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本文以经济型MnCu耐候钢为对象,研究了热加工过程中容易出现龟裂现象的原因和预防措施;研究了硫化物夹杂对耐蚀性的影响。由于耐候钢构件往往是在应力作用下服役的,本文还系统研究了疲劳载荷对耐候钢锈层稳定性的影响。对于这些问题的研究在文献中很少报道,但对新型低成本耐候钢的开发和应用具有重要的意义。
针对MnCu耐候钢在生产过程中出现的龟裂问题,设计了在空气中及还原气氛中的高温保温实验,研究了Cu在龟裂部位的偏析和富集现象。结果表明,MnCu耐候钢在空气中的高温氧化增重符合抛物线规律,具有高温抗氧化性。钢的氧化速率随温度的升高而增大,Cu元素沿晶界渗透速率随着温度升高而增大。当保温温度低于1150℃时,Cu元素沿奥氏体的晶界渗透速率大于钢的内氧化速率;当保温温度高于1200℃时,Cu元素沿奥氏体的晶界渗透速率小于钢的内氧化速率。高温保温后Cu在珠光体及铁素体中的含量都有所降低,表明有更多的Cu通过扩散进入了晶界及基体/氧化皮界面。而在1260℃保温过程中发生伴有铜富集的内氧化层开裂是其表面龟裂的主要原因。铜在MnCu耐候钢内氧化区的富集与钢在氧化气氛中加热时发生的脱碳也有关。在氧化气氛中高温保温处理后,脱碳引起基体/氧化皮界面附近珠光体析出数量急剧减少,导致钢对Cu的固溶能力下降,造成大量的Cu在晶界的偏聚并形成富Cu相,产生应力导致钢表面发生龟裂。
含有Mn、Cu等合金元素的铸态钢中形成的硫化物夹杂主要呈网状分布在晶界上。硫含量越高,钢中硫化物夹杂的数量越多。分析表明,夹杂物为MnS、FeS或(Mn,Fe)S,没有发现有CuS或Cu2S生成。经过干湿交替腐蚀后,钢的锈层主要由α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4组成;锈层形貌观察、锈层组成分析以及对带锈电极的电化学测试结果显示,增加钢中的硫含量可以提高钢在模拟海岸气候条件下(尤其在腐蚀初期)的腐蚀增重速率。由于硫化锰夹杂与钢基体间的电偶作用,较多的硫化物夹杂将促进钢的阳极溶解。而且腐蚀初期钢表面难以生成致密锈层,腐蚀难以抑制。经过长时间的腐蚀后,由于腐蚀产物逐渐转化为具有保护性的致密锈层,硫化物夹杂的影响受到抑制。在MnCu耐候钢中,因为Cu、Mn元素对锈层的协同作用,硫含量增加对钢腐蚀增重的影响也随之减少。
针对载荷对MnCu耐候钢锈层稳定性的影响,采用疲劳机对试样施加低于材料屈服强度的循环载荷,同时在模拟海岸气候条件下进行干湿交替加速腐蚀,并辅以电化学测试对耐候钢在加载腐蚀后的耐蚀性能进行了研究。结果表明,在加载应力为材料屈服强度50％的模拟环境中,当腐蚀周次较低时,加载的MnCu耐候钢比未加载的MnCu耐候钢更快地获得了稳定的锈层,并更迅速地提高了钢的抗腐蚀能力;随着腐蚀周次的增加,外锈层容易受载荷的影响产生更多裂纹,虽然导致阻抗下降,但耐候钢依然能保持住一定的耐蚀性。这是因为钢依然残留有结构良好的内锈层,对钢的耐蚀性起主要作用,阻止钢遭受进一步的腐蚀。在腐蚀相同周次时,较低的载荷(加载应力低于50%材料屈服强度)能促进MnCu耐候钢获得致密、均匀的锈层。而载荷较高(达到80%材料屈服强度)时,试样容易发生腐蚀疲劳断裂。加载腐蚀后锈的成分中没有发现α-FeOOH,锈层主要由β-FeOOH、Fe8(O,OH)16Cl1.3、γ-FeOOH和Fe3O4组成。EPMA和XRD的结果表明,MnCu耐候钢锈层具有良好的阳离子选择性,即使在发生了腐蚀疲劳开裂的试样中,锈层对氯离子向钢基体的传输依然有良好的抑制作用。