X80钢焊接接头模拟组织在05molL NaHCO3+005molL NaCl溶液中的点蚀

1X80钢焊接接头模拟组织在0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaCl溶液中的点蚀行为研究王力伟，杜翠薇，李晓刚，曾笑笑，刘智勇（北京科技大学腐蚀与防护中心教育部腐蚀与防护重点实验室，北京100083）摘要：采用热处理的方法模拟了X80管线钢焊接热影响区不同区域的劣化组织，并用动电位极化和交流阻抗谱测试方法研究了X80钢焊接接头不同模拟组织在0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaCl溶液中的腐蚀行为。实验结果表明：X80管线钢不同组织在0.5mol/LNaHCO3关键词：X80钢焊接接头；热处理；点蚀+0.05mol/LNaCl溶液中都发生了点腐蚀，原始组织（晶粒细小均匀的针状铁素体和粒状贝氏体）的耐腐蚀性能和钝化膜保护性能最好，点蚀坑尺寸最小，空冷组织由于晶粒尺寸较原始组织粗大，水淬组织由于组织不均匀以及板条贝氏体的存在耐腐蚀性较原始组织变差，点蚀坑密度变大。ThePittingCorrosionofX80SteelWeldJointSimulationMicrostructurein0.5mol/LNaHCO3WANGLiwei,DUCuiwei,LIXiaogang,ZENGXiaoxiao,LIUZhiyong+0.05mol/LNaClSolution（CorrosionandProtectionCenter,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,KeyLaboratoryofCorrosionandProtection,MinistryofEducationofChina,Beijing100083,China）Abstract:UsedtheheattreatmentmethodtosimulatetheX80pipelinesteelweldingheat-affectedzone,andstudiedthecorrosionbehaviorsofdifferentsimulationmicrostructureofX80steelweldjointwiththepotentialdynamicpolarizationandthealternating-currentimpedancespectrumtestmethodinthe0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaClsolution.Itindicatedthat:X80pipelinesteelweldjointsimulationmicrostructureexperiencedpittingcorrosioninthe0.5mol/LNaHCO3Keywords:X80steelweldjoint,Heattreatment,Pittingcorrosion+0.05mol/LNaClsolution,andthebasematerial(fine-grainedferriteandgranularkainite)exhibitedtheslightestcorrosionresistanceandthesmallestpittingcorrosion,whereasthecorrosionoftheothertwomicrostructuresisworse.X80管线钢作为西气东输二期工程的主要用钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能力，能实现大口径、高压输送，但是钢管在焊接过程中由于局部热效应造成组织恶化和性能损伤，导致焊接接头成为管线钢的基金项目：本论文受国家自然基金（项目批准号：50971016）和“中央高校基本科研业务费专项资金资助项目”（项目批准号：FRF-TP-09-029B）资助。作者简介：王力伟，女，北京科技大学材料科学与工程学院博士生，联系电话：[phone]，E-mail:[e-mail]2薄弱环节。管线钢在土壤中受到Cl-、SO42-、HCO3-和CO32-等离子的侵蚀作用发生破坏，因此研究这些离子对管线钢焊接接头的腐蚀行为、腐蚀规律的影响具有重要意义。本文采用热模拟的方式制备了焊接接头不同区域的模拟组织，并通过动电位极化和交流阻抗谱方法对不同组织在0.5mol/LNaHCO31实验方法+0.05mol/LNaCl溶液中的腐蚀行为进行比较，研究了组织对腐蚀过程的影响。选用X80管线钢作为实验材料，化学成份(质量分数，%)为：C0.036，Si0.197，Mn1.771，P0.012，S0.002，Cr0.223，Ni0.278，Cu0.220，Al0.021，Ti0.019，Mo0.184，V0.001，Nb0.110，N0.005，Fe余量。根据X80钢热影响区不同组织的形成条件制定热处理制度：将X80钢基体试样加热至1300℃保温10分钟后分别进行水淬、空冷两种不同的热处理，得到两种不同的热处理组织（分别称为水淬组织和空冷组织，X80管线钢称为原始组织）。分别制备三种组织的工作电极，面积10mm×10mm的正方形。试样背面焊引铜导线，用环氧树脂和乙二胺将试样包封在聚四氟乙烯管中。试样分别用60#、200#、400#、800#和1200#动电位极化曲线和交流阻抗谱测试由EG&G公司生产的VMP3多通道电化学工作站仪器测得，采用三电极体系，辅助电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。实验溶液为0.5mol/LNaHCO砂纸进行打磨，并用去离子水和丙酮进行冲洗，去除表面的杂物和油脂。3+0.05mol/LNaCl，测试时首先将工作电极在-1.3V下预极化3分钟，以去除工作电极表面在空气中形成的氧化膜，然后将工作电极在溶液中静置30分钟。交流阻抗谱测试频率为100KHz~10mHz，动电位极化曲线扫描速率为0.5mV/s。32实验结果和讨论2.1组织分析图1X80钢显微组织（1）原始组织；（2）水淬组织；（3）空冷组织X80管线钢的显微组织照片如图1所示，为针状铁素体和粒状贝氏体，组织细小均匀。经过热处理后的水淬组织为铁素体和板条贝氏体，空冷组织为铁素体和粒状贝氏体，铁素体晶粒较原始组织长大。2.2动电位极化曲线X80管线钢和两种焊接模拟组织在0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaCl溶液中的动电位极化曲线和实验数据拟合结果如图2和表1所示。4-5-4-3-2-1012-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6Ewe/Vvs.SCElogI/mAbasemetalwaterquenchingaircooled图2X80钢原始组织、水淬组织和空冷组织在0.5mol/LNaHCO3动电位极化曲线+0.05mol/LNaCl溶液中从图2中可以看出三种组织的极化特性相似，研究发现[1]（1）活化区.Fe(OH)材料经历四个阳极电位区间：ads和Fe(OH)2（2）前钝化区.HFeO的形成。2-、FeO22-和Fe(OH)2（3）钝化区.Fe的形成。3O4或γ-Fe2O3的形成[2~4]（4）过钝化区.FeO。42-和O2表1动电位极化曲线拟合结果的形成。组织Ecorri(mV)corr(uA/cm2I)p(uA/cm2E)pit钝化电位范围(mV)(mV)原始组织-8036.42019.9557-405~57水淬组织-8097.12725.12-48-453~-48空冷组织-8218.76635.48-78-384~-78对极化进行拟合结果如表1：（1）原始组织的开路电位Ecorr最高为-803mV，其次是水淬组织为-809mV，空冷组织最低为-821mV；（2）腐蚀电流密度按照原始组织水淬组织空冷组织的顺序上升；（3）原始组织的钝化电位区间为462mV，水淬组织为405mV，空冷组织钝化电位区间最小为306mV；（4）维钝电流密度也是按照原始组织水淬组织空冷组织的顺序上升；（5）原始组织的电位Epit最高为57mV，水淬组织较低为-48mV，空冷组织最低-78mV。综上所述细小均匀的针状铁素体和粒状贝氏体组织在0.5mol/LNaHCO32.3交流阻抗谱+0.05mol/LNaCl溶液中的耐腐蚀性和钝化膜保护性能都是最好的，当经过淬火处理组织中含有板条贝氏体时耐腐蚀性稍微变差，空冷组织由于晶粒尺寸变大其耐腐蚀性和钝化膜的保护性能较原始组织下降。三种组织的交流阻抗谱如图3所示，模拟电路如图4所示，Rs代表溶液电阻，Rt代表电荷转移电阻，Q代表界面双电层电容，拟合结果如表2所示。在开路电位下，原始组织的电荷转移电阻最大为1482Ω·cm2，水淬组织略小为1475Ω·cm2，空冷组织最小1421Ω·cm2，说明在开路电位下，细小均匀的针状铁素体和粒状贝氏体组织耐腐蚀性最好，含有板条贝氏体的水淬组织和晶粒尺寸较粗大的空冷组织耐蚀性有所下降。50200400600800100012001400160001002003004005006007008009001000110012001300140015001600Zimag/Ωcm2Zreal/Ωcm2basemetalwaterquenchingaircooled图3X80钢原始组织、水淬组织和空冷组织在0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaCl溶液中的交流阻抗谱图4交流阻抗谱等效电路模拟图表2交流阻抗谱等效电路拟合结果组织Rs(Ω·cm2R)t(Ω·cm2Q(F·s)(a-1)a)2原始组织3.28214820.161e-30.8891水淬组织0.792314750.1776e-30.8653空冷组织1.88114210.1911e-30.83452.4点蚀形貌图5为X80管线钢原始组织和两种热处理模拟组织在0.5V（vs.SCE）极化10分钟后的腐蚀形貌显微组织照片。从图5中可以看出X80管线钢原始组织在0.5mol/LNaHCO3+0.05mol/LNaCl溶液中阳极极化后发生点腐蚀，点蚀坑分布比较均匀，大部分腐蚀坑的直径为20μm，少量腐蚀坑的尺寸较大，达到了60μm；水淬组织的点蚀坑数量少于原始组织，但是除了尺寸为50μm的腐蚀坑外，还产生了尺寸达到300μm的大点蚀坑，可能由于组织的不均匀性引起；空冷组织的点蚀坑密度比原始组织增大，并且点蚀坑尺寸都较大，从30μm到200μm。QRtRs6图5X80钢恒电位极化后的显微照片（1）原始组织；（2）水淬组织；（3）空冷组织3结论（1）在0.5mol/LNaHCO3（2）开路电位下，X80管线钢原始组织的电荷转移电阻大于空冷组织和水淬组织，说明开路电位下晶粒细小均匀的针状铁素体和粒状贝氏体组织的电化学反应速率最小。+0.05mol/LNaCl溶液中，X80管线钢原始组织（针状铁素体和粒状贝氏体）的腐蚀电流密度和维钝电流密度都最小，零电流电位和点蚀电位都最高，钝化电位区间最大；水淬组织由于板条贝氏体的存在和组织不均匀性，空冷组织由于晶粒尺寸较大，它们的腐蚀电流密度和维钝电流密度都大于原始组织，零电流电位和点蚀电位较原始组织降低，钝化电位区间减小。参考文献[1]El-NaggarMM.CyclicVoltammetricStudiesofCarbonSteelinDeaeratedNaHCO3Solution[J].J.Appl.Electrochem.2004,34(9):911-918.[2]NagayamaM,CohenM,J.Electrochem.Soc.1963,110:670.[3]CastroEB,ValentiniCR,MoinaCAetal.J.R.Vilche,A.J.Sci.1986,26:781.[4]MacDougallBR,GrahamMJ,P.Marcus,J.Oudar(Eds.),CorrosionMechanismsinTheoryandPractice[M],MarcelDekker,NewYork,1995.