合金鋼螺栓海洋氣候環境適應性研究

楊祎，趙俊軍，王茂川，楊小奎

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合金鋼螺栓海洋氣候環境適應性研究

楊祎1，趙俊軍2，王茂川1，楊小奎1

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.重慶嘉陵特種裝備有限公司，重慶 400032）

研究海洋氣候環境對合金鋼螺栓的影響。開展合金鋼螺栓海南萬寧試驗站為期24個月的遠海戶外暴露試驗，通過環境掃描電鏡（ESEM）和自帶的能譜儀（EDS）、拉伸和疲勞力學性能試驗機、動電位極化（PC）研究合金鋼螺栓力學性能、宏觀形貌、微觀形貌和腐蝕產物變化。戶外暴露24個月后，合金鋼螺栓破壞剪力下降了3.4%，破壞拉力下降了7.7%，疲勞壽命下降了41.3%。合金鋼戶外暴露24個月后發生全面腐蝕，腐蝕對螺栓破壞拉力及破壞剪力性能影響不大，對螺栓疲勞壽命下降影響較大。

合金鋼螺栓；海洋氣候環境；環境適應性

合金鋼螺栓通常用于飛機起落架等承力部位。軍用飛機在使用過程中，承力部件除了在常規環境中使用，也會長期服役在濕熱鹽霧等惡劣的海洋大氣環境中，并受大風、海霧、潮汐、海水飛濺等多種環境因素的影響，使艦載飛機各部位零部件極易發生腐蝕，致使其各項性能在長期服役過程中發生變化，從而直接影響艦載飛機的飛行安全，降低其服役期限。海洋腐蝕環境非常復雜，海洋氣候環境中的氯離子由于其半徑小能夠優先吸附在金屬及合金表面氧化膜上，對氧化膜產生滲透破壞作用，并與金屬元素生成具有溶解性的氯絡合物，加速金屬及合金的溶解，使氧化膜失去對基體的保護作用。因此海洋氣候環境對有無鈍化膜保護的金屬及合金都有很強的腐蝕性[1-9]。

萬寧自然環境試驗站屬濕熱海洋環境，具有高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射等特點，特別是空氣中富含大量氯離子，對金屬基體腐蝕具有很大侵蝕作用，而高強度螺栓的腐蝕開裂和疲勞斷裂常常給人類帶來災難性后果。因此，開展合金鋼螺栓海洋氣候環境適應性研究是當前裝備服役壽命研究領域中的重要課題，并具有重要的理論意義和實踐意義。

1 試驗

選用合金鋼螺栓7411（1Cr17Ni2鈍化）作為試驗樣品，放置在萬寧試驗站進行戶外暴露試驗。暴曬時間為2年，萬寧試驗站位置為東經110°05′、北緯18°58′，海拔高度為12.3 m ，平均溫度為24.6 ℃，平均相對濕度為86 %，年總輻射量為 4826 MJ/m2，年總日照時數為2154 h ，年降水總量為1515 mm ，降水pH值為5.4。試驗完成后觀察其宏觀腐蝕形貌變化，并使用掃描電鏡觀察微觀腐蝕形貌并分析腐蝕產物。

2 宏觀腐蝕形貌

螺栓在萬寧戶外暴露外觀形貌隨時間變化如圖1所示。可以看出，螺栓在萬寧戶外暴露6個月后，頭部外露區、頭下連接區、光桿-螺紋過渡區、螺紋區等四個部位均出現嚴重腐蝕，腐蝕面積均超過80%。光桿區腐蝕相對來說較為輕微，腐蝕面積超過50%。隨著暴露時間的延長，螺栓表面腐蝕不斷加劇。由于螺栓表面的鈍化層非常薄，在氯離子強侵蝕和穿透作用下，很快遭到破壞，從而使基體金屬暴露在氯離子等腐蝕介質中，加劇了基體金屬的腐蝕。螺栓的頭部外露區、頭下連接區、光桿區、光桿-螺紋過渡區、螺紋區等五個部位均出現一定程度的腐蝕。其中，光桿-螺紋過渡區、螺紋區腐蝕相對嚴重，腐蝕面積超過25%。頭部外露區、頭下連接區、光桿區腐蝕相對較輕，腐蝕面積分別約為1%，2.5%，10%。螺栓試驗件的外觀腐蝕評價劃分見表1。

表1 螺栓試驗件腐蝕外觀評級的區域劃分

3 電化學分析

為了進一步解釋說明該螺栓光桿區和螺紋區腐蝕程度的差異性，采用電化學分析研究了上述三個區域在5%NaCl溶液中的開路電位、自腐蝕電流密度，螺紋區、桿紋區、光桿區的開路電位分別為－325，－302，－240 mV。可以看出，螺栓螺紋區、桿紋區、光桿區開路電位呈現出依次升高的趨勢，螺紋區電位最負，桿紋連接區居中，光桿區最正。這說明螺栓表面鈍化膜質量在不同區域存在一定差異，由于鈍化膜厚度極薄，在表面處理過程中容易造成區域間的差異，螺栓螺紋區起伏明顯，相對光桿區其鈍化處理中保持均一性的難度更大。因此，在螺紋區鈍化膜的完整性和均一性有可能次于光桿區，從而導致其電位最負，而光桿-螺紋過渡區處于兩者之間，因此電位居中。

開路電位可以表征螺栓不同區域在某種環境下的腐蝕傾向性高低，但并不能決定螺栓實際腐蝕速率的高低，實際腐蝕速率的高低主要取決于螺栓在該環境下的自腐蝕電流密度大小。為了進一步分析螺栓不同區域的實際腐蝕速率差異，對試樣的不同局部位置在5%NaCl溶液中分別進行動電位極化曲線測試，測試結果如圖2所示。

圖2 螺栓在5%NaCl溶液中的動電位極化曲線

根據GB 5267《緊固件電鍍層》附錄G“螺栓、螺釘和螺母的表面積”，計算螺栓的螺紋、桿部和桿紋連接三個測試區域的面積。通過對強極化區的線性擬合分析可知，螺栓光桿區的自腐蝕電流密度最低，約為0.4 μA/cm2，桿紋連接處電流密度最高，達到20 μA/cm2，約為光桿區的50倍，螺紋區居中，電流密度約為6 μA/cm2。綜合開路電位和自腐蝕電流密度數據分析，螺栓螺紋區、桿紋區、光桿區三個區域中光桿區耐腐蝕性能最好。因此，在萬寧戶外暴露期間，螺栓光桿區域腐蝕相對較輕。

4 微觀腐蝕形貌

由于鋼鐵材料本身、暴露大氣環境、銹層鑒別手段以及數據解釋等方面的差異，不同研究者所報道的腐蝕產物成分類別差異性比較大。常見的銹層成分和對應的形貌如下，纖鐵礦（γ-FeOOH）是銹層外表面最為常見的銹層成分，呈現不同變體的球狀或層狀（薄片狀）形貌或結構，如胞狀、鳥巢狀、蜘蛛網狀、羽毛狀、條棒狀等。針鐵礦（α-FeOOH）呈現出3種典型的形貌或結構，一種是形成于針鐵礦（γ-FeOOH）球狀體形貌或結構上的針狀或須狀形貌或結構，主要是由針鐵礦（γ-FeOOH）轉化而成，一種是存在于花形貌或結構中的花瓣狀形貌或結構，另外一種是棱柱形式的管狀結構形貌或結構。四方纖鐵礦（β-FeOOH）呈現出雪茄狀形貌或結構和白色疏松多孔棉球狀形貌或結構[11-13]。由圖3可知，合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露12個月后，基體螺紋部位腐蝕產物出現微裂紋，腐蝕產物呈現出胞狀（γ-FeOOH）微觀形貌。從圖4可以看出，合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露12個月后，基體光桿部位腐蝕產物呈現出顆粒狀（γ-FeOOH）、花瓣狀（α-FeOOH）微觀形貌。顆粒狀腐蝕產物簇狀聚集。花瓣狀腐蝕產物中間點綴有少量顆粒狀腐蝕產物。從圖5可以看出，合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露24個月后，基體螺紋部位腐蝕產物部分出現微裂紋，腐蝕產物呈現出小顆粒狀（γ-FeOOH）、球狀（γ-FeOOH）微觀形貌。從高倍率顯微圖片可以看出，球狀腐蝕產物上長有針狀（α-FeOOH）腐蝕產物。從圖6可以看出，合金鋼7411螺栓戶外暴露24個月后，基體光桿部位腐蝕產物呈現出不規則顆粒狀（γ-FeOOH）、條棒狀（γ-FeOOH）、球狀（γ-FeOOH）微觀形貌。在高倍率顯微圖片下可以看到球狀結構的周圍有很多針狀或須狀（α-FeOOH）的腐蝕產物。

從圖7所示的合金鋼7411螺栓萬寧站戶外24個月螺紋表面腐蝕產物EDS分析可以得出，螺栓腐蝕產物中除Fe元素和O元素外，還含少量的Cl元素，說明腐蝕產物成分可能還包含FeCl2或FeCl3。由于腐蝕產物FeCl2或FeCl3的微觀形貌國內外鮮有報道，因此，從腐蝕產物的表面形貌未能看出FeCl2或FeCl3的存在。

圖3 合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露12個月螺紋腐蝕產物微觀形貌

圖4 合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露12個月光桿腐蝕產物微觀形貌

圖6 合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露24個月光桿腐蝕產物微觀形貌

圖7 合金鋼7411螺栓萬寧戶外暴露24個月后螺紋表面腐蝕產物成分EDS分析

5 力學性能

由圖8可知，戶外暴露24個月后，7411螺栓破壞剪力下降了3.4%，破壞拉力下降了7.7%，疲勞壽命下降了41.3%。因此，螺栓的腐蝕并未對螺栓破壞拉力及破壞剪力下降造成明顯影響。由圖9可知，螺栓光桿-螺紋過渡區螺紋部分出現了基體腐蝕，螺紋牙底部位出現深度大于150 μm的腐蝕坑。由于螺栓的疲勞性能薄弱點通常為表面缺陷處、尖角或應力集中處、頭桿連接圓角處、螺紋收尾處和螺紋牙有缺陷處等部位[14-15]，因此這些腐蝕坑極易在螺栓疲勞測試中演變為疲勞裂紋源，導致合金鋼螺栓7411螺栓的疲勞壽命降低。

圖8 螺栓萬寧戶外暴露24個月力學性能下降率

圖9 萬寧戶外暴露24個月螺紋截面微觀腐蝕形貌

6 結論

1）合金鋼7411螺栓在萬寧試驗站戶外暴曬2年后發生了大面積腐蝕，其中，光桿-螺紋過渡區、螺紋區腐蝕相對嚴重，基體螺紋部位腐蝕產物部分出現微裂紋。從微觀形貌分析可知，表面腐蝕產物成分是纖鐵礦（γ-FeOOH）和針鐵礦（α-FeOOH），可能還包含FeCl2或FeCl3。隨著暴露時間的延長，螺栓的螺紋和螺桿腐蝕產物微觀形貌不斷變化，但是腐蝕產物的成分沒有變化，時間因素改變的只是纖鐵礦（γ-FeOOH）和針鐵礦（α-FeOOH）之間的相對比例。

2）螺栓腐蝕后對破壞拉力及破壞剪力性能影響不大，但疲勞壽命下降率達到41.3%。說明螺栓表面形成的腐蝕坑易產生應力集中，縮短起裂時間，增加裂紋源，導致螺栓疲勞壽命降低。

3）合金鋼螺栓在海洋環境使用過程中需做好防腐工作。同時應盡可能在裝配過程中減少螺栓與大氣中腐蝕介質的接觸，減少螺栓的腐蝕。

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Marine Climate Environmental Adaptability of Alloy Steel Bolt

YANG Yi, ZHAO Jun-jun, WANG Mao-chuan, YANG Xiao-kui

(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Jialing Special Equipment Co. Ltd, Chongqing 400032, China)

To research effects of marine climate environment on alloy steel bolt.Outdoor exposure test was carried out for 24 months at Wanning, Hainan site. Mechanical properties, macroscopic morphology, microscopic morphology and corrosion product change of alloy steel bolt were researched through SEM, tensile and fatigue machine and potentiodynamic polarization (PC).After 24 months of outdoor exposure, the ultimate shear of alloy steel bolts decreased by 3.4%, its ultimate tension decreased by 7.7%, its fatigue life decreased by 41.3%.After 24 months of outdoor exposure, the alloy steel bolt has full-scale corrosion, which has little effect on the ultimate tension and shear of bolts and has great impact on fatigue life of bolts.

alloy steel bolt; marine climate; environmental adaptability

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.009

TJ04

A

1672-9242(2018)01-0040-05

2017-10-24；

2017-11-22

楊祎（1988—），女，重慶人，工程師，主要研究方向為金屬材料的環境腐蝕。