Page 62 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 孙士斌, 等: 新型极地船用钢在模拟低温海水中的磨损-腐蚀耦合作用研究 617

表 2 两种热处理钢样的力学性能参数表 2 结果与讨论
Table 2 Mechanical properties of the heat-treated steels
2.1 微观组织
Sample R eh /MPa R m /MPa A/%
N 329 493 30 试验使用的新型低温船用钢中加入C、Mn、Ni、
QT 534 611 24
Cu和Cr等合金元素皆为奥氏体稳定化元素. 其中，
C质量分数控制在0.11%是为了避免恶化钢板的焊接
D级钢用于极地船舶建造.
性能，以及保证处理后残余奥氏体的稳定性；加入
1.2 试验方法
Mn元素主要为了促进晶粒细化；加入Si一方面为了提
抛光处理后的钢样使用4%硝酸+96%无水乙醇
高钢的强度，另一方面为了提高奥氏体的稳定性，适
(体积分数)金相腐蚀液刻蚀后进行金相组织观察. 使
当提高Si含量也与部分国外低温钢元素设计原则相
用Bruker Contour GT-1白光干涉仪对试样磨损试验后
符；Cr、Mo和Cu等合金元素的添加主要是起到固溶强
的磨痕轮廓进行测量，使用CXS-5TAH-118 340扫描电
化的作用，同时进一步提升钢板的强度和低温韧性.
子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)观察试
图2(a)显示TMCP轧制钢典型F+P组织转变为由
样表面形貌.
类似Q-P-T钢的位错型马氏体+残余奥氏体组织组成，
利用图1所示的UMT-3 TriboLab多功能摩擦磨损
试验机与EZstat-pro电化学工作站结合的装置进行磨 保证钢样在低温环境下能够具有很高的屈服强度和
损-腐蚀耦合试验. 试验选用的摩擦对偶为Al O 球 抗拉强度 [18-21] . 两种热处理之后钢样的微观组织如
3
2
(φ=8 mm)，对摩方式是球面接触摩擦，往复运动距离 图2(b~c)所示，其中图2(b)为经过正火处理的低碳钢
为3 mm，频率为2 Hz，载荷16 N，测试周期为30 min. 10CrMn2NiSiCu微观组织形貌，可以观察到材料微观
电化学测量系统采用三电极体系，对电极为铂丝电 组织以黑色多边形铁素体为主，沿轧制方向分布白色
极，参比电极为Ag/AgCl电极，工作电极为经过两种不 片状珠光体. 经过正火处理，钢材的带状组织被明显
同热处理后的钢样，电位扫描范围为-300~500 mV(VS 弱化，内部组织相对均匀，晶粒得到细化，韧性得到一
OCP)，扫描速率为0.5 mV/S. 环境介质为按照ASTM 定提高；图2(c)为经过调质处理的10CrMn2NiSiCu低
D1141-98标准配置的3.5%NaCl模拟海水，环境温度为 碳钢微观组织形貌，可以看出经过处理晶粒得到大幅
5±1 ℃，由UMT-3 TriboLab试验机配套低温模块提供. 细化，微观组织也发生了很大的改变.
另外，试验中分别选用阴极保护电位(-0.8 V)、钢样开 2.2 开路电位
路电位及加速腐蚀电位(-0.4 V)作为外加电位，研究不 图3是两种热处理钢样在静止浸泡及摩擦过程中
同腐蚀条件下的磨损-腐蚀耦合作用. 开路电位的变化曲线. 由静止浸泡时的曲线可知钢样
在对摩试验开始前对钢样进行30 min的浸泡测量 的开路电位在−0.60 V左右，说明这两种热处理工艺在
并保证开路电位稳定. 对不同外加电位下，对摩过程 明显提升钢材低温和常温力学性能的基础上，也保证
中的腐蚀电流、摩擦系数进行采集，并通过磨损前后 了钢材原有的耐蚀性. 另外，在低温海水中与氧化铝
样品的开路电位和极化曲线进行材料腐蚀电化学机
磨头对摩过程中，两种钢的开路电位均随着浸泡时间
理分析.
延长逐渐负移，经过1 800 s对摩试验后，正火处理后
钢样和调质处理后钢样的开路电位基本稳定在−0.65
Grinding column
和−0.70 V左右，较对摩前发生了明显的负移，说明两
Reference electrode
种钢样的腐蚀倾向均较普通浸泡情况增大，证明了磨
Counter electrode
损-腐蚀耦合作用的发生，这也和Elina Huttunen-Saarivir
[22]
等 的研究结果相同. 研究结果也表明正火处理后的
Grinding head
Sample 钢样在低温海水浸泡及低温对摩过程中的开路电位
[23]
均要比调整处理钢正移，说明其耐蚀性更高 .
2.3 极化曲线
3.5% sodium
chloride solution
Working 图4所示为两种热处理钢对摩试验前后测得的极
electrode
化曲线. 通过极化曲线图可以看出两种热处理钢在低
Fig. 1 Schematic of the setup for the tribocorrosion test
图 1 摩擦腐蚀测试装置示意图 温海水浸泡时，均有明显的阳极钝化现象，证明热处