海洋大气中30CrMnSiNi2A钢接触腐蚀疲劳性能研究＊

上官晓峰，姜 松，王晴晴

（西安工业大学 材料与化工学院，西安710021）

我国航空工业中广泛使用的中碳低合金超高强度钢，具有较高的强度、塑性和韧性及良好的抗疲劳和抗应力腐蚀性能，主要用于制造飞机起落架、机翼大梁等受力结构件．该钢在30CrMnSiNiA钢基础上提高了Mn和Cr的含量，添加了1．40%～1．80%的Ni，使其淬透性得到明显地提高，改善了该钢的韧性和抗回火稳定性［1］．其对腐蚀环境比较敏感，易产生腐蚀，特别是关键承力结构，一旦出现腐蚀失效将会严重威胁飞行安全［2］．一般采用电化学的方法，根据电偶电流密度的大小来判定在腐蚀环境中异种金属接触产生电偶腐蚀的敏感性．这种方法的优点是快速，由于在试验溶液中进行，与实际情况差异较大．因此，有必要进行接近服役环境的大气暴晒试验．

文献［3］等将涂漆的30CrMnSiNi2A高强度结构钢机翼主梁在海南暴晒后，得出腐蚀及腐蚀与疲劳交替作用会引起其疲劳寿命明显降低．文献［4］等将在大气腐蚀环境中长期放置1～15年的30CrMnSiNi2A钢进行疲劳试验绘得疲劳曲线．文献［5］等研究了TA15钛合金与不同表面处理的30CrMnSiA钢接触后，在海南万宁大气试验站大气暴露3年的腐蚀情况．文献［6］等人研究了30CrMnSiA钢在北京地区的大气腐蚀的动力学规律和腐蚀特征．文献［7］等分析了五种常用类型的不锈钢在中国典型工业、海洋和乡村大气环境下、大气暴晒12年的腐蚀状况，结果表明，在万宁和青岛两地区不锈钢的腐蚀速率最高，这主要是由于万宁和青岛两地区属于海洋性气候，大气中含有高含量的Cl离子．

国外的很多研究都集中于大气腐蚀初期阶段的腐蚀行为，因为在金属基体和环境之间形成一层初期腐蚀产物，这一层产物将影响金属后续的腐蚀情况．如一些学者研究了钢铁在含有氯化物和酸性雾气中的潮湿气体中的腐蚀产物以及在大气腐蚀环境下的锈层形成机制［8-11］，另外高吸湿性盐分的存在，如NaCl、NH4Cl，对钢的腐蚀成因起着重要作用［12］．由于30CrMnSiNi2A钢与 TC18钛合金的大气接触腐蚀尚无报导，文中针对此问题探讨了海洋大气环境下30CrMnSiNi2A钢与TC18钛合金的接触腐蚀疲劳性能．

1 试验方法

1．1 试验材料

试验所用的材料为TC18钛合金和30CrMnSiNi2A钢，其质量分数分别见表1～2．

由于钛合金的电位较正，当TC18钛合金和30CrMnSiNi2A钢在电解液里接触后会引起30CrMnSiNi2A钢的加速腐蚀．在之前的接触腐蚀研究中［13］，得出磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢与阳极化处理后的TC18钛合金接触所得到的电偶腐蚀电流最小，将此材料用于盐雾试验中得出磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢无论胶结装配与否，腐蚀都较轻．因此，本次大气暴露试验的材料采用这种处理方式，即30CrMnSiNi2A钢化学磷化后喷涂漆层（先喷H06-D锌黄底漆，再喷13-2丙烯酸聚氨酯面漆），TC18钛合金表面进行硫酸阳极化处理．两种材料的连接方式为不装配和胶结装配，如图1所示．

1．2 海洋大气环境暴晒试验

海洋大气环境暴露试验分别在海南万宁和青岛团岛的大气环境试验站进行．其中海南万宁地理位置约为东经110°，北纬18°，远离大陆，总的来看年平均气温高，相对湿度大，雨水充沛，日照时间长，属于热带湿润区海洋气候，是我国海洋大气环境腐蚀较严重的地区．该地区主要以自然农业为主，大气较清洁，污染因素较少．团岛大气环境试验站地处青岛市西南端，属亚热带半湿润海洋性气候，昼夜温差教大，污染成分的含量较高．海南万宁和青岛团岛试验站大气环境特征参数［14-15］见表3．

表1 TC18钛合金化学成分Tab．1 Chemical composition of TC18titanium alloy

表2 30CrMnSiNi2A钢化学成分Tab．2 Chemical composition of 30CrMnSiNi2Asteel

图1 材料连接方式Fig．1 Material connection

不同连接方式的30CrMnSiNi2A钢试样分别放置在海南和青岛的海边大气试验站暴露1年．暴露架为铝合金制，样品用瓷柱从边部固定于架上，样品与水平面成45度角，上表面朝向南方（朝阳）．暴晒场的地面为草坪，附近没有影响风雨及阳光的屏蔽物，样品或架子上的雨水也不会流到其他样品上．试验周期为1年．记录暴晒试样的表面腐蚀形貌、腐蚀类型和程度，并利用相机拍摄试样的宏观腐蚀形貌．依据文献［13］中 DFR方法计算出30CrMnSiNi2A钢在疲劳寿命为105周次时所对应的应力值763．244MPa，在室温下，以此应力为最大加载应力，在应力比R＝0．1、试验频率为10 Hz的条件下分别测得在海南和青岛大气暴晒后这种超高强度钢的疲劳寿命．试验设备为100kN微机控制电液伺服疲劳试验机（PLD-100）．将疲劳断口保护好，从距断口10mm处锯下，在扫描电子显微镜（FEIQUANTA-400）下观察试样的断口形貌．之后将小块镶在牙托粉里，断口邻边粗磨、细磨直至抛光，在光学显微镜（NEOPHOT-30）下观察腐蚀深度．

表3 海南万宁和青岛团岛试验站大气环境特征参数表Tab．3 Atmospheric environment characteristics of Wanning and Tuandao test station

2 试验结果及分析

2．1 疲劳试验数据及分析

以763．244MPa为最大应力值，应力比R＝0．1，测试波形为正弦波，频率为10Hz，在常温下测试30CrMnSiNi2A钢海洋大气暴晒试样的疲劳寿命，得到数据见表4．将疲劳寿命数据依据肖维那法［16］进行取舍，步骤为

① 计算数据的疲劳寿命平均值，标准差S．

② 计算可疑数据的偏差与标准差的比值．

式中：Xi为可疑数据；di为可疑数据以及平均值的偏差．

③ 查肖维那表中相应d／S的值，得n＝5时，d／S＝1．64．

④判定可疑数据取舍．

根据以上取舍原则筛选疲劳数据，经分析表4的数据可靠，没有可疑数据．（编号规则：“P1”代表青岛，“P2”代表海南；“1-4”～“1-8”代表不装配，“2-4”～“2-8”代表胶结装配）

计算出每组试样疲劳寿命的平均值，见表5．

表4 30CrMnSiNi2A钢疲劳寿命试验数据Tab．4 Fatigue test data of 30CrMnSiNi2-A steel

表5 疲劳试验数据平均值Tab．5 Average data of fatigue tests

用t检验法研究不同接触状态海洋大气暴晒试件的疲劳寿命与105周次差别，由于对数疲劳寿命近似服从正态分布，因此对30CrMnSiNi2A钢试样的对数疲劳寿命进行t检验分析，其统计量为

从表5可以得出，30CrMnSiNi2A钢暴晒试样的疲劳寿命都保持在105周次，并没有数量级的降低，从表6也可分析出无论将磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢暴晒在青岛还是海南，其疲劳寿命与105周次相比没有显著性差异，说明磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢可有效防止海洋大气环境的腐蚀，另外，胶结装配也并没有使其疲劳寿命的数量级降低，表明胶结也可在一定程度上防止电偶腐蚀的发生．从表5的平均寿命和表6的安全寿命来看，海南试样的寿命均低于青岛试样的寿命．图2和图3分别为30CrMnSiNi2A钢的宏观表面腐蚀形貌和微观腐蚀深度图．

从图2～3可明显观察出30CrMnSiNi2A钢的试样无论暴晒在青岛还是海南，装配与否，其腐蚀都很轻微，对疲劳寿命没有明显影响．暴晒在海南的30CrMnSiNi2A钢涂漆试样比暴晒在青岛的腐蚀稍微严重，且腐蚀以点蚀为主，海南试样的腐蚀深度大，使得海南试样的疲劳寿命均值和安全寿命均低于青岛的．这主要是由于海南万宁站属于高湿环境，年平均相对湿度为87%，全年几乎都处于临界湿度以上，年润湿时数长，为金属的电化学腐蚀提供了充分的条件，海南万宁站属于典型的海洋性大气环境，空气中富有的海盐离子大大加快了金属的腐蚀速度，特别是Cl-是引起钢点蚀的重要因素．30CrMnSiNi2A钢具有良好的抗疲劳性能，使其寿命并没有低于105周次．这与表5和表6的结论一致．磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢之所以会发生腐蚀，是由于磷化层和漆层都是多孔层，当电解液覆盖在材料上时，部分离子（特别是半径很小的Cl-）会从微孔渗入，腐蚀30CrMnSiNi2A钢．从图2中看出装配试样在胶结连接处并没有腐蚀的痕迹，表明漆层和胶层由于电阻很大，都可有效防止30CrMnSiNi2A钢与TC18钛合金因接触而发生的电偶腐蚀．

表6 t检验结果Tab．6 t test results

图2 30CrMnSiNi2A钢的宏观表面腐蚀形貌Fig．2 Macro corrosion figure of 30CrMnSiNi2Asteel

图3 30CrMnSiNi2A钢的微观腐蚀深度（×200）Fig．3 Micro corrosion depth of 30CrMnSiNi2Asteel（×200）

2．2 疲劳断口微观形貌分析

30CrMnSiNi2A钢暴晒试样的疲劳源形貌如图4所示，使用能谱分析仪检测疲劳源的成分，见表7～8．从图4中可以看出疲劳源区在试样表面形成，漆层很好地保护了30CrMnSiNi2A钢，使其表面并没有产生大量的腐蚀产物，因此在海洋大气环境下磷化涂漆的30CrMnSiNi2A钢的疲劳寿命并没有受到显著影响．从表7～8对比也可得出暴晒1年试样中表面成分变化不大，说明没有发生明显的腐蚀．表8中图谱3出现反常，可能是材料内部存在缺陷．综上所述可知这种防护措施能很好地保护30CrMnSiNi2A钢在海洋大气环境下的接触腐蚀和大气腐蚀．

图5为30CrMnSiNi2A钢盐雾腐蚀胶结装配试样的疲劳源形貌．图5与图3相比，发现盐雾腐蚀试样表面腐蚀坑明显比海洋大气腐蚀试样大且深，使得其疲劳寿命略低于海洋大气暴晒试样的疲劳寿命．这是由于盐雾试验使得材料一直长时间处于NaCl盐溶液的润湿状态，而海洋大气暴晒试验由于太阳的直射和高温，使材料处于干湿交替的状态．由此可知，盐雾试验并不能完全代替材料在海洋大气环境下的真实腐蚀情况．海洋大气暴晒和盐雾对30CrMnSiNi2A钢疲劳源的影响程度不太相同，两者对材料的疲劳扩展区和瞬断区形貌并没有影响．

表7 暴晒1后年青岛试样的成分（ω／%）Tab．7 Composition of samples exposed for 1year in Qingdao（ω／%）

图4 30CrMnSiNi2A钢疲劳源形貌Fig．4 Fracture morphology of 30CrMnSiNi2Asteel

表8 暴晒1后年海南试样的成分（ω／%）Tab．8 Composition of samples exposed for 1year in Hainan（ω／%）

图5 30CrMnSiNi2A钢盐雾腐蚀胶结装配试样的疲劳源形貌Fig．5 Fracture morphology of salt spray corrosion cementation samples of 30CrMnSiNi2Asteel

图6是30CrMnSiNi2A钢疲劳扩展区和瞬断区的形貌图．从图6可以观察到30CrMnSiNi2A钢的疲劳条带短窄而紊乱，不符合细密且整齐的韧性断裂特征，符合典型的脆性断裂特征．还可以看到明显的二次裂纹，图6（a）是由于材料的强度高，塑性差，即裂纹局部瞬时前沿线的微观塑性差，不能靠塑性变形来降低能量，靠增加二次裂纹的界面能来消耗能量．瞬断区的典型特征是韧窝．因第二相粒子与基体塑性变形不协调而产生分离，导致了在第二相质点处微孔形核，微孔形核长大和聚合在断口上留下的痕迹，即大小不等的韧窝．有韧窝的存在并不代表材料的断裂就是韧性断裂，因为材料在宏观上为脆性断裂的方式，材料的某些局部区域也有可能发生塑性变形，在微观形态上会观察到韧窝的存在．

图6 30CrMnSiNi2A钢疲劳扩展区和瞬断区的形貌图Fig．6 Fracture morphology of extended area and transient fault zone of 30CrMnSiNi2Asteel

3 结 论

1）磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢暴晒在海南和青岛，与TC18钛合金装配与否，试样的腐蚀都很轻微，以点蚀形式为主，海南的试样比青岛的试样腐蚀略微严重．

2）从平均疲劳寿命、安全寿命和概率统计t检验均可得出海洋大气腐蚀对磷化后涂漆的30CrMnSiNi2A钢的疲劳寿命没有影响；磷化层和涂漆层可有效防止海洋大气腐蚀和接触腐蚀．

3）海洋大气暴晒试样和盐雾腐蚀试样相比，材料的表面都会发生腐蚀，腐蚀程度不同，都对疲劳源区产生影响，而对疲劳扩展区和瞬断区的微观形貌没有影响，30CrMnSiNi2A钢的扩展区特征形貌为疲劳条带，瞬断区的特征形貌为韧窝．

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