铝涂层对X80钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响研究

摘要

随着高强钢在深海环境下的使用越来越广泛,苛刻的海洋环境和复杂的力学条件导致高强钢发生腐蚀疲劳的隐患越来越大。电弧喷涂铝涂层技术被认为是一种能大幅提高钢结构腐蚀疲劳寿命的方法,已经有一定的试验支持和工程实例验证。但铝涂层对腐蚀疲劳各个阶段的影响还并不是非常清楚,相关文献也比较少。由于腐蚀疲劳裂纹扩展过程占据整个腐蚀疲劳失效过程中的绝大部分,因此研究铝喷涂层对X80钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响具有非常重要的意义。
　　 本文采用紧凑拉伸试样研究了X80钢在3.5％NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展问题,同时研究了喷铝涂层对X80钢裂纹扩展速率的影响,试验结束后对断口进行了扫描电镜观察。实验结果表明,在相同的应力场强度因子下,X80钢在介质中的裂纹扩展速率大于在空气中。在介质环境里,喷铝涂层试样的裂纹扩展速率要高于X80钢。
　　 为了揭示喷铝涂层对X80钢裂纹扩展速率影响的原因,作者首先研究了X80钢的腐蚀疲劳裂纹扩展机理。采用模拟实验先获得了不同拉伸速率下X80钢裂纹尖端腐蚀电流密度增量与应变量之间的关系曲线,在此基础上得到阳极溶解造成的裂纹扩展量,结合理论推导出的腐蚀疲劳裂纹尖端塑性变形区的应变速率计算公式,最终计算结果表明,X80钢在3.5％NaCl溶液体系中的裂纹扩展机理并非阳极溶解机理,这意味着氢脆机制极有可能是裂纹扩展的主导机制。
　　 铝涂层影响钢基体腐蚀疲劳行为的一个重要原因是其牺牲阳极的阴极保护作用。为了解析阴极保护对材料氢致脆化的影响,进行了X80钢在不同阴极极化程度下的慢速率拉伸试验。试验结果表明,在3.5％NaCl溶液和海水溶液中,随着阴极极化电位的降低,X80钢的脆性逐渐增大。相同条件下,X80钢在3.5％NaCl溶液中的脆性要大于海水溶液中。慢速拉伸条件下,在3.5％NaCl溶液和海水溶液中,喷铝涂层均会导致钢基体的脆性增加。分析认为,铝涂层难免存在缺陷、破损或因局部腐蚀导致基体暴露,涂层提供的阴极保护作用可造成氢进入钢材基体,导致裂纹尖端脆化。阴极保护导致的裂尖氢脆机制是造成表面喷铝X80钢的腐蚀疲劳裂纹扩展速率增大的根本原因。