的回火管线钢淬火温度的提高对耐蚀性无明显改善。

郝雪卉等[23]对AH32 耐蚀钢采用周期浸泡、扫描电镜、电子探针等方法研究了在轧制面和横截面试样显微组织的耐腐蚀性能。研究结果表明，轧制面珠光体所占面积分数小，且表面有均匀腐蚀和因夹杂物溶解所形成的腐蚀坑；横截面珠光体所占面积分数大，且沿条带状珠光体组织腐蚀；后者比前者的腐蚀速度快，随周期浸泡时间的延长两者的腐蚀速度均加快。

郭明晓等[24]对Q235 碳钢采用X 射线衍射、扫描电镜及电化学测试等方法在模拟海洋工业大气环境中探究了不同比例SO2和Cl-的协同效应对碳钢初期耐腐蚀性能的影响。研究结果表明Q235碳钢在腐蚀初期呈现出先加速后减速的腐蚀过程；腐蚀24h 后，表面锈层呈现出内层致密外层疏松的两层结构。SO2促使碳钢腐蚀形态更均匀化，SO2和Cl-的协同效应会加速碳钢的腐蚀，但二者不同比例对碳钢腐蚀的失重无明显影响，对腐蚀产物成分也无改变。

2.2 材料的耐蚀性

郭佳等[25]对贝氏体钢、铁素体钢和传统耐候钢09CuPCrNi 三种低合金钢采用光学金相技术模拟沿海大气环境中的初期腐蚀行为进行了分析研究。贝氏体钢具由良好的强韧性和耐腐蚀性能，铁素体+珠光体传统耐候钢09CuPCrNi 也有较好的长期耐腐蚀性能，原因可能是由于珠光体中的渗碳体片对锈层与基体起铆接作用[25,26]。

夏昕鸣等[27]采用中性盐雾试验方法通过室内模拟南海大气环境分别对Q235B、Q355 和Q500qE 三种试样进行耐腐蚀性能研究。结果显示，Q235B表面最先被完全腐蚀，Q355 和Q500qE 的表面膜初期具有延缓腐蚀作用，Q500qE 极化阻抗最大，表面腐蚀最为平整，三种试验钢耐腐蚀性能依次为：Q500qE＞Q355＞Q235B。腐蚀首先在试样表面划痕或缺陷等处局部发生并迅速扩展，表层锈蚀产物结构相对疏松，对基体保护作用有限[27]。

陈小平等[28]对耐候钢和碳钢的锈层组织的研究表明，腐蚀初期耐候钢以α-FeOOH 成分为主的锈层组织，因锈层α-FeOOH 晶体枝晶纤细致密，具有钝化作用，对基体具有很好保护作用；碳钢以Fe2O3成分为主的锈层组织，因锈层Fe2O3枝晶粗大疏松多孔,不具保护作用。

刘建容等[29]对武钢生产的WNQ570 热轧板钢在武钢工业大气下暴露8 年与09CPrNi 钢和Q345 钢作对比进行研究耐腐蚀性能。结果表明，8 年的试验，WNQ570 钢和09CPrNi 钢的腐蚀率是Q345 钢的69%和60%，WNQ570 钢与09CPrNi钢的腐蚀接近，且优于Q345 钢。

邸全康等[30]对Cu-P-Cr 钢和Cu-P-Cr-Ni 钢与Q235 钢做对比，进行了组织及耐蚀性的研究。结果表明，耐蚀性优劣顺序依次为：Cu-P-Cr-Ni钢＞Cu-P-Cr 钢＞Q235 钢，在腐蚀初期，Cu-P-Cr钢耐蚀性略低于Cu-P-Cr-Ni 钢，当产生一定锈层后，Cu-P-Cr 钢耐蚀性反而略高于Cu-P-Cr-Ni钢[29]。

魏新帝等[31]通过采用周期浸润、中性盐雾实验扫描电镜和X 射线衍射技术等方法对23Co14Ni12Cr3Mo 和 40CrNi2Si2MoVA 两种超高强钢的耐腐蚀性能进行了研究。研究显示，两种钢在干湿交替环境中耐腐蚀性最差，23Co14Ni12Cr3Mo钢比40CrNi2Si2MoVA钢的耐腐蚀性更好；腐蚀产物的锈层主要由外层疏松的γ-FeOOH 和内层较为致密、附着力较强的α-FeOOH 组成。

3 各种合金化及组织的耐腐蚀研究

3.1 合金化的耐蚀性

吴立竹[32]研究了Cr 元素对套管钢腐蚀行为的影响。研究结果表明，随着Cr 元素含量的增加，实验钢晶粒出现明显细化，抗拉强度和屈服强度均增大，冲击功和伸长率出现先增加再降低的趋势，表面锈层更加致密，微孔的数量减少，分层现象更加清晰明显。因此，腐蚀速率下降，耐腐蚀性能提高。

王越等[33]研究了两种热轧态Q500H 和Q700H高强度耐候钢，采用了周期浸泡实验、SEM、XRD、电化学测试等方法对其显微组织和耐蚀性能做了分析。从而得出，实验钢显微组织均由珠光体和多边形铁素体组成，增加Cr、Ni 元素细化了金相组织的同时还使珠光体片层间距减小，同时Cr、Ni的增加促进生成了致密的稳定α-FeOOH 和Fe3O4，使得钢体表面锈层越来越致密，有效的减少了基体被腐蚀的可能性。而Q700H 相比Q500H腐蚀速率慢，耐腐蚀性更优。

王晓丽等[34]采用扫描电镜、周期浸润腐蚀和电化学等方法研究得出了在模拟工业大气环境下，RE 重轨钢的RE 合金元素促进了致密的稳定α-FeOOH 的快速生成及含量增加，使得耐腐蚀性优于不含RE 的重轨钢，且提高了RE 重轨钢表面锈层抗腐蚀介质穿透的能力，改善了重轨钢的耐腐蚀性。

案紫瑞等[35]设计研究出新型Ci、N、Mo、Cu、Si多元合金化的铸造不锈钢,经热处理后得到单相奥氏体显微组织，具有较小的晶间腐蚀倾向、良好的抗点蚀性能和抗高温浓硫酸腐蚀性能。

吴红艳等[36]利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）、周期浸润腐蚀和电化学等方法研究了高强度耐候钢组织和耐腐蚀性。结果表明，耐候钢的显微组织主要是准多边形铁素体+粒状贝氏体，随Cu 元素含量的增加，锈层致密度增加，锈层与钢基体的结合力增强，有效的阻止了腐蚀介质与基体接触腐蚀，从而提高耐腐蚀性能。

邵长静[37]通过优化合金设计，添加P、Cu 等合金元素提高耐蚀性，设计出两种不同成分的低碳贝氏体钢1#钢和2#钢，其显微组织均为细小的粒状贝氏体，与细小的铁素体+珠光体组织09CuPCrNi 钢和粗大的铁素体+珠光体组织Q345 钢做对比，耐腐蚀性能为：2# 钢＞09CuPCrNi 钢＞1#钢＞Q345 钢，因此，Cu、P 和Ni 元素使得基体呈均匀腐蚀，且锈层均匀增厚，有效的提高了耐蚀性能。

张贺佳等[38]通过添加Cu、C 元素及热轧空冷工艺，研究了Cu、C 元素对Cr9Mo1 钢耐腐蚀性能及力学性能的影响。结果显示，添加Cu 元素对两种含C 量的Cr9Mo1 钢力学性能无明显影响；C 的含量主要影响Cr9Mo1 钢的力学性能，而对耐腐蚀性能无明显影响。同时添加0.2%(质量分数)Cu 元素，C 含量较低的Cr9Mo1 钢强度及塑性均略有提高，而C 含量较高的Cr9Mo1 钢强度略有提高，但塑性略下降。

目前耐蚀钢的研制主要是通过加入合金元素，得到有利的组织和形成良好的保护膜,以此来提高材料的耐蚀性能[23,39-41]。

3.2 组织的耐蚀性

董杰等[42]采用控扎控冷工艺分别获得贝氏体和铁素体+珠光体显微组织，进行模拟海水腐蚀实验，并利用SEM、XRD 和电化学测试方法研究CuPCr 型耐海水腐蚀钢显微组织及耐腐蚀性能。结果表明：贝氏体组织能够在较短的时间内形成比较致密稳定的锈层,其耐腐蚀性能明显优于腐蚀产物疏松的铁素体和珠光体组织。

王燕荣等[43]采用控扎控冷工艺研究了不同Cr含量对管桩钢显微组织及性能的影响。结果表明，添加0.5%Cr、1.0%Cr 和1.5%Cr 管桩钢的金相组织分别为多边形铁素体+少量珠光体，不规则铁素体+少量粒状贝氏体和铁素体+贝氏体+少量M-A 岛；随着Cr 含量的增加，管桩钢的屈强强度、抗拉强度、屈强比、耐点腐蚀性能逐渐增加，而断后伸长率逐渐降低，1.5%Cr 管桩钢具有最佳的耐腐蚀性。

邵军[44]采用模拟腐蚀试验方法，在酸性氯离子环境下分别对低合金高强度船板钢的马氏体，贝氏体＋铁素珠，珠光体＋铁素体组织进行了耐蚀性研究。研究结果显示，因马氏体组织单一、碳化物析出少、腐蚀产物对基体具有保护作用；复相珠光体组织，有较高电位的渗碳体,与铁素体组织存在的相间电位差促进了铁素体的腐蚀,其表面锈层完整性与保护作用较差，腐蚀速率最大。贝氏体＋铁素体钢的显微组织单一性上较差,但富碳相较少且分布均匀,其耐腐蚀性介于马氏体钢和铁素体＋珠光体钢之间。

晁月林等[5]通过运用两种实验钢（如表1 所示），对实验钢1 进行控轧控冷后空冷工艺获得组织为贝氏体+马氏体+块状的铁素体的1 号样，如图1a 和b 所示；对实验钢1 进行控轧控冷后再次热处理后经950℃淬火工艺获得淬火马氏体组织的2 号样，如图1c 和d 所 示；对实验钢2 进行控轧控冷后热处理空冷工艺获得铁素体＋珠光体组织的3 号样，如图1e 和f 所示。采用光学显微镜、扫描电镜、XRD、干湿交替实验机、电化学测试等方法研究三个试样的相对腐蚀速率，和Q235 碳钢进行对比，从而得出腐蚀速率的大小为：1 号样的5Cr 钢＞2 号样的5Cr 钢＞3 号样的Q235 碳钢；马氏体使得5Cr 钢的自腐蚀电位Ecorr 高于复相组织。

表1 2 种实验用钢的化学成分（质量分数） ωB/%

4 结语

本文分别从各种钢种的分析方法、加工工艺、合金化元素和不同组织对钢的屈服强度、抗拉强度、屈强比、塑性、韧性和耐腐蚀性等方面的影响，侧重于耐腐蚀性的研究，归纳了以下几个结论：

（1）钢的两大研究路线就是热处理和合金化，进而改变金相组织，去研究不同显微组织表现出来的性能。

（2）热处理方法，比如通过轧制、增大冷却风速，使得晶粒尺寸减小，改变珠光体片层结构，细化了片层间距，进而改善了钢的性能，也提高了耐腐蚀性。

（3）合金化方法，比如添加微量的稀土元素、多元合金元素，促进了珠光体快速生成，细化了珠光体片层间距，晶粒尺寸减小，同时也促进了表面锈层稳定致密物的快速生成，很好的防止了基体被腐蚀，提高了耐腐蚀性，改善了钢的性能。

因此，根据国内外对钢显微组织的耐腐蚀性的研究成果而言，并没有相对比较成熟的工业化可生产的技术与钢种产品。在耐腐蚀方面，采用各种方式方法都没有实质性的突破。近十几年，我国的钢铁有了很大的突破，但在钢轨上的研发，有很大的困难，而没有太大的进展。本文进行了大量的文献调研，归纳总结了钢显微组织耐腐蚀方面的研究内容，希望能帮助到更多的学者研究出更具成熟的工业化钢种，对世界工业化的发展、科技的发展、人类社会的进步有着重要意义。

图1 钢种试样的金相/扫描组织形貌