文章摘要:海洋工程用钢具有良好的机械性能和抗腐蚀能力,但由于脱氧工艺不同且合金成分体系存在差异,钢材内部形成了不同类型的非金属夹杂物。钢中夹杂物与钢基体的物理化学性质和电化学性能存在较大差异,在严酷的海洋服役环境中极易引发局部腐蚀。根据夹杂物诱发局部腐蚀能力的差异,可将其分为活性夹杂物和非活性夹杂物。在活性夹杂物诱发局部腐蚀的过程中,基于夹杂物自身化学性质的差异,可分为两类:（1）自身溶解型夹杂物,如MnS、CaS、RE₂O₂S;（2）诱发基体溶解型夹杂物,如Al₂O₃、TiN、（Zr,Ti,Al）-O_x、（Ca,Mg,Al）-O_x。第一类活性夹杂物自身化学活性较高,优先溶解后成为局部腐蚀的萌生点。第二类活性夹杂物不会优先发生溶解,其本身的热膨胀系数、杨氏模量等物理性质与钢基体差异较大,在钢液冷却和轧制过程中夹杂物和基体界面处易产生晶格畸变、微裂隙等缺陷,缺陷位置的钢基体在海洋环境中优先溶解,导致了局部腐蚀的引发。非活性夹杂物的组成一般与第二类活性夹杂物相似,自身不发生溶解,但热膨胀系数等物理性质与基体相近,夹杂物和基体界面处不易产生缺陷,因此不具备诱发局部腐蚀的能力。本研究结合第一性原理计算模拟和高灵敏原位测试技术,如扫描电子显微/X射线能谱仪（SEM/EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、扫描振动电极技术（SVET）等,针对海洋工程用钢中不同类型的活性/非活性夹杂物诱发局部腐蚀的行为进行了研究。实验结果表明:稀土元素的添加可以球化细化并改性Al₂O₃和（Zr,Ti,Al）-O_x等夹杂物,使其转化成为活性较高的RE₂O₂S-REAlO₃和RE₂O₂S-RE_xZr_yO_z等复合夹杂物,RE₂O₂S优先溶解引发局部腐蚀,随后点蚀坑内pH值降低,进而导致REAlO₃和RE_xZr_yO_z的进一步溶解。夹杂物完全溶解后,钢表面形成稳定的点蚀坑,局部腐蚀扩散速率降低。钙镁处理同样可以球化并改性Al₂O₃夹杂物,使其转化成不同成分的（Ca,Mg,Al）-O_x-Sy复合夹杂物,其中锡酸酸钙组分中不同的CaO/Al₂O₃比值界定了活性和非活性夹杂物。活性夹杂物中的CaO·2Al₂O₃和CaO·Al₂O₃在夹杂物与基体界面处诱发的残余应力大于钢基体的压缩屈服强度,形成的塑性变形区易于诱发局部腐蚀,促进基体溶解并形成微裂隙,随后裂隙内部的自催化酸化反应促进了局部腐蚀的扩展。基于以上研究,初步建立了海洋工程用钢中活性/非活性夹杂物的鉴定标准:利用残余应力计算模型,计算不溶解型夹杂物在夹杂物与基体界面处诱发的残余应力值。如果大于钢材的压缩屈服强度,则认为是活性夹杂物;如果小于钢材的压缩屈服强度,则认为是非活性夹杂物。

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论文DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.028223

论文分类号:TG172