热处理对Q235 钢的腐蚀行为的影响

吴家福，朱韵汀，刘 祥，龙 威，朱永生，陈 凯

（贵阳学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550005）

Q235 钢是常见低碳结构钢［1］，大量应用于石油运输、交通保护、汽车车身、货物运输装载等场景，从沙漠、雨带到海洋等环境均可见Q235 钢服役身影。由于工农业生产中应用广泛，低碳钢的腐蚀性能研究一直是人们关注的重点，研究Q235钢的腐蚀性能，特别是如何提高Q235 的抗腐蚀性能，挖掘Q235 钢材料的使用潜力，具有实际意义。

由于Q235 钢的广泛的应用，很多学者对Q235 钢腐蚀性能开展了研究。聂向晖等［2］研究温度对Q235 钢在大港模拟溶液中腐蚀行为的影响，随着温度增加Q235 的腐蚀速率增大。田永武等［3］研究认为预变形加速Q235 钢在硫酸溶液中的阳极溶解和阴极析氢反应，加速效应与极化电位有关。王孝建等［4］基于实际应用场景，探究了 Q235 管道在循环水中的腐蚀机理。结果表明:当控制 Cl-浓度小于100 mg/L，pH 值不低于8.5，以及添加缓蚀剂（2 mg/L）可以有效控制 Q235的腐蚀速率。汪敏慧等［5］研究了NaCl 含量和浸泡时间对Q235 钢腐蚀行为的影响。苏璐璐［6］对比研究了Q235 钢和不锈钢海水腐蚀机理研究。张欧等［7］对Q235、Q345 和BC550 钢在 3.5%NaCl溶液和 3.5%NaCl＋0.2 mol／L H2SO4混合液中进行了电化学腐蚀试验，结果表明：3 种钢中耐蚀性能最佳的是 BC550 钢。热处理工艺是改变微观组织和材料性能的重要手段，赖莉等［8］热处理对SLM 18Ni300 马氏体时效钢组织及腐蚀性能的影响，发现热处理工艺影响对腐蚀性能影响明显。杨冉等［9］研究了固溶和时效处理对Cu-6.9Ni-2.97Al-0.99Fe-1.06Mn 合金组织和腐蚀性能的影响。虽然学者们开展了热处理对其他金属的腐蚀性能的影响［10］，但时效处理对Q235 腐蚀性能影响的研究鲜有报道。

1 材料与实验方法

采用接收态Q235 钢为实验对象，其化学成分如表1 所示。将实验用Q235 钢切割成10 mm×10 mm×1 mm 方块，置于热处理炉中加热850℃再分别冷却至500℃、600℃、700℃、800℃，保温30 分钟后取出立即放入水中备用，坯料及上述各温度处理后的小样将用来制成电化学实验电极和腐蚀浸泡试样。

表1 Q235 碳钢的化学成分（质量分数，%）

腐蚀浸泡试样使用金相砂纸（320#-600#-1000#）打磨后用氧化铝悬浮液抛光，用无水乙醇和丙酮清洗试样并吹干，用精度为0.1mg 天平称重记录待用。参照GB10124-88《金属材料均匀腐蚀全浸实验方法》，将钢片平行悬挂浸没于质量分数3.5%NaCl 溶液中24 h 和12 d，用恒温水浴锅控制试验溶液温度为20℃和40℃，浸泡试样24 h 后取出吹干备用，用扫描电镜观察表面腐蚀形貌，浸泡试样12 d 后取出清洗表面腐蚀产物，吹干称重。试样平均腐蚀速率计算公式如下：

式中，vcorr为腐蚀速率（g.dm-2.a-1），m0和m1分别为腐蚀实验前后试样质量（g），S为试样表面积（dm-2），t为腐蚀时间（a）。

将Q235 钢切片背面焊接铜线，置于PVC管中并使用环氧树脂固定封装，使用金相砂纸（320#-600#-1000#-1500#-2000#）打磨，然后用氧化铝悬浮液抛光，用无水乙醇和丙酮清洗试样并吹干。使用辰华CHI660e 型电化学工作站在质量分数3.5% NaCl 溶液中进行电化学测试，采用传统三电极体系，饱和甘汞电极和铂辅助电极，Q235 钢试样为工作电极，测量两种温度下（20℃和40℃）的开路电位、极化曲线和电化学阻抗。极化曲线测试扫描区间为-1.2～1.2 V，扫描速率为0.5 mVs-1；电化学阻抗谱测试频率范围为105～10-2Hz，正弦波幅值为10 mV。

2 结果与讨论

2.1 失重实验

表2 是Q235 钢在质量分数3.5% NaCl 溶液中浸泡12 天后试样的腐蚀速率，可看出各试样在40℃盐水中的腐蚀速率均比在20℃盐水中的腐蚀速率大，温度升高加速了腐蚀。浸泡在20℃盐水中试样的腐蚀速率由大到小依次为：500 ℃＞700 ℃＞800 ℃＞600 ℃＞blank，浸泡在40℃盐水中试样的腐蚀速率由大到小依次为：800℃＞600℃＞500℃＞700℃＞blank。

表2 Q235 钢在质量分数3.5%盐水中浸泡12d 的腐蚀情况

2.2 开路电位

图2 中，经过3000 s 所有工况Q235 钢均获得稳定开路电位，40℃盐水相比20℃盐水中测得的开路电位-时间曲线负移，表明温度升高促进了腐蚀的发生。开路电位随时间趋于稳定，表明试验用各工况Q235 钢表面钝化膜生成与破坏达到动态平衡，测试系统趋于稳定。表2 中列出了各工况Q235 钢在40℃盐水相比20℃盐水中稳态开路电位。从图1 和表2 可以看出，经过热处理后的Q235 钢比接收态更不容易发生腐蚀。

图1 不同温度下各工况试验Q235 钢开路电位随时间变化情况

表3 Q235 钢在试验温度下稳态开路电位

2.3 极化曲线

不同时效温度下Q235 钢在40 ℃和20 ℃3.5%NaCl 溶液中的动电位极化曲线和拟合结果如图2 和表2 所示，40℃下的测试得到的Ecorr更负，表明温度的升高使得材料的腐蚀趋势更强，40℃下测得所有极化曲线具有很好一致性，表明腐蚀机理高度一致。在20℃与40℃溶液下测试，未时效处理的坯料的Ecorr均更负，说明未时效处理的Q235 钢坯料腐蚀趋势更强，这与开路电位测试到的结果相一致。40℃溶液下腐蚀电流密度均高于20℃溶液下对应时效处理试件，坯料试件的腐蚀电流密度均小于同温度下的经时效处理的试件，说明时效处理后材料的腐蚀速度加快，这与失重实验和结果较好保持一致。

图2 不同时效温度下Q235 钢在40℃和20℃3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线

2.4 电化学阻抗谱

图3 为不同时效温度下Q235 钢在40 ℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的电化学阻抗谱图，由图3（a）（b）（c）对应的Nyquist 曲线和Bode 图可知，不同时效温度下Q235 钢在40℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的腐蚀机理是一致，只有一个时间常数。从图3（a）的容抗弧半径越大，也就是极化电阻越大，耐腐蚀越好，容易判断出腐蚀液温度升高，Q235 钢耐腐蚀性变差，而半圆形的容抗弧说明在腐蚀过程中主要是在电极和溶液界面上的电荷转移过程。由图3 可见，无论在40℃溶液下和20℃溶液下，坯料试样的容抗弧半径较时效处理后的试样大，说明热处理后材料腐蚀加快，这与失重实验和动电位极化曲线表现的结果一致。

图3 不同时效温度下Q235 钢在40℃和20℃ 3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱

用图4 所示等效电路描述Q235 钢在拟合数据3.5% NaCl 溶液中的状态，CPE 为常相位元件，RS 为溶液电阻元件，Rct 为电荷转移电阻。拟合参数得到不同时效温度下Q235 钢在40℃和20℃ 3.5% NaCl 溶液中的电化学阻抗谱参数如表4 所示，由Rct 值的大小反映出与图3 一致的结果。

表4 不同时效温度下Q235 钢在3.5%NaCl 溶液中的极化曲线拟合结果

图4 等效电路图

表5 不同时效温度下Q235 钢在40℃和20℃ 3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱参数

2.5 腐蚀形貌

图5 展示了在两种温度下12 天浸泡实验后的挂件形貌。明显地，在40℃溶液中浸泡后的Q235 挂件的表面几乎全部发生了腐蚀，腐蚀层的厚度更厚，而20℃溶液中浸泡后的Q235 挂件则有较大部分裸露出腐蚀的表面。

图5 Q235 钢在20℃和40℃的3.5%NaCl 溶液中腐蚀形貌图

3 微观组织分析

金属微观组织形态与构成不同，其耐腐蚀性能不同。接收态Q235 钢板为冷轧钢板，先加热到850 ℃，再以10 ℃/s 降至800 ℃、700℃、600℃、500℃下保温30 分钟立即水冷的情况，利用软件分析得到平衡相图及热处理相图如图6 所示。图6（a）显示Q235 钢从1000℃到室温的平衡相有8 种之多，说明Q235 在热处理不同温区具有丰富的析出相变化；图6（b）为800℃下淬火的组织为55.83%奥氏体+44.12%铁素体+0.0461% MnFeS 相；图6（c）为700℃下淬火得到97.39%铁素体+2.57%珠光体+0.0461%MnFeS相，在720℃左右发生了显著的相变，铁素体占比大幅跃升，同时产生了新相珠光体；图6（d）600℃和500 ℃下淬火后得到的组织质量百分比几乎相同，分别为97.28%铁素体+2.68%珠光体+0.0461% MnFeS 相和97.25%铁素体+2.71%珠光体+0.0461% MnFeS 相。由于组成金属的相占比分数不同，各种相的化学成分及形态结构的不同，因此具有不同的腐蚀性能，这是同种金属在不同时效处理下产生了不同的耐腐蚀性能的根本原因。

图6 Q235 钢平衡相图和热处理相图

4 结论

（1）开路电位测试及动电位极化曲线的腐蚀电位均表明，经过时效处理后的Q235 试样，其腐蚀趋势较坯料试样更强；腐蚀失重结果与动电位极化曲线的腐蚀电流密度及EIS 的结果具有较高一致性，表明经过时效处理后的Q235 试样较坯料试样具有更快的腐蚀速度。

（2）不同时效处理工况决定试样具有不同的微观组织形态，即析出相类型不同或析出相类型相同但占比不同，一些具有耐腐蚀的相虽然占比很少，却可能对腐蚀行为产生巨大影响。因此，经过时效处理后的内部微观组织的形态与成分的不同决定了Q235 的腐蚀行为。