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電偶腐蝕方法研究裂尖金屬的陽極溶解

2014-08-14 13:45:52 作者：本站整理來源：

崔中雨，劉智勇，杜翠薇，李曉剛^*
北京科技大學腐蝕與防護中心，北京 100083

　　摘要：管線鋼的應力腐蝕開裂（SCC）及腐蝕疲勞（CF）一直是威脅管線鋼安全服役的危險失效形式。管線鋼在開裂過程中，裂尖區域的力學化學特征與外部區域有明顯的不同。首先，由于閉塞效應，裂尖陽極溶解產生的Fe2+不易向外擴散。Fe2+的水解會產生大量H+從而使裂尖介質的pH值降低。Ateya等發現，低合金鋼由于裂尖酸化pH值可達到3.5~3.8。另外，裂尖區域會產生明顯的應力集中，與此同時，裂尖區域會發生明顯的塑性變形進而形成一個高應變區。在管線鋼開裂過程中，局部高應變區會產生較高的裂尖應變速率，從而加速裂尖鈍化膜的破壞、裂尖新鮮金屬表面的陽極溶解及裂尖氫原子的吸附過程。因此研究高應變速率裂尖金屬的陽極溶解對理解管線鋼應力腐蝕及腐蝕疲勞行為具有重要的意義。

　　本文采用研究電偶腐蝕的方法，將小面積的拉伸試樣（模擬裂尖，陽極）與大面積的空載試樣（模擬裂紋壁，陰極）進行耦接，在拉伸過程中測試二者之間的電偶電流。試驗裝置如圖1所示。試驗使用pH值調節為4.0的NS4溶液（醋酸調節pH值，持續通入N2）模擬裂尖酸性環境，應變速率選擇1?10-5~1?10-3s-1之間的六個應變速率模擬管線鋼發生SCC及CF時的裂尖應變速率。通過測試快速加載試樣和空載試樣之間的電偶電流，研究裂尖金屬由于快速變形導致的陽極溶解。圖2為應變速率為1?10-3s-1時的電偶電流示意圖。研究結果表明，電偶電流的變化分為三個階段。在彈性區，電偶電流幾乎不發生變化。當管線鋼發生塑性變形時，電偶電流隨著時間的延長呈線性增加。而當材料發生頸縮后，由于暴露面積的變化，電偶電流變化不再考慮通過對電偶電流變化過程進行分析表明，在特定應變速率下，電偶電流與材料的塑性應變量呈線性關系。而拉伸過程中塑性變形導致的電流增量與應變速率的對數呈線性關系。

　　近中性pH環境中，管線鋼的SCC及CF一般認為由陽極溶解和氫致開裂共同控制。本研究表明，裂尖高應變及應變速率會加速裂尖的陽極溶解過程，從而促進裂紋擴展。但是，陽極溶解在其中的作用還需要進一步的量化。接下來工作將會關注陽極溶解與裂紋擴展速率之間的關系，以期進一步認識管線鋼近中性pH環境中SCC及CF的機理。

圖1 實驗裝置示意圖圖2 電偶電流示意圖