电偶腐蚀方法研究裂尖金属的阳极溶解

2014-08-14 13:45:52 作者：本站整理来源：

崔中雨，刘智勇，杜翠薇，李晓刚^*
北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083

　　摘要：管线钢的应力腐蚀开裂（SCC）及腐蚀疲劳（CF）一直是威胁管线钢安全服役的危险失效形式。管线钢在开裂过程中，裂尖区域的力学化学特征与外部区域有明显的不同。首先，由于闭塞效应，裂尖阳极溶解产生的Fe2+不易向外扩散。Fe2+的水解会产生大量H+从而使裂尖介质的pH值降低。Ateya等发现，低合金钢由于裂尖酸化pH值可达到3.5~3.8。另外，裂尖区域会产生明显的应力集中，与此同时，裂尖区域会发生明显的塑性变形进而形成一个高应变区。在管线钢开裂过程中，局部高应变区会产生较高的裂尖应变速率，从而加速裂尖钝化膜的破坏、裂尖新鲜金属表面的阳极溶解及裂尖氢原子的吸附过程。因此研究高应变速率裂尖金属的阳极溶解对理解管线钢应力腐蚀及腐蚀疲劳行为具有重要的意义。

　　本文采用研究电偶腐蚀的方法，将小面积的拉伸试样（模拟裂尖，阳极）与大面积的空载试样（模拟裂纹壁，阴极）进行耦接，在拉伸过程中测试二者之间的电偶电流。试验装置如图1所示。试验使用pH值调节为4.0的NS4溶液（醋酸调节pH值，持续通入N2）模拟裂尖酸性环境，应变速率选择1?10-5~1?10-3s-1之间的六个应变速率模拟管线钢发生SCC及CF时的裂尖应变速率。通过测试快速加载试样和空载试样之间的电偶电流，研究裂尖金属由于快速变形导致的阳极溶解。图2为应变速率为1?10-3s-1时的电偶电流示意图。研究结果表明，电偶电流的变化分为三个阶段。在弹性区，电偶电流几乎不发生变化。当管线钢发生塑性变形时，电偶电流随着时间的延长呈线性增加。而当材料发生颈缩后，由于暴露面积的变化，电偶电流变化不再考虑通过对电偶电流变化过程进行分析表明，在特定应变速率下，电偶电流与材料的塑性应变量呈线性关系。而拉伸过程中塑性变形导致的电流增量与应变速率的对数呈线性关系。

　　近中性pH环境中，管线钢的SCC及CF一般认为由阳极溶解和氢致开裂共同控制。本研究表明，裂尖高应变及应变速率会加速裂尖的阳极溶解过程，从而促进裂纹扩展。但是，阳极溶解在其中的作用还需要进一步的量化。接下来工作将会关注阳极溶解与裂纹扩展速率之间的关系，以期进一步认识管线钢近中性pH环境中SCC及CF的机理。

图1 实验装置示意图图2 电偶电流示意图