鐵路貨車車體用耐候鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能研究

根據(jù)古特曼的力學-化學效應(yīng)理論可知，不同形變金屬的化學位不同，形變過程中形成的位錯決定了化學位。位錯對形變能有主要貢獻，位錯密度與塑性變形程度的關(guān)系幾乎是線性的，大量位錯塞積會導(dǎo)致形變強化，位錯塞積群的形成和形變強化對金屬的力學-化學活性起著決定性作用。試樣應(yīng)變量越大，位錯越多，金屬中貯存的能量就越多，其電化學活性就越高。

理論上在宏觀彈性變形范圍內(nèi)，平衡電位的變化與彈性變形有關(guān)，彈性應(yīng)力會使材料的平衡電位發(fā)生負移。若材料發(fā)生塑性形變，材料電極電位的改變與位錯的塞積群有關(guān)，而塑性變形往往伴隨彈性變形。一般對鋼鐵而言，無論塑性變形還是彈性變形，可根據(jù)施加應(yīng)力、位錯數(shù)和材料形變強化程度的變化來討論電極電位的變化。

四點彎曲試驗

對兩種車體用鋼材料Q450NQR1和S500AW試樣進行四點彎曲試驗，加載裝置如圖1所示。將試樣放置在彎曲試驗夾具中，形成簡支梁的形式，支撐試樣的兩個下支撐點間的距離視試樣長度可調(diào)，試樣上方有兩個對稱的加載點。

將已加載的車體鋼試樣放置于試驗溶液中浸泡，試驗后用10倍放大鏡觀察兩種試樣的工作面是否有裂紋，以此判斷其抗應(yīng)力腐蝕性能。同時，對受拉伸表面腐蝕產(chǎn)物銹層與非受拉表面腐蝕產(chǎn)物銹層的附著情況進行記錄，判斷在受力的情況下，腐蝕產(chǎn)物銹層的附著狀態(tài)。

試樣尺寸為115mm×10mm×4mm，試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃，加載為實測屈服強度(YS)的50%?70%?90%，試驗總時長為720小時。

在不同載荷下加載相同時間后，觀察兩種試樣的表面，均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。

為進一步研究試樣的抗應(yīng)力腐蝕敏感性，檢測三種載荷下，試樣開路電位隨浸泡時間的變化曲線，采用Gamry1000型電化學工作站進行電化學測試，選用三電極體系，試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。由于兩內(nèi)支點中間位置處，試樣相對受力較大，故選取兩內(nèi)支點中間位置進行測試。試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃。

兩種試樣在加載50%YS條件下的開路電位最高;提高加載后，開路電位明顯變負，但當加載為90%YS時，Q450NQR1試樣的開路電位正移，而S500AW試樣的開路電位基本不變。

這可能是因為隨著加載從50%YS提高至70%YS，ΔP(固相中剩余壓力的絕對值或施加應(yīng)力)增加，電位負移，當提高加載至90%YS，雖然ΔP同樣增加，但此時位錯開始移動，預(yù)先存在的位錯群部分溶解，使nΔτ(n為塞積群中的位錯數(shù)，Δτ為材料形變強化程度)減少，導(dǎo)致電位正移，因此最終導(dǎo)致開路電位正移或基本保持不變。

U型彎曲試驗

對試樣進行U型彎曲應(yīng)力腐蝕試驗，加載裝置如圖3所示。試樣通過萬能試驗機彎曲180°緊固后浸泡在溶液中，定期觀察試樣彎曲部位是否發(fā)生裂紋。

試樣尺寸為100mm×9mm×3mm，試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3，試驗溫度為45℃，浸泡時間為720小時，壓頭直徑為30mm。

經(jīng)過720小時U彎腐蝕試驗后，采用10倍放大鏡觀察兩種試樣的彎曲處，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

采用Garmy1000型電化學工作站進行電化學測試，記錄試樣開路電位隨浸泡時間變化的曲線。通過應(yīng)力腐蝕和電化學測試的耦合疊加，用電化學參數(shù)指標來分析應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

隨著浸泡時間的延長，兩種試樣的開路電位均逐漸負移，隨后趨于穩(wěn)定。這主要是由于隨著應(yīng)變量的增加，彈/塑性變形增加了兩種材料的電化學活性，加劇了金屬的陽極溶解，導(dǎo)致電位變負。隨著腐蝕時間的延長，兩種試樣表面逐漸生成腐蝕產(chǎn)物膜，電位逐漸趨于穩(wěn)定，即在外力條件下，腐蝕產(chǎn)物膜對基體具有一定的保護作用。由于兩種材料均屬于車體鋼，元素組成相差不大，故在同種環(huán)境中，二者開路電位相差較小。

慢應(yīng)變速率試驗

慢應(yīng)變速率試驗是檢測金屬材料抗應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的一種經(jīng)濟有效的試驗方法。通過對試樣加載軸向應(yīng)力，并在拉伸過程中進行電化學測試來檢測金屬材料的表面電化學行為，分析材料的耐應(yīng)力腐蝕性能。

試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃，試樣尺寸為120mm×20mm×3mm，標距L0為25mm。

結(jié)合電化學測試，測試材料開路電位隨浸泡時間的變化曲線，通過應(yīng)力腐蝕和電化學測試的耦合疊加，分析動態(tài)力學載荷下力學化學交互作用的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

S500AW試樣屈服后的塑性變形區(qū)域及彈性變形區(qū)域高于Q450NQR1試樣，說明Q450NQR1試樣在0.01mol/L NaHSO3溶液中具有應(yīng)力腐蝕敏感性。

兩種試樣的開路電位均隨著拉伸試驗的進行呈現(xiàn)先負后正最后逐漸穩(wěn)定的趨勢，且其最終穩(wěn)定電位高于起始電位。原因可能是：在初始階段，隨應(yīng)變量的增加，ΔP增大，同時少量位錯開始移動，預(yù)先存在的位錯群部分溶解，使nΔτ減少，但是ΔP的增加程度大于nΔτ的減少程度，所以電位值負向移動;但是隨著拉伸的進行，試樣表面開始生成腐蝕產(chǎn)物膜，結(jié)合開路電位曲線可知，隨著腐蝕時間的延長，兩種材料的開路電位逐漸趨于穩(wěn)定，說明該產(chǎn)物膜的生成會阻滯陽極反應(yīng)的進行，對基體起到一定的保護作用，最終導(dǎo)致開路電位正移并趨于穩(wěn)定。