30CrMnSiA高強鋼在工業和海洋大氣環境中的腐蝕行為研究

張世艷，羅丹，楊瑛，胥澤奇，王玲，楊小奎

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30CrMnSiA高強鋼在工業和海洋大氣環境中的腐蝕行為研究

張世艷1，羅丹1，楊瑛2，胥澤奇1，王玲1，楊小奎1

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.中國人民解放軍95607部隊，成都 610500）

目的為30CrMnSiA 高強鋼的大氣腐蝕防護設計、應用范圍擴展和開發新鋼種提供有益的借鑒和參考。方法采用腐蝕質量損失、XRD和SEM研究了30CrMnSiA高強鋼在工業和海洋大氣環境暴露60個月的大氣腐蝕行為。結果 30CrMnSiA高強鋼在工業和海洋大氣環境中腐蝕質量損失隨暴露時間變化的雙對數函數分別是lg Δ=2.245+0.387lg和lg Δ=2.822+0.637lg。纖鐵礦和針鐵礦是兩種大氣環境中形成的腐蝕銹層的主要成分，除了纖鐵礦和針鐵礦外，在海洋大氣環境形成的銹層中還發現了四方纖鐵礦。隨著暴露時間的延長，在海洋大氣環境中形成的銹層呈現逐漸剝落的趨勢。結論 30CrMnSiA高強鋼在海洋大氣環境中表現出較高的腐蝕敏感性，在工業大氣環境中表現出較低的腐蝕敏感性。

30CrMnSiA高強鋼；大氣腐蝕；銹層；腐蝕質量損失

鋼鐵材料的大氣腐蝕行為是自然界中最為普遍的腐蝕行為，易引起鋼鐵結構的腐蝕失效，從而造成巨大的經濟損失和人身威脅，越來越被腐蝕工程師和研究者所關注[1—3]。作為高強鋼的典型代表，30CrMnSiA高強鋼由于其具有優異的性能，比如高強度、高韌性、良好的機械加工性能、優異的抗疲勞性能，被廣泛應用于交通、建筑、航空等各種行業中。使用時，30CrMnSiA高強鋼通常處于各種類型的戶外環境中，容易被腐蝕侵襲。因此，30CrMnSiA高強鋼的大氣腐蝕性能對于產品服役安全和服役壽命具有重要影響。

一般來說，研究材料的大氣腐蝕行為有實驗室模擬加速試驗和戶外暴露試驗兩種方法[4]。其中，實驗室模擬加速試驗對于研究材料的腐蝕機理和環境影響因素特別有用，但是所獲信息對于評估材料的實際服役性能價值有限。戶外暴露試驗可以反映材料在實際服役環境下性能變化，因此被廣泛應用于研究材料的大氣腐蝕行為。目前關于30CrMnSiA 高強鋼的腐蝕性能有部分研究[5—8]，但在工業大氣環境和海洋大氣環境中的報道非常少。由于30CrMnSiA 高強鋼材質的典型性、應用的廣泛性、以及戶外暴露的實用性，研究30CrMnSiA 高強鋼在各種戶外環境下的大氣腐蝕性能變得非常迫切。

文中研究30CrMnSiA高強鋼在我國工業大氣環境和海洋大氣環境這兩種典型嚴酷氣候環境中的大氣腐蝕性能，揭示30CrMnSiA高強鋼腐蝕質量損失、腐蝕產物、腐蝕形貌在戶外暴露60個月過程中的變化規律，以期為30CrMnSiA 高強鋼的腐蝕防護設計、應用范圍擴展和開發新鋼種提供有益的借鑒和參考。

1 試驗

1.1 試樣

試驗所用材料為30CrMnSiA高強度鋼板材，其化學成分見表1。將板材加工成100 mm×50 mm×4.5 mm尺寸的試片作為腐蝕試樣，試樣表面粗糙度在0.8 μm左右，采用在邊側打孔的方法來編號。試驗前所有試樣用丙酮清洗掉試樣表面的油污。

表1 30CrMnSiA高強度鋼化學成分 %

1.2 大氣腐蝕暴露

大氣腐蝕暴露地點選擇分別代表工業大氣環境和海洋大氣環境的江津自然環境試驗站和萬寧自然環境試驗站。各試驗站環境因素測量采用的標準為ISO 9225[9]。根據ISO 8565標準[10]，樣品戶外朝南45°暴露。代表海洋大氣環境的萬寧自然環境試驗站暴露地點距海為375 m。在暴露周期分別為12，24，36，60個月的時候，取回4片樣品，其中3片用于腐蝕質量損失分析，1片用于腐蝕產物成分和形貌分析。

1.3 腐蝕質量損失分析

按照ISO 8407[11]規定的方法，在去除試樣表面的腐蝕產物后稱量試樣質量，計算不同試驗時間的腐蝕質量損失。試驗前稱量腐蝕試樣的質量，精確到0.001 g。

1.4 銹層分析

樣品表面和截面形貌采用Quanta 200環境掃描電鏡 (FEI Co., Ltd, the Netherlands)進行分析。銹層成分采用D8 DISCOVER X射線衍射儀(BRUKER AXS Co., Ltd, Germany)進行研究，測定主要條件為：以Cu的Ka輻射為射線進行掃描，管電壓為40 kV，管電流為40 mA。

2 結果與討論

2.1 腐蝕動力學

30CrMnSiA高強度鋼在兩種自然環境中腐蝕質量損失隨時間的變化規律如圖1所示。可以看出，隨著暴露時間的延長，30CrMnSiA高強度鋼的腐蝕質量增量不斷增加。在暴露期間，海洋大氣環境中的腐蝕質量損失遠大于工業大氣環境，且海洋大氣環境中的腐蝕質量損失為工業大氣環境的5倍以上，表明了30CrMnSiA高強度鋼在海洋大氣環境中具有較高的腐蝕敏感性。

圖1 30CrMnSiA在試驗站點腐蝕失重隨時間的變化

研究表明[12—13]，材料的大氣腐蝕動力學可以用式（1）來表示。

式中：Δ為戶外暴露試樣單位面積的腐蝕質量損失，g/m2；為試驗時間，月；和是常數。

對冪函數關系式Δ=At兩邊求導，可以得出腐蝕質量損失變化速率的函數式(2)，它同時也是腐蝕速率的函數表達式。

顯然，代表第一年的腐蝕質量損失，指數反映腐蝕動力學特性。當< 1時，表明腐蝕速率不斷減小；當> 1時，表明腐蝕速率不斷增加；當= 1時，表明腐蝕速率為一個常數。

對式(1)兩邊取對數就可以雙對數函數：

圖2是根據公式(3)所得30CrMnSiA高強度鋼腐蝕質量損失隨暴露時間變化的雙對數曲線。

圖2 30CrMnSiA腐蝕質量損失隨暴露時間變化的雙對數曲線

由圖2可知，在工業大氣環境和海洋大氣環境中的腐蝕質量損失分別符合雙對數函數(4)和(5)。

(5)

回歸的相關系數值均大于0.95 ，表明回歸效果非常顯著。此外，兩種環境下所得值均小于1，表明了30CrMnSiA高強度鋼在工業和海洋大氣環境下的腐蝕速率隨著暴露時間的延長不斷減小。

2.2 銹層表征

2.2.1 XRD分析

30CrMnSiA高強度鋼在工業大氣環境和海洋大氣環境中形成的腐蝕產物的成分如圖3所示。

教師結合細胞核模型，介紹模型特點和建模方法，再設計制作真核細胞模型的課后作業。這既是對整章節的總結，也讓“模型與建模”的科學思維在實踐中落實和深化。

由圖3可以看出，纖鐵礦（α-FeOOH）和針鐵礦（γ-FeOOH）是工業大氣環境和海洋大氣環境中形成腐蝕銹層的主要成分。除了纖鐵礦和針鐵礦外，在海洋大氣環境中的銹層還發現了四方纖鐵礦（β-FeOOH）。隨著暴露時間的延長，在特定地點形成的腐蝕產物成分類型沒有發生變化，變化的只是成分的比例或含量。

2.2.2 SEM分析

在工業和海洋大氣環境中形成的腐蝕產物形貌分別見圖4和圖5。可以看出，不同環境下形成的腐蝕產物形貌明顯不同，且在特定地點形成的腐蝕產物形貌隨著暴露時間的延長也在不斷變化。

據文獻報道[14—15]，鋼鐵材料銹層形貌或結構一般可以歸納為幾下幾種：球狀、針狀、層狀或薄片狀、管狀、環形面狀。不同的形貌或結構通常對于不同的銹層成分。

從圖4看出，工業大氣環境中暴露1年形成的銹層主要呈現出棒狀、沙狀和球狀結構，表明了纖鐵礦（γ-FeOOH）的存在。隨著暴露時間的延長（到第5年），腐蝕產物中沙狀結構不斷增加。從圖5可以看出，海洋大氣環境中暴露第1年的腐蝕產物呈現出球狀結構，表明了纖鐵礦（γ-FeOOH）的存在，隨著暴露時間的延長，腐蝕產物呈現出花瓣狀結構，花瓣狀結構是纖鐵礦（γ-FeOOH）的典型結構。從工業和海洋大氣環境中銹層形貌分析可以看出，銹層成分好像是單一的纖鐵礦（γ-FeOOH），與XRD分析不一致。其主要原因在于SEM形貌觀察主要看表面，而XRD分析的是粉末狀腐蝕產物，且纖鐵礦（γ-FeOOH）一般優先在銹層表面富集。

在工業和海洋大氣環境中形成的腐蝕產物橫截面形貌分別見圖6和圖7。從圖6和圖7可以看出，在工業和海洋大氣環境中形成的銹層截面均呈現橫狀和縱狀裂紋，裂紋的存在有利于腐蝕介質穿過銹層到達基本金屬，從而加速金屬的腐蝕。此外，隨著暴露時間的延長，銹層厚度不斷增加。需要特別注意的是圖7b是部分銹層從30CrMnSiA高強度鋼基體剝落之后的橫截面形貌。

圖4 工業大氣環境中形成銹層的表面形貌

圖5 海洋大氣環境中形成銹層的表面形貌

圖6 工業大氣環境形成銹層的橫截面形貌

圖7 海洋大氣環境形成銹層的橫截面形貌

工業大氣環境和海洋大氣環境戶外暴露1年的銹層橫截面形貌分別如圖6a和圖7a所示，表明了工業和海洋大氣環境下30CrMnSiA高強度鋼在大氣腐蝕初期均呈現出明顯的點蝕特征。在海洋大氣環境下，銹層點蝕深度達200 μm，比工業大氣環境中銹層的點蝕嚴重。這可以歸結為海洋大氣環境中較高的氯離子濃度。隨著暴露時間的延長，在海洋大氣環境中形成的銹層呈現逐漸剝落的趨勢。大多數情況下，銹層的保護性能與形貌是密切相關的。海洋大氣環境中銹層容易剝落，新鮮表面容易出現，導致海洋環境中出現嚴重的腐蝕質量損失。

3 結論

1）30CrMnSiA高強鋼在海洋大氣環境中表現出較高的腐蝕敏感性，在工業大氣環境中表現出較低的腐蝕敏感性，且在工業大氣環境和海洋大氣環境中的腐蝕質量損失分別符合雙對數函數lg Δ=2.245+0.387lg和lg Δ=2.822+0.637lg。

2）纖鐵礦和針鐵礦是兩種大氣環境中形成的腐蝕銹層的主要成分。除了纖鐵礦和針鐵礦外，在海洋大氣環境中的銹層還發現了四方纖鐵礦。隨著暴露時間的延長，銹層的主要成分類型沒有發生變化。暴露時間只是改變了各成分之間的比例。

3）不同環境下形成的腐蝕產物形貌明顯不同，且在特定地點形成的腐蝕產物形貌隨著暴露時間的延長也在不斷變化。形成的腐蝕產物主要呈現代表纖鐵礦（γ-FeOOH）的球狀、棒狀、線狀、沙狀和花瓣狀結構，以及代表針鐵礦（α-FeOOH）的針狀（須狀）結構。

4）大氣腐蝕初期，30CrMnSiA高強鋼在兩種大氣環境下均呈現出點蝕特征。隨著暴露時間的延長，在海洋大氣環境中形成的銹層呈現逐漸剝落的趨勢。

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Corrosion Behaviours of 30CrMnSiA High-strength Steel in Industrial and Marine Atmosphere Environments

ZHANG Shi-yan1, LUO Dan1, YANG Ying2, XU Ze-qi1, WANG Ling1, YANG Xiao-kui1

(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China; 2.Unit 95607 of the PLA, Chengdu 610500, China)

Objective To provide useful references for the design of corrosion protection for 30CrMnSiA high-strength steel, the expansion of its applications and development of new types of high-strength steel. MethodsAtmospheric corrosion behaviours of 30CrMnSiA high-strength steel exposed in industrial and marine atmosphere environments for 60 months were investigated in virtue of the corrosion mass loss, X-ray diffractmeter (XRD) and scanning electron microscope (SEM).Results The relationship between mass loss and exposure time obeyed well the following power function: lgΔ=2.245+0.387lgand lgΔ=2.822+0.637lg. Lepidocrocite and goethite were found as the major constituents of the rust layer formed in two types of atmosphere environments, and akaganeite was also detected in the marine atmosphere environment. The rust layer exhibited the tendency of flaking away from the substrate in marine atmosphere environment with the increase of exposing. Conclusion30CrMnSiA high-strength steel exhibits high corrosion susceptibility and low corrosion susceptibility in marine atmosphere environment and industrial atmosphere environment, respectively.

30CrMnSiA high-strength steel; atmospheric corrosion; rust layer; corrosion mass loss

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.006

TJ07; TG172

A

1672-9242(2017)05-0025-06

2017-04-06；

2017-04-20

張世艷（1985—），女，重慶銅梁人，碩士，工程師，主要研究方向為自然環境試驗與評價。

胥澤奇（1973—），男，四川瀘縣人，研究員，主要研究方向為裝備自然環境試驗與環境適應性評價。