班慧勇，楊凱華，梅鐿瀟

(1. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；2. 清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中需要面對(duì)的主要問題之一．據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕帶來的損失約占各國GDP 的3%～5%[1]，因而開發(fā)和研究新型耐腐蝕材料對(duì)于降低腐蝕成本具有重要意義．不銹鋼復(fù)合鋼材是一種兼具耐腐蝕性能和低成本優(yōu)勢的新型復(fù)合材料，為結(jié)構(gòu)工程中的腐蝕問題提供了一個(gè)非常好的解決方案[2]．

復(fù)合鋼材是通過熱軋或爆炸等復(fù)合工藝，使高性能金屬材料與普通碳素鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼冶金結(jié)合得到的復(fù)合金屬材料[3]，既可以充分發(fā)揮高性能金屬材料的優(yōu)勢，也能夠降低貴金屬消耗和生產(chǎn)成本，具有很高的性價(jià)比和綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益．不銹鋼復(fù)合鋼材是目前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)技術(shù)最成熟的復(fù)合鋼材，其基層材料通常采用Q235、Q345 等結(jié)構(gòu)鋼材，復(fù)層材料則采用304、316 L 等奧氏體不銹鋼或雙相不銹鋼，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制鹽、水利、船舶等工業(yè)領(lǐng)域[3-4]，并在土木工程領(lǐng)域中(建筑幕墻和橋面板等)得到成功應(yīng)用[3,5]．

為解決不銹鋼復(fù)合鋼材在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)受力機(jī)理和使用性能開展系統(tǒng)研究．由于基層和復(fù)層金屬的材料性能不同，特別是彈塑性差異帶來的全新受力機(jī)理，使得不銹鋼復(fù)合鋼材鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能表現(xiàn)受到學(xué)術(shù)界的更多關(guān)注，已有學(xué)者針對(duì)其材料在靜力[6]、滯回[7]、高溫下[8]、高溫后[9]、高應(yīng)變率下[10]的本構(gòu)模型及構(gòu)件穩(wěn)定性能[11]等開展了一系列研究工作．不銹鋼復(fù)合鋼材鋼結(jié)構(gòu)的使用性能，特別是耐腐蝕性能，同樣是保證其工程應(yīng)用安全和耐久性的重要研究課題，但目前該方面相關(guān)研究較少．Cui 等[12-13]針對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼筋的耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明混凝土電阻率以及復(fù)層破口大小是影響其腐蝕速率的重要參數(shù)，并提出了簡化經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；劉會(huì)云等[14]對(duì)不銹鋼復(fù)合板復(fù)層的晶間腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)和對(duì)比分析；Mu 等[15]研究了不銹鋼復(fù)合鋼材在酸性土壤環(huán)境中的腐蝕特性，為其在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)．除不銹鋼復(fù)合鋼板外，也有學(xué)者對(duì)其焊接接頭的耐腐蝕性能開展了研究，田曉軍等[16]對(duì)不銹鋼復(fù)合板復(fù)合鋼板的焊接接頭進(jìn)行了晶間腐蝕失效分析，Park 等[17]研究了焊接方式和熱處理時(shí)間對(duì)焊接接頭耐腐蝕性能的影響，de Paula 等[18]針對(duì)爆炸復(fù)合生產(chǎn)的不銹鋼復(fù)合鋼材進(jìn)行了耐腐蝕性能研究，結(jié)果表明爆炸復(fù)合后其耐腐蝕性能降低．由此可見，現(xiàn)有針對(duì)熱軋不銹鋼復(fù)合鋼材及其焊接接頭在海洋和近海環(huán)境下的耐腐蝕性能研究不足，這在一定程度上限制了其在相關(guān)工程中的應(yīng)用推廣.

傳統(tǒng)不銹鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)研究已經(jīng)非常全面[19]，其優(yōu)異的耐腐蝕性能(特別是奧氏體不銹鋼)得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛認(rèn)可；不銹鋼復(fù)合鋼材的出現(xiàn)，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了新的解決方案；但經(jīng)過特殊的熱軋復(fù)合工藝[2-3]生產(chǎn)流程和特殊的焊接工藝[20]制造環(huán)節(jié)，不銹鋼復(fù)合鋼材及焊接接頭的復(fù)層是否仍能繼承傳統(tǒng)不銹鋼優(yōu)異的耐腐蝕性能，以及不同暴露方式對(duì)其耐腐蝕性能的影響，是該新型高性能復(fù)合鋼材學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用亟需解決的問題．

為此，本文對(duì)熱軋不銹鋼復(fù)合鋼材及其焊接接頭在海洋環(huán)境中的耐腐蝕性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)制作了4 組共計(jì)97 個(gè)試件，采用鹽溶液周浸試驗(yàn)?zāi)M海洋大氣腐蝕環(huán)境中浸潤、潮濕、干燥的表面狀態(tài)，并通過高溫、高濕、高氯離子濃度特征模擬熱帶海洋環(huán)境中加速腐蝕的效果；分析比較不銹鋼復(fù)合鋼材復(fù)層、基層、復(fù)合界面以及焊縫處的腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物，并定量研究該材料在海洋環(huán)境中的腐蝕特點(diǎn)和腐蝕速率，為后續(xù)工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)．

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用316 L 不銹鋼作為復(fù)層材料，Q235B 低碳鋼作為基層材料，并采用熱軋復(fù)合工藝制成；成品鋼板中不銹鋼層厚3 mm，低碳鋼層厚5 mm，總板厚為8 mm，如圖1 所示．鋼板的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》(GB/T 8165—2008)[2]的要求．依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》(GB/T 13148—2008)[20]進(jìn)行施焊，接頭坡口尺寸如圖2 所示，焊接次序如圖3 所示，焊接工藝參數(shù)詳見表1．根據(jù)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，不銹鋼復(fù)合鋼材的焊接應(yīng)包括基層、過渡層以及復(fù)層3 部分焊接，建議選用的焊材也有所區(qū)別，同時(shí)接頭焊接未使用墊板，需反面清根補(bǔ)焊，共包括5 道焊縫；由于試件較小，殘余應(yīng)力影響可忽略．

圖1 不銹鋼復(fù)合鋼板橫截面示意(單位：mm)Fig.1 Illustration of stainless-clad bimetallic steel plate(unit：mm)

試件大小為 20 mm×20 mm；角部有6 mm×10 mm 凸起和直徑4 mm 的圓孔，便于在試驗(yàn)箱中固定，該區(qū)域用密封膠包裹，不參與腐蝕反應(yīng)，如圖4所示．

圖2 焊縫坡口尺寸(單位：mm)Fig.2 Dimensions of weld groove(unit：mm)

圖3 焊接道次順序Fig.3 Welding sequence

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding parameters

圖4 試件照片及尺寸(單位：mm)Fig.4 Photo and dimensions of specimens(unit：mm)

根據(jù)不銹鋼復(fù)合鋼材可能出現(xiàn)的工程應(yīng)用情況，試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了4 類暴露面，分別是基層碳鋼表面(B)、復(fù)層不銹鋼表面(C)、復(fù)合鋼板側(cè)面(I)以及焊接接頭復(fù)層一側(cè)表面(W)，如圖5 所示，圖中黑線表示密封覆蓋表面，只暴露一面進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)．

試驗(yàn)前試件表面不允許有銹蝕及目視可見的缺陷，表面粗糙度為Ra＝0.5 μm 級(jí)，除去試件上油脂，清洗后試件用蒸餾水沖洗干凈并干燥．此外，為研究試件表面粗糙度的影響，還對(duì)B、C 兩組試件設(shè)計(jì)了Ra＝0.2 μm 和Ra＝0.8 μm 級(jí)粗糙度試件的對(duì)比試驗(yàn)．設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)長包括16 h、24 h、48 h、96 h、160 h、192 h 共6 種．每種條件下設(shè)計(jì)平行試件5 個(gè)，未腐蝕原樣試件的平行試件為3 個(gè)．具體試件分組及試驗(yàn)條件見表2，表中編號(hào)第1 個(gè)字母表示4 類暴露面類型，中間數(shù)字表示腐蝕試驗(yàn)時(shí)長，最后數(shù)字表示暴露面粗糙度，括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示平行試件個(gè)數(shù)．

圖5 腐蝕位置示意圖與實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Diagrams and photos of corrosion locations

表2 試件分組及編號(hào)Tab.2 Specimen groups and designations

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

本文選用周期浸潤試驗(yàn)方法，并參考國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬和合金的腐蝕 鹽溶液周浸試驗(yàn)》(GB/T 19746—2005)[21]執(zhí)行．試驗(yàn)所用溶液為(35±1)g/L的中性鹽溶液(模擬海水)，pH 值控制在6.0～7.0 之間．試驗(yàn)設(shè)備選用中冶建筑研究總院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的GC-AES-7420 智能周浸腐蝕環(huán)境箱，其主要由轉(zhuǎn)盤、試件架、液槽、烘烤燈和空氣循環(huán)裝置等部分組成，如圖6 所示．

參考《鋼筋在氯離子環(huán)境中腐蝕試驗(yàn)方法》(YB/T 4376—2014)[22]，試驗(yàn)過程中溶液溫度控制在(45±2)℃，箱內(nèi)濕度控制在(70%±10%)RH(高溫、高濕)，循環(huán)周期為(60±5)min，其中浸潤時(shí)間為(12±2)min．

圖6 周浸腐蝕試驗(yàn)箱照片F(xiàn)ig.6 Photo of immersion cyclic corrosion test chamber

腐蝕試驗(yàn)完成后，腐蝕面的除銹依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》(GB/T 16545—2015)[23]中相關(guān)要求進(jìn)行．

2 腐蝕形貌及產(chǎn)物

2.1 宏觀腐蝕形貌

圖7 為B、C、I、W類試件試驗(yàn)后帶銹的宏觀腐蝕形貌．對(duì)于基層面暴露的B 類試件，由圖7(a)可見，周浸試驗(yàn)16 h 后試件邊角處尚未被銹層覆蓋；48 h 后試件表面均已覆蓋了較厚的銹層(圖7(d)所示)，表明在腐蝕試驗(yàn)前48 h 內(nèi)，基層碳鋼由局部腐蝕逐漸發(fā)展為全面腐蝕；圖7(g)所示試件經(jīng)處理后暴露出部分內(nèi)銹層，可以看出內(nèi)銹層更加致密．碳鋼銹層的主要成分是Fe3O4和FeOOH[24-25]，碳鋼表面缺少氧氣，F(xiàn)e3O4含量更多，所以內(nèi)銹層呈黑色，F(xiàn)eOOH 隨結(jié)晶類型α、β、γ 的不同呈現(xiàn)黃色到紅褐色等不同顏色．相比于銹蝕嚴(yán)重的B 類試件，復(fù)層面暴露的C 類試件只發(fā)生了輕微點(diǎn)蝕，很難觀察到明顯的腐蝕產(chǎn)物(如圖7(b)、(e)、(h))．而對(duì)于側(cè)面暴露的I 類試件，腐蝕形貌明顯以復(fù)合界面為分界線，左側(cè)碳鋼表面腐蝕嚴(yán)重，類似B 類試件；右側(cè)不銹鋼覆層側(cè)面則較為光亮，類似C 類試件．圖7(i)中發(fā)生了碳鋼腐蝕產(chǎn)物流出、附著在不銹鋼表面的現(xiàn)象．圖7(j)所示的W 類試件，其焊縫表面形貌與復(fù)層類似，僅有少量掛孔處流出的碳鋼腐蝕產(chǎn)物．

2.2 微觀腐蝕形貌

2.2.1 基層碳鋼表面微觀腐蝕形貌

圖8 是基層碳鋼表面(B 類試件)在5 個(gè)不同試驗(yàn)時(shí)長下的微觀腐蝕形貌電鏡照片．可以看出，基層碳鋼的銹層結(jié)構(gòu)較為疏松，存在裂隙、鼓泡以及凹坑；試驗(yàn)時(shí)長從16 h 到48 h，銹層覆蓋的面積逐漸增大，從48 h 到160 h，銹層的厚度逐漸變厚，后期銹層容易脫落．為保證銹層狀態(tài)不變，采用冷鑲嵌加工腐蝕24 h 后的試件，并采用掃描電鏡觀察其厚度方向銹蝕狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)局部腐蝕坑深度達(dá)200 μm．

將試件腐蝕面除銹后，利用三維白光干涉表面形貌儀觀察其微觀形貌(取樣面積為3 mm×3 mm)，如圖9 所示，圖中給出了根據(jù)三維表面數(shù)據(jù)計(jì)算得到的粗糙度值Ra，以表征其腐蝕程度．可以看出，其表面粗糙度總體上隨腐蝕時(shí)間增長而變大．

圖8 基層碳鋼表面微觀腐蝕形貌Fig.8 Images showing micromorphologies of surfaces of corroded substrates

對(duì)基層碳鋼的腐蝕區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖10 和表3 所示．結(jié)果表明，其銹層的主要成分仍是鐵的氧化物，未受到復(fù)層金屬及復(fù)合工藝的影響．

圖9 基層碳鋼除銹后微觀腐蝕形貌Fig.9 Images showing micromorphologies of corroded substrates after cleaning

圖10 基層碳鋼銹層成分能譜分析Fig.10 Energy spectrum analysis of corrosion products of corroded substrate

表3 基層碳鋼銹層成分占比Tab.3 Element percentage of corrosion products of corroded substrate

2.2.2 復(fù)層不銹鋼表面微觀腐蝕形貌

運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)層不銹鋼腐蝕面(C 類試件)的微觀形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，個(gè)別點(diǎn)蝕分布也很少，沒有隨腐蝕時(shí)間增長的趨勢，推斷不銹鋼點(diǎn)蝕的發(fā)生僅與表層夾雜物有關(guān)，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為致密，阻止了點(diǎn)蝕的進(jìn)一步發(fā)展．圖11所示的點(diǎn)蝕產(chǎn)物直徑達(dá)0.3 mm，是觀察到的最大點(diǎn)蝕部位，腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋了點(diǎn)蝕坑，腐蝕產(chǎn)物周圍的金屬表面未出現(xiàn)腐蝕痕跡，表明耐蝕性能良好．

圖11 復(fù)層不銹鋼表面微觀腐蝕形貌Fig.11 Images of micromorphology of corroded cladding surface

圖12 是利用三維白光干涉表面形貌儀在除銹后的 C 類試件表面獲得的微觀形貌，觀測面積為167 μm×167 μm，包括了最具代表性的點(diǎn)蝕坑．所有C 類試件表面只發(fā)現(xiàn)有限的2、3 處點(diǎn)蝕坑，部分試件只有1 處．綜合圖11 所示的掃描電鏡觀察結(jié)果，可以認(rèn)為復(fù)層不銹鋼僅在表面含有夾雜物的地方發(fā)生了點(diǎn)蝕，而夾雜物僅在部分試件表面存在，所以只有有限的幾個(gè)試件點(diǎn)蝕現(xiàn)象明顯；其他試件點(diǎn)蝕現(xiàn)象不明顯可能是因?yàn)樵囼?yàn)周期仍不足夠長導(dǎo)致．此外，圖12 給出了根據(jù)三維表面數(shù)據(jù)計(jì)算得到的粗糙度值Ra，以表征其腐蝕程度；隨著腐蝕時(shí)間的增長，復(fù)層表面粗糙度數(shù)值變化不大，表明其腐蝕十分有限，耐蝕性能良好．

對(duì)圖12 所示的點(diǎn)蝕區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖13 和表4 所示．銹層的主要成分是鐵和鉻的氧化物，其中鉻的氧化物較為致密，可形成一層鈍化膜，阻止銹蝕的進(jìn)一步發(fā)展；碳含量較高表明此處有碳夾雜物，容易形成點(diǎn)蝕；氯含量高則說明氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕起到了促進(jìn)作用．

圖12 復(fù)層不銹鋼除銹后微觀腐蝕形貌Fig.12 Images of micromorphologies of corroded cladding after cleaning

圖13 復(fù)層不銹鋼銹層成分能譜分析Fig.13 Energy spectrum analysis of corrosion products of corroded cladding

表4 復(fù)層不銹鋼銹層成分占比Tab.4 Element percentage of corrosion products of corroded cladding

2.2.3 復(fù)合鋼材側(cè)面微觀腐蝕形貌

圖14 為不銹鋼復(fù)合鋼材側(cè)面(I 類試件)的微觀腐蝕形貌，可以看出腐蝕現(xiàn)象以復(fù)合界面為分界線；基層碳鋼側(cè)面的腐蝕程度隨腐蝕時(shí)間增長而顯著加劇，銹層厚度逐漸增加；復(fù)層不銹鋼側(cè)面始終未見明顯腐蝕．圖15 是采用經(jīng)過96 h 腐蝕后試件做的冷鑲嵌樣，從銹層厚度方向可以更直觀地看出，基層碳鋼表面高低起伏、腐蝕嚴(yán)重、銹層較厚，復(fù)層不銹鋼表面平面性保持較好，未見腐蝕產(chǎn)物．

圖14 復(fù)合鋼材側(cè)面微觀腐蝕形貌Fig.14 Images of micromorphologies of corroded side surfaces

圖15 腐蝕96 h后復(fù)合鋼材側(cè)面的銹層厚度分布Fig.15 Distribution of rust in the thickness direction of side surface after 96 h of corrosion

圖16 清晰地展現(xiàn)了I 類試件銹蝕區(qū)域與未銹蝕區(qū)域的分界線，這也是碳鋼基層和不銹鋼復(fù)層的復(fù)合界面；基層碳鋼銹蝕嚴(yán)重，除銹后表面凹凸不平，布滿腐蝕坑；復(fù)層不銹鋼則基本未出現(xiàn)腐蝕，表面平整如初．

圖16 復(fù)合鋼材側(cè)面不同區(qū)域腐蝕情況對(duì)比Fig.16 Comparison of corrosion conditions in different areas of corroded side surface

2.2.4 W 類試件微觀腐蝕形貌

圖17 為掃描電鏡所觀測到的焊縫表面(W 類試件)的微觀腐蝕形貌．從圖17(a)中可以看出焊接時(shí)形成的半月形紋路，表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕部位；進(jìn)一步放大后(圖17(b)所示)可見直徑約28 μm 的點(diǎn)蝕坑，推斷是焊接過程中形成的，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了腐蝕產(chǎn)物，說明此處發(fā)生了點(diǎn)蝕．腐蝕特征與不銹鋼復(fù)層相似．

圖17 焊縫表面微觀腐蝕形貌Fig.17 Images of micromorphology of corroded weld surface

2.2.5 不同粗糙度試件的微觀腐蝕形貌對(duì)比

為分析不同粗糙度對(duì)復(fù)層和基層腐蝕形貌的影響，圖18 給出了復(fù)層和基層暴露試件在兩種粗糙度(Ra＝0.8 μm 和Ra＝0.2 μm)條件下的微觀腐蝕形貌，可以發(fā)現(xiàn)兩組沒有明顯差異，表明表面粗糙度對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼材基層和復(fù)層的腐蝕形貌的影響可以忽略．

圖18 不同粗糙度試件的微觀腐蝕形貌對(duì)比Fig.18 Comparison of images showing micromorphologies of specimens with different degrees of surface roughness

3 腐蝕速率

3.1 腐蝕速率計(jì)算結(jié)果及分析

首先計(jì)算B 類試件的腐蝕速率．采用精度為0.1 mg 的分析天平稱重，記錄試驗(yàn)前和每次除銹后試件的質(zhì)量，當(dāng)最后一次除銹的質(zhì)量損失與上次相同且穩(wěn)定在一個(gè)較小值時(shí)(本文取3 mg 以內(nèi))，除銹完成．用試件試驗(yàn)前的質(zhì)量減去除銹完成后的質(zhì)量，并考慮試件B-0-0.5(1～3)在除銹過程中的失重，校正B 類試件的腐蝕失重，按照式(1)計(jì)算得到腐蝕數(shù)據(jù)，見表5；腐蝕數(shù)據(jù)計(jì)算取平均值，數(shù)據(jù)離散程度較小，與平均值之差在10%左右．

式中：D為平均腐蝕深度；Wc為校正后的腐蝕失重；A為腐蝕面積；ρ為鋼材密度，取7.85 g/cm3．

表5 B類試件不同試驗(yàn)時(shí)長的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.5 Corrosion data of specimens(Group B)after tests of different durations

根據(jù)文獻(xiàn)[26]中的數(shù)據(jù)，Q235 碳鋼在西沙海洋大氣環(huán)境中腐蝕1 年的腐蝕深度是0.087 mm，而本試驗(yàn)中碳鋼在模擬加速腐蝕環(huán)境中腐蝕4 d 的計(jì)算平均腐蝕深度是0.097 4 mm；通過簡單比較可知本試驗(yàn)對(duì)基層碳鋼的加速腐蝕效率約為100 倍．

腐蝕領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者已針對(duì)金屬在大氣環(huán)境下的腐蝕行為規(guī)律進(jìn)行了大量研究，積累了豐富的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并經(jīng)回歸分析證明，碳鋼的大氣腐蝕動(dòng)力學(xué)遵循冪函數(shù)規(guī)律[26-27]，即

式中：t為暴露腐蝕時(shí)間，d；a為第1 天的腐蝕速率；n為常數(shù)，隨環(huán)境的不同而變化，最低值可取0.3，最高值可達(dá)1.9，腐蝕環(huán)境越惡劣，則n值越大.

采用如式(2)所示的函數(shù)形式對(duì)5 個(gè)試驗(yàn)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到B 類試件腐蝕速率表達(dá)式，如式(3)和圖19 所示．

從圖19 可以看出，基層碳鋼的腐蝕速率在前期基本不變，后期略有減小，表明初期銹層結(jié)構(gòu)疏松，沒有阻礙氯離子滲入到基體表面，后期可能由于銹層所含F(xiàn)e3O4、羥基氧化鐵的成分變化，銹層變得致密，氯離子難以滲透進(jìn)致密的銹層，使得電化學(xué)腐蝕速率略有減緩．這與傳統(tǒng)低碳鋼的腐蝕速率特征基本一致，表明復(fù)層不銹鋼及復(fù)合工藝對(duì)基層碳鋼的腐蝕速率特征沒有明顯影響．

圖19 B類試件腐蝕厚度損失趨勢Fig.19 Trend of thickness loss of specimens(Group B)

同樣對(duì)C 類試件的腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，得到腐蝕數(shù)據(jù)如表6 所示．由于復(fù)層不銹鋼耐蝕性能較好，采用失重法進(jìn)行評(píng)估誤差較大，因此本文未基于表6數(shù)據(jù)提出其腐蝕速率公式．

表6 C類試件不同試驗(yàn)時(shí)長的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.6 Corrosion data of specimens(Group C)after tests of different durations

將表6 中根據(jù)失重法算得的暴露復(fù)層C 類試件的平均腐蝕深度D隨腐蝕時(shí)間t的變化趨勢繪于圖20，圖中還給出了根據(jù)圖12 所示利用三維白光干涉表面形貌儀獲得的微觀形貌確定的表面粗糙度Ra 的變化趨勢．可以看出，復(fù)層不銹鋼暴露后，總體腐蝕量非常低，總體在0.01 mm 以下，腐蝕量可以忽略不計(jì)；其中失重法計(jì)算得到的平均腐蝕深度，在4 d 后略有上升，主要可能是由于失重法本身精度有限造成的數(shù)據(jù)離散誤差．

對(duì)于W 類試件，在相同腐蝕時(shí)長(96 h)條件下，按照失重法計(jì)算得到的平均腐蝕失重為0.058 0 g，與表6 中復(fù)層的平均腐蝕失重0.041 0 g 相當(dāng)，遠(yuǎn)低于表5 中基層的平均腐蝕失重0.305 9 g．

圖20 C類試件腐蝕厚度損失趨勢Fig.20 Trend of thickness loss of specimens(Group C)

對(duì)I 類試件的腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，得到腐蝕數(shù)據(jù)如表7 所示．

表7 I類試件不同試驗(yàn)時(shí)長的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.7 Corrosion data of specimens(Group I)after tests of different durations

同樣采用式(2)對(duì)I 類試件的腐蝕速率進(jìn)行擬合，得到計(jì)算公式如式(4)所示．圖21 給出了該類試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及其擬合曲線(紅色實(shí)線)，并與基層碳鋼的擬合曲線(藍(lán)色虛線，即前文B 類試件的擬合公式(3))進(jìn)行對(duì)比．

從圖21 中可以看出，I 類試件和B 類試件的腐蝕規(guī)律基本一致，因?yàn)槎叩闹饕g部位均為基層碳鋼．對(duì)比兩組試件的腐蝕速率可以看出，I 類試件要比B 類試件腐蝕得快一些，因?yàn)镮 類試件的不銹鋼復(fù)層和碳鋼基層側(cè)面均暴露在腐蝕介質(zhì)中，易發(fā)生電偶腐蝕，碳鋼基層的腐蝕電位更低，進(jìn)而加速了其腐蝕進(jìn)程．

圖21 I類試件腐蝕厚度損失趨勢Fig.21 Trend of thickness loss of specimens(Group I)

3.2 不同粗糙度試件腐蝕速率比較

計(jì)算B 類試件B-48-0.2 和B-48-0.8 的腐蝕數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，如表8 所示，可以看到，粗糙度越大的基層碳鋼試件，在相同腐蝕時(shí)長(48 h)內(nèi)的平均腐蝕深度較大，其腐蝕速率較快．

C 類試件因腐蝕現(xiàn)象不明顯，腐蝕失重很小，不同粗糙度試件質(zhì)量損失相差不明顯．表面粗糙度對(duì)復(fù)層不銹鋼耐蝕性能的定量影響還需開展更精細(xì)的試驗(yàn)研究．

表8 B類試件不同表面粗糙度的腐蝕數(shù)據(jù)Tab.8 Corrosion data of specimens(Group B)with different degrees of surface roughness

4 結(jié) 論

本文通過鹽溶液周浸試驗(yàn)，研究了不銹鋼復(fù)合鋼材不同位置的耐蝕性能，通過腐蝕形貌、腐蝕速率等指標(biāo)，分別定性和定量分析了其腐蝕規(guī)律；試驗(yàn)研究結(jié)果可為復(fù)合鋼板在海洋大氣環(huán)境下的暴露試驗(yàn)研究提供數(shù)據(jù)支撐．主要研究結(jié)論如下．

(1) 不銹鋼復(fù)合鋼材整體耐腐蝕性能良好，復(fù)層不銹鋼在惡劣的室內(nèi)加速腐蝕環(huán)境下，僅在表面有夾雜物或損傷的地方發(fā)生了少量點(diǎn)蝕，表明復(fù)合軋制工藝及基層碳鋼并未顯著影響復(fù)層不銹鋼的耐蝕性能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合鋼材的設(shè)計(jì)初衷．

(2) 不銹鋼復(fù)合鋼板中基層碳鋼在試驗(yàn)開始后很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了腐蝕，腐蝕類型有全面腐蝕和局部腐蝕，腐蝕產(chǎn)物積聚在表面形成的銹層具有一定的防護(hù)作用，但因結(jié)構(gòu)松散而作用有限，因而其腐蝕速率在前期基本不變，后期速率略有減?。?/p>

(3) 不銹鋼復(fù)合鋼板板邊側(cè)面暴露在腐蝕介質(zhì)中時(shí)，碳鋼與不銹鋼會(huì)形成腐蝕電位差，基層碳鋼會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，與只暴露基層相比，明顯加速了腐蝕進(jìn)程；實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)避免復(fù)合鋼板側(cè)面暴露或進(jìn)行必要防護(hù)；建議不銹鋼復(fù)合鋼材主要用于閉口截面構(gòu)件，并將復(fù)層外置．

(4) 采用《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》(GB/T 13148—2008)推薦的不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接工藝，能夠保證焊縫和焊接接頭的耐腐蝕性能不劣于復(fù)層，但對(duì)于焊接殘余應(yīng)力對(duì)耐腐蝕性能影響的更深入分析，需進(jìn)一步補(bǔ)充相關(guān)研究數(shù)據(jù)．

(5) 表面粗糙度對(duì)基層和復(fù)層的腐蝕形貌影響可以忽略，但對(duì)基層碳鋼的腐蝕速率有一定影響，粗糙度越大，其腐蝕速率越快；表面粗糙度對(duì)復(fù)層不銹鋼腐蝕速率的影響不明顯．

本文限于時(shí)間和材料等因素，僅對(duì)一種不銹鋼復(fù)合鋼材在加速腐蝕試驗(yàn)條件下開展了研究，相關(guān)結(jié)論需通過進(jìn)一步的自然環(huán)境暴露試驗(yàn)及其他牌號(hào)復(fù)合鋼材試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．