Q690高强钢在模拟海洋浪溅区环境下耐蚀性能研究

doi:10.11902/1005.4537.2022.042

Q690高强钢在模拟海洋浪溅区环境下耐蚀性能研究

魏欢欢^,¹^,², 郑东东², 陈晨^,²^,³, 张大伟², 王凯励⁴

1.杨凌职业技术学院建筑工程学院咸阳 712100

2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室西安 710048

3.西安建筑科技大学土木工程学院西安 710054

4.中铁第一勘察设计院集团有限公司西安 710043

Corrosion Resistance of Q690 High Strength Steel in Simulated Corrosive Environment of Ocean Splash Zone

WEI Huanhuan^,¹^,², ZHENG Dongdong², CHEN Chen^,²^,³, ZHANG Dawei², WANG Kaili⁴

1.School of Architectural Engineering, Yangling Vocational & Technical College, Xianyang 712100, China

2.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

3.School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710054, China

4.China Railway the First Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Xi'an 710043, China

通讯作者: 魏欢欢，E-mail：wh0402@qq.com，研究方向为高强度钢材钢结构、金属材料疲劳与断裂耐久性陈晨，E-mail：3312176207@qq.com，研究方向为木结构减震抗震、性能优化与评估、新型结构体系

收稿日期: 2022-02-17 修回日期: 2022-03-10

基金资助:

国家自然科学基金.  51978571
杨凌职业技术学院2021年自然科学基金.  ZK21-28
西北旱区生态水利国家重点实验室资助基金.  2017ZZKT-8

Corresponding authors: WEI Huanhuan, E-mail:wh0402@qq.comCHEN Chen, E-mail:3312176207@qq.com

Received: 2022-02-17 Revised: 2022-03-10

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.  51978571
Yangling Vocational and Technical College 2021 Natural Science Foundation.  ZK21-28
Research Project of the State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China.  2017ZZKT-8

作者简介 About authors

魏欢欢，男，1996年生，硕士，助教

摘要

为研究海洋浪溅区Q690高强钢材腐蚀行为和表面形貌分布特征，通过盐水周浸-湿热循环试验得到不同周期锈蚀试件，利用激光共聚焦显微镜 (LSCM) 采集表面的坐标参数，分析了微观形貌尺寸随着腐蚀周期的变化规律。结果表明：在腐蚀初始阶段，表面产生少量针状点蚀产物，金属色泽逐渐丧失，随着腐蚀损伤程度增加，材料表面点蚀形貌逐渐向坑蚀发展，处于腐蚀后期时，分布有大量层状产物，局部区域存在剥落现象。此外，根据微观扫描分析可知，表面堆积产物对基体内部具有较好保护作用，腐蚀行为沿着水平方向快速延伸，最终完全包裹试件表面，当腐蚀周期为100 d时，体积损失率和表面腐蚀高度分别为1.38%和840 μm。

关键词： 高强钢 ; 浪溅区 ; 湿热循环 ; 微观形貌 ; 腐蚀损伤 ; 体积损失率

Abstract

The surface of steel structural components exposed to extremely harsh environments is prone to rust, as a result, their normal service life is reduced, whilst the durability problem is increasingly prominent. Thus, the corrosion behavior and characteristics of surface morphology of Q690 high strength steel was assessed via alternative cyclic tests: immersion in artificial sea water, drying by indoor ventilation air and drying in atmosphere of 95% (±3%) relative humidity at 35 ℃, aiming to simulate the corrosive environment of ocean splash zone. Then, the variation of surface morphology with the progress of corrosion process and the corresponding surface coordinate parameters were collected by laser confocal microscope (LSCM). The results show that in the initial stage of corrosion, a small number of needle-like pits occurred on the surface, and the metallic luster was gradually lost. With the progress of corrosion process, the initial needle-like pits gradually developed toward large pits. At the later stage of corrosion, there exist a large number of lamellar corrosion products, and on which, exfoliations in some local areas could be observed. In addition, according to the microscopic scanning analysis, it could be seen that the cumulated corrosion products exhibited a good protective effect on the steel substrate, the corrosion process rapidly extended to the periphery and finally corrosion products completely covered the whole surface of steel specimen. When the corrosion period was 100 d, the volume loss rate and surface corrosion height were 1.38% and 840 μm, respectively.

Keywords： high strength steel ; splash zone ; damp-heat cycle ; micro morphology ; corrosion damage ; volume loss rate

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本文引用格式

魏欢欢, 郑东东, 陈晨, 张大伟, 王凯励. Q690高强钢在模拟海洋浪溅区环境下耐蚀性能研究. 中国腐蚀与防护学报[J], 2023, 43(1): 186-190 DOI:10.11902/1005.4537.2022.042

WEI Huanhuan, ZHENG Dongdong, CHEN Chen, ZHANG Dawei, WANG Kaili. Corrosion Resistance of Q690 High Strength Steel in Simulated Corrosive Environment of Ocean Splash Zone. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2023, 43(1): 186-190 DOI:10.11902/1005.4537.2022.042

海洋环境具有高盐雾、湿度大等特征，当长期遭受海水干湿交替及浪花飞溅冲蚀影响时，材料表面容易发生化学或电化学反应，使得承重构件有效截面尺寸减小，若在循环荷载作用时，由于存在不均匀蚀坑分布，钢材材质变脆，应力集中现象极为明显，加快了萌生裂纹的扩展速率，导致高强钢工程结构的承载性能快速退化，实测疲劳寿命缩短^[1-3]，因此开展高强钢材腐蚀损伤机理及微观形貌研究，对于在役工程结构安全可靠性能评估具有重要意义。王凯等^[4]基于Gleeble3800热模拟循环过程，研究了Q690高强钢材电化学腐蚀特性，结果表明材料腐蚀损失行为与微观组织结构、晶粒尺寸存在相关性；孙永伟等^[5]通过模拟工业大气环境，对比分析Q345E、Cr-Ni-Cu低合金高强钢材的腐蚀特性，研究表明微量合金元素能够增强锈层致密程度，提高基体耐久性；Su等^[6]和Nevshupa等^[7]根据扫描电镜测定数据，研究了NaCl溶液内含氧量、静水压力对高强钢材的腐蚀损伤行为影响；Kingkam等^[8]根据微观扫描结果，讨论了高强钢材腐蚀特性，随着形变量和环境温度提高，材料晶粒尺寸逐渐递增，耐久性能变差；Jia等^[9]选取醋酸盐雾加速腐蚀 (CASS) 方案测得高强钢板腐蚀损伤参数，随着周期增加，粗糙度逐渐提高，表面形貌以点蚀分布为主；程鹏举等^[10]通过模拟沿海腐蚀环境给出高强钢绞线的时变损伤模型，进行微观形貌观测之后，建立了蚀坑尺寸与腐蚀周期的分段函数关系。

近年来，以钢材为主的材料广泛应用于近海海岸、海洋大气拟建工程中，结构体系的耐久性问题日益突出，同时也面临着严峻挑战^[11-16]，本文通过选取湿热周浸室内加速腐蚀方案，研究了Q690高强钢材试件的损伤机理和表面微观形貌分布规律，给出了蚀坑尺寸与腐蚀周期的变化趋势，为极端复杂环境下国产高强钢材的耐久性分析提供参考依据。

1 实验方法

实验用材为武汉钢厂生产Q690D低合金高强钢材，板厚为10 mm，化学成分 (质量分数：%) 分别为：C 0.07，Mn 1.61，Si 0.15，P 0.007，S 0.002，Cr 0.01，Mo 0.002，V 0.003，其余为Fe，腐蚀试件尺寸为280 mm×60 mm×10 mm。材料的质量等级、力学性能参数满足GB/T 1591-2008要求；此外，为确保切割加工时的板材平整性，采取线切割方式制备标准试样，当边缘表面打磨清理结束以后，进行编号并称重，所选量测设备为电子天平，精度为0.1 mg。

通过盐水周浸-湿热循环加速腐蚀方案，模拟了海洋环境浪溅区钢材受损行为^[17]，经考虑实际环境特征后，设置腐蚀、观察、除锈、测量4个阶段，在腐蚀过程中，首先将预制标准试件浸泡于配比浓度为26 g/L的NaCl溶液 (pH介于6~7) 液面以下至少10 mm处，液体温度与室内环境保持一致，时长为6 h，随之取出置于室内通风处晾晒6 h，待表面水分完全散失后，再将其摆放于温度为35 ℃、相对湿度为95% (±3%) 的试验箱内进行循环养护，周期为12 h；在加速腐蚀周期内，每隔2 d重复一次上述腐蚀环节，并以20 d作为一次取样批次周期，时间总计为100 d，未腐蚀试件作为实验对比，当腐蚀实验结束后，应先选用打磨机除去试件表面的腐蚀产物，再用毛刷清除表面残留附着物，当试件称重前后质量精度小于1 mg后，除锈工作结束；此外，为研究试件表面形貌分布范围和腐蚀特征，采用LEXT OLS4000激光共聚焦显微镜 (LSCM) 进行扫描成像，即通过单元成像叠加后，得到整个扫描区域的微观形貌图，测定并导出除锈后的试样表面任意位置形貌尺寸，由于腐蚀行为存在随机性与不确定性，故以除锈后的试件中心为基准点，再对尺寸为40 mm×90 mm×10 mm的试样正、反侧进行观察，扫描区域尺寸为30 mm×30 mm。

2 腐蚀结果分析

2.1 宏观腐蚀结果分析

通过室内加速腐蚀实验，得到不同周期试件的宏观腐蚀形貌如图1所示。其中，未腐蚀试件保持良好的金属光泽，在腐蚀实验为20 d时，板材固有金属色泽开始变暗，表面分布少量黄褐色点状锈蚀产物，以局部腐蚀为主，随着损伤程度持续增加，产物包裹基体表面，金属色泽完全丧失，此时逐渐向均匀腐蚀过渡，当腐蚀100 d以后，红褐色生成物迅速增多，主要呈现层片堆积状分布于材料表面，质地极为疏松，局部区域发生腐蚀剥落现象，不同编号试件受损程度存在较大差异性^[18,19]。当除锈工作结束后，板材表面凹凸形貌的层次性较强，伴随腐蚀时间增长，腐蚀区域的面积向周围缓慢扩展，实验结果与构件自然腐蚀过程具有相似性。

图1

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图1 不同腐蚀周期宏观形貌图

Fig.1 Macromorphology after different corrosion periods: (a) CT0, (b) CT20, (c) CT40, (d) CT60, (e) CT80, (f) CT100

2.2 微观扫描结果

选用LSCM仪器对除锈后的试件进行扫描，提取微观形貌分布范围和尺寸大小；在实验初期，腐蚀物呈随机性分布，尚未发现蚀坑产生，损伤程度相对偏弱，蚀坑边缘高度不超过330 μm。随着腐蚀周期增加，实测尺寸逐渐增长，扫描区形貌起伏差异偏高，分布少量蚀坑，处腐蚀后期时，由于表面存在大量致密堆积物，抑制外界环境介质Cl^-、H₂O侵蚀影响，锈层对基体内部起到较好的保护作用，腐蚀沿着表面水平方向快速扩展，最终完全包裹板材外围，当腐蚀进行100 d后，蚀坑边缘高度不超过840 μm。不同腐蚀周期的微观形貌分布如图2所示。

图2

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图2 不同腐蚀周期扫描微观形貌图

Fig.2 Scanning micro-topography after different corrosion periods (a) CT20; (b) CT40; (c) CT60; (d) CT80; (e) CT100

2.3 参数分析

为表征不同腐蚀周期下的微观形貌变化规律，经测定扫描区域蚀坑尺寸之后，最终得到试件表面的体积损失率η_v 、腐蚀深度速率ζ，根据不同腐蚀阶段实测平均值，给出模拟海洋环境浪溅区的钢材损伤速率，验证了腐蚀方案的可行性。其中，体积损失率η_v 、腐蚀深度速率ζ表达式如式 (1)、(2) 所示，扫描区域参数统计如表1所示，表中所述参数S为蚀坑相对于基准平面的缺失面积，S₀为蚀坑相对于基准平面的凹陷面积，(mm²)；母材试件的质量损失率η_s，以及实测蚀坑平均深度d、平均宽度w、深宽比d/w如表2所示。

表1 扫描区腐蚀参数统计

Table 1 Corrosion parameter statistics of scanning area

Specimen code	Corrosion time / d	S / mm²	S₀ / mm²	V / mm³	η_v / %
CT20	20	125.75	149.90	5.19	0.26
CT40	40	235.45	262.90	10.04	0.49
CT60	60	300.70	331.25	19.98	1.00
CT80	80	323.80	340.00	22.36	1.12
CT100	100	366.60	407.55	27.56	1.38

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表2 扫描区蚀坑尺寸统计

Table 2 Statistics of pit size in scanning area

Specimen code	Corrosion time / d	η_s%	dμm	wμm	d / w	ζmm·a^-1
CT20	20	1.23	127.147	1227.695	0.053	2.320
CT40	40	3.03	161.925	3516.298	0.051	1.478
CT60	60	4.05	154.653	5636.503	0.039	0.941
CT80	80	6.18	173.314	8472.856	0.022	0.791
CT100	100	7.21	214.678	9494.583	0.023	0.784

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η_{V} = \frac{V}{V_{0}} \times 100 %

(1)

ζ = 365 \times \frac{d}{t} \times 10^{- 3}

(2)

式中，V₀和V为扫描区域腐蚀前后的体积 (mm³)；t为腐蚀周期 (d)。

根据表1和2统计结果，得到了Q690钢试件腐蚀面积、蚀坑尺寸与腐蚀时间的关系分别如图3和4所示，t-η_v -η_s拟合曲面如图5所示。

图3

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图3 腐蚀面积与腐蚀时间拟合关系

Fig.3 Fitting relationship between corrosion area and corrosion time

图4

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图4 蚀坑尺寸与腐蚀时间关系

Fig.4 Relationship between pit size and corrosion time (a) d-t relationship; (b) w-t relationship; (c) d/w-t relationship

图5

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图5 Q690钢试样t-η_v-η_s关系曲面

Fig.5 t-η_v-η_s relationship surface of Q690 steel

根据图3和4可知，材料的腐蚀损伤面积与室内加速周期呈线性递增，在实验初期产生的损伤腐蚀程度相对偏弱，此时主要沿着板材深度方向延伸，表面分布大量针尖状形貌点蚀物，实测深度平均值约为127.147 μm；随着腐蚀实验持续进行，沿着深度方向的腐蚀扩展幅度降低，水平方向腐蚀速率明显要高于纵向，主要是由于板材表面分布大量致密堆积产物，抑制氧化性介质与基体内部发生反应，试件表面的点蚀形貌向坑蚀逐渐过渡，腐蚀损伤区域的表面积增加，导致深宽比快速减小；其中，腐蚀周期为100 d时，测得蚀坑平均深度、平均宽度相对腐蚀20 d后的增加68.8%、6.73。

由图5可得，随着腐蚀周期增加，Q690钢试件的实测质量损失率η_s与体积损失率η_v 均在快速增大^[2]，但是拟合关系曲面上升趋势逐渐变缓，表明在腐蚀后期时，材料的损伤累积增幅相比于初始阶段有所减弱，锈蚀堆积层能够有效提高基体耐久性；此外，根据表2汇总不同腐蚀周期实测结果，得到了室内平均腐蚀深度速率为1.263 mm/a，而实际海洋环境浪溅区的金属材料腐蚀速率一般介于0.30~0.50 mm/a，部分海域最大实测值约为1.0 mm/a，可知所选方案具有较好适用性^[20]，能够用于研究海洋环境浪溅区国产高强钢材的腐蚀行为和损伤机理。

3 结论

(1) 在腐蚀初期，高强钢材固有金属色泽变暗，当损伤程度加剧时，生成物逐渐增多，并且包裹板材表面，此时腐蚀过程开始向坑蚀过渡，在试验后期，表面分布层状堆积产物，局部区域存在腐蚀剥离现象。

(2) 通过微观扫描结果可知，起始阶段以针状点蚀形貌分布为主，随着腐蚀周期增加时，表面微观形貌分布起伏差异较大，伴有蚀坑生成；此外，产物堆积可抑制氧化活性介质作用，减缓材料自身的腐蚀速率。其中，当周期100 d后，实测体积损失率和蚀坑平均深度约为1.38%、214.678 μm。

(3) 根据室内加速腐蚀试验结果表明，所选方案能够用于海洋环境高强钢耐久性研究，可为相关工程结构设计指导及实际应用提供科学依据。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

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