D0I:10.13374/i.issnl001t03.2008.0L.017 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 李少坡郭佳杨善武贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了不同碳含量和显微组织的低合金钢的耐腐蚀性能和腐蚀行为，并与商业耐候钢O9 CuPCrNi进行了相应的比 较.·通过金相显微镜、扫描电镜观察，轧后水冷钢的主体组织为板条状贝氏体，轧后空冷钢为针状铁素体、粒状贝氏体、M/A 小岛和少量渗碳体（珠光体）的混合物·用干湿循环加速腐蚀实验对耐蚀性测定结果表明：低碳钢(0.03%C)和轧后水冷的较 高碳含量钢(0.1%C)的耐蚀性均明显优于09 CuPCrNi:低碳含量钢的组织类型对其耐蚀性影响不大；较高碳含量情况下，单相 贝氏体钢的耐蚀性优于由铁素体、渗碳体（珠光体）等构成的复相组织钢：轧后水冷时，不同碳含量的钢耐蚀性差别不大：轧后 空冷时，低碳含量钢的耐蚀性优于较高碳含量钢.用扫描电镜对锈层进行观察，可以看出耐蚀性较好的样品在腐蚀后期形成 了致密的内锈层· 关键词低碳贝氏体钢：碳含量；组织类型：耐蚀性：周浸 分类号TG142.1+1 Effect of carbon content and microstructure on the corrosion resistance of low al- loy steels LI Shaopo.GUO Jia,YANG Shanwu,HE Xinlai School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI The corrosion resistance and corrosion behavior of low alloy steels with different carbon contents and different mi- crostructures were investigated and compared with a commercial weathering steel 09CuPCrNi.Optical microscopy and SEM were em- ployed to examine the microstructures of these steels.It was revealed that the dominant microstructure in the steel cooled in water af- ter rolling is lath-like bainite while the microstructure in the steel cooled in air after rolling is the mixture of acicular ferrite.granular bainite.M/A islands and little cementite (pearlite).Cyclic wet-dry test was carried out to evaluate the corrosion resistance of these steels.The results indicate that the corrosion resistance of the low carbon steel with 0.03%C or 0.1%C.which was cooled in water after rolling,excels that of 09CuPCrNi steel.Provided with low carbon content,the influence of microstructure on the corrosion re- sistance of the tested steel is not obvious.With a higher carbon content.the bainitic steel with single phase exhibits a higher corrosion resistance than multi-phase steel constituted by ferrite and cementite(pearlite).No marked distinction can be detected in the corro- sion resistance of the steels with different carbon contents when they were cooled in water after rolling.When cooled in air after rolling,the steel with low carbon content exhibits a higher corrosion resistance than the steel with a higher carbon content.Through observations on rust layers with SEM.it can be found that a compact inner rust layer forms in the specimen with excellent corrosion resistance after long corrosion. KEY WORDS low carbon bainitic steel:carbon content:microstructure:corrosion resistance:cyclic wet-dry test 钢铁材料的大规模应用对钢板质量提出了更高 钢的力学性能，但会使其焊接性能下降山.为改善 的要求，特别是要在提高力学性能的同时要求钢板 焊接性能，钢中碳含量需大幅度下降，低碳贝氏体钢 具有优良的耐腐蚀能力，碳及其他合金元素能提高 的发展，使这种趋势更为明显)，从目前国内外研 究看，对耐蚀性的工作着重在成分影响[).一般文 收稿日期：2006-10-18修回日期：2006-12-14 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N 献认为：P、Si,Cr、Cu、Co、Ni等元素可提高钢的耐蚀 2004CB619102) 性可]，碳含量在腐蚀初期没有明显影响，在腐蚀后 作者简介：李少坡(1980-)男，硕士研究生：贺信莱(1938一)男，教 期随着碳含量增加腐蚀速率也增加).但有关显微 授
碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 李少坡 郭 佳 杨善武 贺信莱 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 研究了不同碳含量和显微组织的低合金钢的耐腐蚀性能和腐蚀行为并与商业耐候钢09CuPCrNi 进行了相应的比 较．通过金相显微镜、扫描电镜观察轧后水冷钢的主体组织为板条状贝氏体轧后空冷钢为针状铁素体、粒状贝氏体、M／A 小岛和少量渗碳体（珠光体）的混合物．用干湿循环加速腐蚀实验对耐蚀性测定结果表明：低碳钢（0∙03％C）和轧后水冷的较 高碳含量钢（0∙1％C）的耐蚀性均明显优于09CuPCrNi；低碳含量钢的组织类型对其耐蚀性影响不大；较高碳含量情况下单相 贝氏体钢的耐蚀性优于由铁素体、渗碳体（珠光体）等构成的复相组织钢；轧后水冷时不同碳含量的钢耐蚀性差别不大；轧后 空冷时低碳含量钢的耐蚀性优于较高碳含量钢．用扫描电镜对锈层进行观察可以看出耐蚀性较好的样品在腐蚀后期形成 了致密的内锈层． 关键词 低碳贝氏体钢；碳含量；组织类型；耐蚀性；周浸 分类号 TG142∙1＋1 Effect of carbon content and microstructure on the corrosion resistance of low alloy steels LI ShaopoGUO JiaY A NG Shanw uHE Xinlai School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he corrosion resistance and corrosion behavior of low alloy steels with different carbon contents and different microstructures were investigated and compared with a commercial weathering steel09CuPCrNi．Optical microscopy and SEM were employed to examine the microstructures of these steels．It was revealed that the dominant microstructure in the steel cooled in water after rolling is lath-like bainite while the microstructure in the steel cooled in air after rolling is the mixture of acicular ferritegranular bainiteM／A islands and little cementite （pearlite）．Cyclic wet-dry test was carried out to evaluate the corrosion resistance of these steels．T he results indicate that the corrosion resistance of the low carbon steel with0∙03％ C or0∙1％ Cwhich was cooled in water after rollingexcels that of 09CuPCrNi steel．Provided with low carbon contentthe influence of microstructure on the corrosion resistance of the tested steel is not obvious．With a higher carbon contentthe bainitic steel with single phase exhibits a higher corrosion resistance than mult-i phase steel constituted by ferrite and cementite （pearlite）．No marked distinction can be detected in the corrosion resistance of the steels with different carbon contents when they were cooled in water after rolling．When cooled in air after rollingthe steel with low carbon content exhibits a higher corrosion resistance than the steel with a higher carbon content．T hrough observations on rust layers with SEMit can be found that a compact inner rust layer forms in the specimen with excellent corrosion resistance after long corrosion． KEY WORDS low carbon bainitic steel；carbon content；microstructure；corrosion resistance；cyclic wet-dry test 收稿日期：2006-10-18 修回日期：2006-12-14 基金 项 目： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No． 2004CB619102） 作者简介：李少坡（1980—）男硕士研究生；贺信莱（1938—）男教 授 钢铁材料的大规模应用对钢板质量提出了更高 的要求特别是要在提高力学性能的同时要求钢板 具有优良的耐腐蚀能力．碳及其他合金元素能提高 钢的力学性能但会使其焊接性能下降［1］．为改善 焊接性能钢中碳含量需大幅度下降低碳贝氏体钢 的发展使这种趋势更为明显［2］．从目前国内外研 究看对耐蚀性的工作着重在成分影响［3］．一般文 献认为：P、Si、Cr、Cu、Co、Ni 等元素可提高钢的耐蚀 性［4—5］碳含量在腐蚀初期没有明显影响在腐蚀后 期随着碳含量增加腐蚀速率也增加［6］．但有关显微 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．017
第1期 李少坡等：碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 17, 组织对耐蚀性的影响研究很少，由近年来的专利文 献看，新发展的专利高强度耐蚀钢均采用贝氏体组 1实验 织[]，因而组织类型对耐蚀性也存在明显影响 1.1实验方法 本文采用质量分数0.5%的NaCl溶液进行干 为了比较碳含量对耐蚀性的影响，设计了两种 湿循环加速腐蚀实验来模拟大气腐蚀，通过分析腐 不同碳含量的钢(1°和2)，由200kg的真空感应 蚀前后样品的减薄量，观察腐蚀后锈层形貌等方法， 炉冶炼，对比钢选用O9 CuPCrNi耐候钢(3)·各钢 研究了不同碳含量及不同组织状态高强度钢板的耐 种成分见下表1. 蚀性 钢锭经过加热锻造成42mm×120mm× 表1实验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % 试样 C Si Mn P Ni Ti Mo Cu Cr Nb 1年 0.03 0.300 1.77 <0.010 0.005 0.34 0.02 0.200 0.500 0.04 2# 0.10 0.310 1.79 0.010 0.005 0.33 0.02 0.200 0.500 0.04 3# 0.08 0.454 0.35 0.089 0.005 0.30 0.014 0.298 0.45 600mm规格的板坯，在轧机上进行两阶段控轧，轧 样，每种钢取平行试样四个，取三个试样用缓蚀液 制工艺为：板坯加热到1200℃；第1阶段轧两道， (1000 mL HCI,20gSbz03,50 g SnCl2)进行室温酸 1100℃开轧，1000℃轧第2道，厚度达到约20mm; 洗除锈后用无水乙醇清洗，然后吹干称重记为W1, 第2阶段轧三道，930℃开轧，850℃终轧，终轧厚度 通过(Wo一W1)/(SP)(其中S为试样腐蚀面积， 约8mm.轧后一部分钢板空冷弛豫15s后水冷，一 P为铁的密度)计算腐蚀减薄量，另一试样用于观察 部分直接空冷， 锈层形貌， 制备加速腐蚀试样，尺寸为60mmX40mm× 本实验使用光学显微镜、扫描电镜观察基体和 5mm,用砂纸磨至800#，用无水乙醇脱水，丙酮除 锈层的结合情况以及锈层本身的致密、疏松情况 油，实验前用清洗剂、蒸馏水清洗后，再用酒精浸 1.2实验结果 洗，吹干后称重记为Wo 1.2.1显微组织 干湿循环加速腐蚀（周浸）实验采用腐蚀液 实验钢的显微组织如图1所示，图1(a)和(b) 为质量分数0.5%的NaCl溶液，实验设备使用 分别是碳含量（质量分数）为0.03%的1#钢经过 FL65干湿周期浸润腐蚀试验机，槽内温度42℃， 15s弛豫后水冷和直接空冷的显微组织.可以看出： 箱内温度45℃，开排湿，实际相对湿度RH为18% 轧后经过15s驰豫后水冷钢的组织主要以板条贝氏 左右，每个干湿循环为80min(浸湿时间为l8min, 体为主，有部分针状铁素体和粒状贝氏体：直接空冷 非浸湿时间为62min)·实验进行240h,每隔48h 的钢组织主要由准多边形铁素体、针状铁素体、粒状 为一个周期，一个周期包括36次循环，共进行5个 贝氏体和一些M/A小岛组成，渗碳体（珠光体） 周期(180个循环)·每进行一个周期后取一次试 很少.当碳含量（质量分数）增加到0.1%时，即2 (d) (e) b 10m 10m 10μm 10μm 104m 图1实验用1°(a,b)、2#钢(c,d)水冷和空冷后的显微组织和09 CuPCrNi(c)的显微组织 Fig-1 Microstructures of 1(a.b)and 2 steels (e.d)after water quenching and air cooling and 09CuPCrNi (e)
组织对耐蚀性的影响研究很少．由近年来的专利文 献看新发展的专利高强度耐蚀钢均采用贝氏体组 织［7］因而组织类型对耐蚀性也存在明显影响． 本文采用质量分数0∙5％的 NaCl 溶液进行干 湿循环加速腐蚀实验来模拟大气腐蚀通过分析腐 蚀前后样品的减薄量观察腐蚀后锈层形貌等方法 研究了不同碳含量及不同组织状态高强度钢板的耐 蚀性． 1 实验 1∙1 实验方法 为了比较碳含量对耐蚀性的影响设计了两种 不同碳含量的钢（1＃和2＃）由200kg 的真空感应 炉冶炼对比钢选用09CuPCrNi 耐候钢（3＃）．各钢 种成分见下表1． 钢 锭 经 过 加 热 锻 造 成42mm ×120mm × 表1 实验钢化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of experimental steels ％ 试样 C Si Mn P S Ni Ti Mo Cu Cr Nb 1＃ 0．03 0．300 1．77 ＜0．010 0．005 0．34 0．02 0．200 0．500 — 0．04 2＃ 0．10 0．310 1．79 ＜0．010 0．005 0．33 0．02 0．200 0．500 — 0．04 3＃ 0．08 0．454 0．35 0．089 0．005 0．30 — 0．014 0．298 0．45 — 600mm规格的板坯在轧机上进行两阶段控轧．轧 制工艺为：板坯加热到1200℃；第1阶段轧两道 1100℃开轧1000℃轧第2道厚度达到约20mm； 第2阶段轧三道930℃开轧850℃终轧终轧厚度 约8mm．轧后一部分钢板空冷弛豫15s 后水冷一 部分直接空冷． 制备加速腐蚀试样尺寸为60mm×40mm× 5mm用砂纸磨至800＃用无水乙醇脱水丙酮除 油．实验前用清洗剂、蒸馏水清洗后再用酒精浸 洗吹干后称重记为 W0． 干湿循环加速腐蚀（周浸）实验［8］ 采用腐蚀液 为质量分数 0∙5％ 的 NaCl 溶液实验设备使用 FL—65干湿周期浸润腐蚀试验机槽内温度42℃ 箱内温度45℃开排湿实际相对湿度 RH 为18％ 左右每个干湿循环为80min（浸湿时间为18min 非浸湿时间为62min）．实验进行240h每隔48h 为一个周期一个周期包括36次循环共进行5个 周期（180个循环）．每进行一个周期后取一次试 样每种钢取平行试样四个．取三个试样用缓蚀液 （1000mL HCl20g Sb2O350g SnCl2）进行室温酸 洗除锈后用无水乙醇清洗然后吹干称重记为 W1 通过（ W0— W1）／（ Sρ）（其中 S 为试样腐蚀面积 ρ为铁的密度）计算腐蚀减薄量另一试样用于观察 锈层形貌． 本实验使用光学显微镜、扫描电镜观察基体和 锈层的结合情况以及锈层本身的致密、疏松情况． 1∙2 实验结果 1∙2∙1 显微组织 实验钢的显微组织如图1所示．图1（a）和（b） 分别是碳含量（质量分数）为0∙03％的1＃ 钢经过 15s弛豫后水冷和直接空冷的显微组织．可以看出： 轧后经过15s驰豫后水冷钢的组织主要以板条贝氏 体为主有部分针状铁素体和粒状贝氏体；直接空冷 的钢组织主要由准多边形铁素体、针状铁素体、粒状 贝氏体和一些 M／A 小岛组成渗碳体（珠光体） 很少．当碳含量（质量分数）增加到0∙1％时即2＃ 图1 实验用1＃（ab）、2＃钢（cd）水冷和空冷后的显微组织和09CuPCrNi（e）的显微组织 Fig．1 Microstructures of 1＃（ab） and2＃ steels （cd） after water quenching and air-cooling and09CuPCrNi （e） 第1期 李少坡等： 碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 ·17·
,18 北京科技大学学报 第30卷 钢，水冷钢的组织主要为板条宽度较细的板条状贝 如图1(e)所示，由明显较为粗大的铁素体和珠光体 氏体，有部分针状铁素体（图1(c)所示）；空冷的钢 组成 的组织中大部分组织为准多边形铁素体、粒状贝氏 1.2.2力学性能 体和针状铁素体，且出现了较多的渗碳体（珠光体） 实验钢和对比钢经过控轧控冷以后，测得力学 (如图1(d)所示)，对比样O9 CuPCrNi的显微组织 性能如表2所示 表2实验钢的力学性能 Table 2 Mechanical properties of experimental steels 抗拉强度， 屈服强度， 伸长率， 冲击断裂吸收功，A小 试样 冷却方式 R/MPa Ra/MPa A/% 0℃ -20℃ -40℃ 1#-1 水冷 843 712 14.5 99.3 102.7 94.7 1*-2 空冷 625 472 22.0 134.7 135.7 121.7 2#-1 水冷 1235 978 11.5 45.0 46.0 43.0 2#-2 空冷 783 493 19.5 63.0 58.0 58.0 09CuPCrNi 485 380 36.0 42.0 42.0 42.0 注：冲击断裂吸收功测试试样为半厚度试样 碳含量为0.03%的1#钢，经过水冷，屈服强度 腐蚀速率又开始减慢；最终减薄量最多的是对比样 能达到712MPa;碳含量为0.1%的2#钢，经过水 09 CuPCrNi,.最少的是含碳0.03%的1钢水冷样 冷，屈服强度高达978MPa,但是冲击韧性较差，半 品，即低碳贝氏体钢 厚度试样一40℃冲击断裂吸收功为43J.1#和2# 1钢水冷样品和2*钢水冷样品的减薄量一腐 钢经过空冷后的屈服强度差别不大，在470~ 蚀周期数曲线基本吻合，两种样品的耐蚀性均优于 490MPa范围.可以看出，实验钢屈服强度比 对比钢.而由图1(a)和(c),经过水冷后两种钢均以 O9 CuPCrNi(380MPa)高 板条状贝氏体为主体组织，这说明在组织相同的前 1.2.3腐蚀实验结果 提下，碳含量对耐蚀性的影响不大， 实验样品的腐蚀减薄量随腐蚀周期的变化如 比较1#和2#钢空冷样品的耐蚀性可以看出， 图2所示，图中每个周期下试样腐蚀减薄量由三个 虽然二者均优于对比钢，但1#钢的最终减薄量小于 试样减薄量测量值求平均得到，三个试样的均方差 2#钢.当钢的组织类型为铁素体和渗碳体（珠光体） 在0.001~0.002mm范围 等构成的复相组织时，渗碳体少的低碳钢耐蚀性比 0.08 较好，而碳含量0.1%的2#钢空冷后的耐蚀性和对 0.07 。-1#钢水冷 一2#钢水冷 比钢相近， 0.06 1#钢空冷 比较1#钢水冷和空冷样品可以看到，两线基本 0.05 一2#钢空冷 ◆-09 CuPCrNi 吻合，且明显优于对比钢.而由图1(a)和(b)知道， 0.03 二者组织类型并不一样.在碳含量较低(0.03%) 0.02 时，虽然在采取不同方式冷却后，组织有所差别，但 0.01 由于钢中渗碳体（珠光体）量很少，因此耐蚀性的差 别不大 周期数 对于碳含量增加到0.1%的2*钢，水冷样品的 图2实验样品的腐蚀减薄量随周期的变化曲线 腐蚀减薄量小于空冷样品，因而，碳含量较高的时 Fig.2 Depth loss curves of experimental steels to cyclic number 候，组织类型对钢的耐蚀性影响更明显，显微组织更 为单一、均匀的水冷样品的钢耐蚀性更佳 由图可以看出：各实验钢腐蚀减薄量随腐蚀时 1.2.4锈层形貌观察 间延长均呈上升趋势，但腐蚀减薄速度随腐蚀时间 为了观察锈层表面的生长趋势，用数码相机拍 而变化，对于大部分样品，开始阶段，腐蚀速率较 摄的干湿循环加速腐蚀实验（周浸实验）1钢水冷 低；2~3个周期后腐蚀速率明显增加，各试样的差 样品各周期表面锈层宏观形貌如图3所示 别主要在这期间呈现出来；腐蚀时间进一步延长后， 可以看出，1钢水冷样品腐蚀实验初级阶段
钢水冷钢的组织主要为板条宽度较细的板条状贝 氏体有部分针状铁素体（图1（c）所示）；空冷的钢 的组织中大部分组织为准多边形铁素体、粒状贝氏 体和针状铁素体且出现了较多的渗碳体（珠光体） （如图1（d）所示）．对比样09CuPCrNi 的显微组织 如图1（e）所示由明显较为粗大的铁素体和珠光体 组成． 1∙2∙2 力学性能 实验钢和对比钢经过控轧控冷以后测得力学 性能如表2所示． 表2 实验钢的力学性能 Table2 Mechanical properties of experimental steels 试样 冷却方式 抗拉强度 Rm／MPa 屈服强度 Re／l MPa 伸长率 A／％ 冲击断裂吸收功A kv／J 0℃ —20℃ —40℃ 1＃—1 水冷 843 712 14．5 99．3 102．7 94．7 1＃—2 空冷 625 472 22．0 134．7 135．7 121．7 2＃—1 水冷 1235 978 11．5 45．0 46．0 43．0 2＃—2 空冷 783 493 19．5 63．0 58．0 58．0 09CuPCrNi — 485 380 36．0 42．0 42．0 42．0 注：冲击断裂吸收功测试试样为半厚度试样． 碳含量为0∙03％的1＃钢经过水冷屈服强度 能达到712MPa；碳含量为0∙1％的2＃ 钢经过水 冷屈服强度高达978MPa但是冲击韧性较差半 厚度试样—40℃冲击断裂吸收功为43J．1＃和2＃ 钢经过空冷后的屈服强 度 差 别 不 大在 470～ 490MPa范 围．可 以 看 出实 验 钢 屈 服 强 度 比 09CuPCrNi（380MPa）高． 1∙2∙3 腐蚀实验结果 实验样品的腐蚀减薄量随腐蚀周期的变化如 图2所示．图中每个周期下试样腐蚀减薄量由三个 试样减薄量测量值求平均得到三个试样的均方差 在0∙001～0∙002mm 范围． 图2 实验样品的腐蚀减薄量随周期的变化曲线 Fig．2 Depth loss curves of experimental steels to cyclic number 由图可以看出：各实验钢腐蚀减薄量随腐蚀时 间延长均呈上升趋势但腐蚀减薄速度随腐蚀时间 而变化．对于大部分样品开始阶段腐蚀速率较 低；2～3个周期后腐蚀速率明显增加各试样的差 别主要在这期间呈现出来；腐蚀时间进一步延长后 腐蚀速率又开始减慢；最终减薄量最多的是对比样 09CuPCrNi最少的是含碳0∙03％的1＃ 钢水冷样 品即低碳贝氏体钢． 1＃钢水冷样品和2＃ 钢水冷样品的减薄量—腐 蚀周期数曲线基本吻合两种样品的耐蚀性均优于 对比钢．而由图1（a）和（c）经过水冷后两种钢均以 板条状贝氏体为主体组织这说明在组织相同的前 提下碳含量对耐蚀性的影响不大． 比较1＃和2＃钢空冷样品的耐蚀性可以看出 虽然二者均优于对比钢但1＃钢的最终减薄量小于 2＃钢．当钢的组织类型为铁素体和渗碳体（珠光体） 等构成的复相组织时渗碳体少的低碳钢耐蚀性比 较好而碳含量0∙1％的2＃钢空冷后的耐蚀性和对 比钢相近． 比较1＃钢水冷和空冷样品可以看到两线基本 吻合且明显优于对比钢．而由图1（a）和（b）知道 二者组织类型并不一样．在碳含量较低（0∙03％） 时虽然在采取不同方式冷却后组织有所差别但 由于钢中渗碳体（珠光体）量很少因此耐蚀性的差 别不大． 对于碳含量增加到0∙1％的2＃钢水冷样品的 腐蚀减薄量小于空冷样品．因而碳含量较高的时 候组织类型对钢的耐蚀性影响更明显显微组织更 为单一、均匀的水冷样品的钢耐蚀性更佳． 1∙2∙4 锈层形貌观察 为了观察锈层表面的生长趋势用数码相机拍 摄的干湿循环加速腐蚀实验（周浸实验）1＃钢水冷 样品各周期表面锈层宏观形貌如图3所示． 可以看出1＃ 钢水冷样品腐蚀实验初级阶段 ·18· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 李少坡等：碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 .19. (d) (e) 图3周浸实验1~5周期样品的锈层表面宏观形貌.(a)1周期：(b)2周期：(c)3周期；(d)4周期：(e)5周期： Fig.3 Rust layer macrographs of the experimental steel after cyclic wet-dry test for different cycles:(a)1;(b)2;(c)3;(d)4;(e)5 (1~2周期)，如图3(a)和(b)所示，锈层初步形成 其他样品锈层表面宏观形貌变化与此类似.用扫描 均匀分布在样品表面，颜色由灰变橙，被腐蚀程度较 电镜观察干湿循环加速腐蚀（周浸）实验的锈层横断 轻，可见初期腐蚀速度较慢.随着腐蚀时间的延长， 面的微观形貌如图4所示.从图4(a一d)可以看出， 样品表面开始出现小锈胞，如图3(c)和(d)所示，锈 水冷样品形成于腐蚀初期的外锈层比较疏松，不能 胞密度约为0.25cm-2,锈胞直径约为0.25cm,锈 阻止腐蚀的进一步深入与发展；在经历长时间腐蚀 胞不断变大，并开始破裂和剥落，导致腐蚀程度加 后，与钢基体相接处形成了致密的内锈层，阻碍了腐 深，腐蚀速度变快.到腐蚀后期，如图3(d)和(e)所 蚀的进一步深入，使腐蚀速率有所降低 示，锈胞数量并没有明显增加，锈胞不断变大，直径 从锈层截面微观形貌（见图4）也可以看出，腐 约为0.33cm,有些锈胞表层剥落的地方变成黑色 蚀后期，1*钢水冷样品(b)、2#钢水冷样品()与2* (a) (b) (c) (d) (g) 图41*钢水冷样品初期锈层形貌(a)和后期形貌(b),2钢水冷样品初期锈层形貌(c)和后期形貌(d),2#钢空冷样品初期锈层形貌（©）和 后期形貌(f),对比钢O9 CuPCrNi后期锈层形貌(g) Fig-4 Micrographs of 1 water quenching steel's rust layer (a,b).2water quenching steel's rust layer (e.d).2 air cooling steel's rust layer (e.f)and 09CuPCrNi's later rust layer (g)
图3 周浸实验1～5周期样品的锈层表面宏观形貌．（a）1周期；（b）2周期；（c）3周期；（d）4周期；（e）5周期； Fig．3 Rust layer macrographs of the experimental steel after cyclic wet-dry test for different cycles：（a）1；（b）2；（c）3；（d）4；（e）5 图4 1＃钢水冷样品初期锈层形貌（a）和后期形貌（b）2＃钢水冷样品初期锈层形貌（c）和后期形貌（d）2＃钢空冷样品初期锈层形貌（e）和 后期形貌（f）对比钢09CuPCrNi 后期锈层形貌（g） Fig．4 Micrographs of1＃ water quenching steel’s rust layer （ab）2＃ water quenching steel’s rust layer （cd）2＃ air cooling steel’s rust layer （ef） and09CuPCrNi’s later rust layer （g） （1～2周期）如图3（a）和（b）所示锈层初步形成 均匀分布在样品表面颜色由灰变橙被腐蚀程度较 轻可见初期腐蚀速度较慢．随着腐蚀时间的延长 样品表面开始出现小锈胞如图3（c）和（d）所示锈 胞密度约为0∙25cm —2锈胞直径约为0∙25cm锈 胞不断变大并开始破裂和剥落导致腐蚀程度加 深腐蚀速度变快．到腐蚀后期如图3（d）和（e）所 示锈胞数量并没有明显增加锈胞不断变大直径 约为0∙33cm有些锈胞表层剥落的地方变成黑色． 其他样品锈层表面宏观形貌变化与此类似．用扫描 电镜观察干湿循环加速腐蚀（周浸）实验的锈层横断 面的微观形貌如图4所示．从图4（a～d）可以看出 水冷样品形成于腐蚀初期的外锈层比较疏松不能 阻止腐蚀的进一步深入与发展；在经历长时间腐蚀 后与钢基体相接处形成了致密的内锈层阻碍了腐 蚀的进一步深入使腐蚀速率有所降低． 从锈层截面微观形貌（见图4）也可以看出腐 蚀后期1＃钢水冷样品（b）、2＃钢水冷样品（d）与2＃ 第1期 李少坡等： 碳含量和组织类型对低合金钢耐蚀性的影响 ·19·
,20 北京科技大学学报 第30卷 钢空冷样品(f)、对比钢O9 CuPCrNi(g)形成的锈层 (③)从本实验所得结果来看，低合金钢的耐蚀 是不同的，1钢水冷样品(b)的锈层虽然在局部有 性主要取决于其显微组织，碳含量的影响主要通过 些空洞，但未形成贯穿性的孔隙，且空洞之外的锈层 它对显微组织的影响来体现，当低碳含量 比较致密，故可以起到阻碍进一步腐蚀的作用.2# (0.03%C)时，钢几乎为全体心立方结构，富碳的第 钢水冷样品()的锈层产生了明显的分层现象，外锈 2相很少，组织均匀，当碳含量较高(0.1%C)时，若 层疏松且多孔洞，但内锈层致密、无大孔洞.2#钢空 钢在轧后空冷，则得到接近平衡的显微组织，含有较 冷样品()的锈层也产生了分层现象，外锈层比较疏 多的富碳相，如渗碳体、珠光体，若钢在轧后水冷， 松，富空洞，内锈层中有贯穿性的裂纹，导致腐蚀液 得到非平衡组织，则富碳相含量依然可以很少，当 直接与钢基体接触，所以在与钢基体相接的锈层中 显微组织相同时，不同碳含量样品的耐蚀性基本相 又出现了疏松的锈层，对比钢O9 CuPCrNi(g)的外 同，究其原因，是钢的腐蚀过程本质上是一个电化 锈层疏松且有空洞，内锈层是不具有保护性的疏松 学过程，提高了钢的组织均匀性，就相当于减小了 层，与基体结合不紧密， 腐蚀电池阴阳极的电位差，因而会导致腐蚀速率的 2分析与讨论 降低，特别是减缓了发生局部腐蚀的趋势，在低合 金钢中，合金元素含量总体偏低，因而合金元素对腐 (1)由图1金相组织照片可知，实验钢的水冷 蚀过程的直接作用有可能较小，而显微组织的作用 样品，显微组织是均匀的单相贝氏体组织，没有明显 将变得突出. 的相间电位差，而且由图4锈层截面微观形貌可 知，实验钢的水冷样品内锈层比较致密，有效阻碍了 3结论 腐蚀液向基体渗透，使内锈层发生阴极还原受阻及 (1)实验钢轧后水冷的组织类型以均匀的贝氏 基体阳极溶解较难发生，提高了钢的耐蚀性·2钢 体为主，轧后空冷的钢组织是由针状铁素体、粒状贝 的空冷样品是准多边行铁素体、针状铁素体、粒状贝 氏体、M/A小岛和少量渗碳体（珠光体）组成的复相 氏体、一些M/A小岛和渗碳体（珠光体）等的复合 组织 组织，对比钢O9 CuPCrNi是铁素体和珠光体的复相 (2)从力学实验和干湿复合加速腐蚀实验结果 组织结构，相间电位差比较高，虽然也有内锈层， 显示，实验钢的强度比对比钢强度高，而耐蚀性仍比 但内锈层不致密，不具有保护性，腐蚀容易进一步发 对比钢好，水冷的低碳贝氏体钢的耐蚀性最好， 生，所以耐蚀性相对较差. O9 CuPCrNi的耐蚀性最差， (2)文献指出，电化学腐蚀初期速率很快，后期 (3)在碳含量比较低的情况下，即使空冷时，钢 由于致密锈层的形成阻碍了腐蚀的加深，腐蚀速度 的组织仍以较均匀的铁素体贝氏体为主，高碳含量 会减慢o).从图2可以看出：在腐蚀初级阶段(1~ 第2相很少，这时加工工艺对钢种的耐蚀性影响不 2周期)，实验钢腐蚀速度较慢，这是因为实验钢表 大；碳含量比较高时，不同加工工艺下情况不同，组 面有一层自然形成的化学钝化膜，一定程度上阻碍 织类型影响较大，均匀单相贝氏体的钢比组织类型 了腐蚀的进行，所以初期腐蚀速度较慢；实验中间阶 是铁素体、渗碳体（珠光体）等的复相组织钢耐蚀 段(3~4周期)，腐蚀速度加快，因为经过初期的腐 性好 蚀，实验钢表面的化学钝化膜已经被腐蚀过程所破 (4)在组织类型都是均匀单相贝氏体的情况 坏；实验后期(4~5周期)，各实验钢的腐蚀速度又 下，不同碳含量的钢耐蚀性差别不大；组织类型都是 有所减慢，这是因为样品表面形成了一层保护性较 铁素体、渗碳体（珠光体）等的复相组织时，碳含量低 好的致密内锈层，一定程度上也阻碍了腐蚀的进行， 的钢比碳含量高的钢耐蚀性要好， 所以腐蚀速度减慢， 从除锈的实验过程中也可以看到，初期样品表 参考文献 面只是一层疏松的锈层，腐蚀液可以渗透锈层，这样 [1]Graville B A.Cold cracking in welds in HSLA steels//Proceed- 的锈层对腐蚀没有阻碍作用.在腐蚀的后期，随腐 ings on Welding of HSLA Microalloyed)Structural Steels Rome).Metals Park.Ohio:ASM.1978:85 蚀时间递增，形成了一层发黑的较致密内锈层，除锈 [2 Garcia C I,Lis A K.Pytel S M:et al.Ultralow carbon hainitic 时不易除掉，说明它和基体结合较紧密，对基体起到 steel plate steels:Processing.microstructure and properties. 了保护作用，阻碍腐蚀的进一步发生， Trans Iron Steel Soc AIME.1992,13:103 (下转第34页)
钢空冷样品（f）、对比钢09CuPCrNi（g）形成的锈层 是不同的．1＃钢水冷样品（b）的锈层虽然在局部有 些空洞但未形成贯穿性的孔隙且空洞之外的锈层 比较致密故可以起到阻碍进一步腐蚀的作用．2＃ 钢水冷样品（d）的锈层产生了明显的分层现象外锈 层疏松且多孔洞但内锈层致密、无大孔洞．2＃钢空 冷样品（f）的锈层也产生了分层现象外锈层比较疏 松富空洞内锈层中有贯穿性的裂纹导致腐蚀液 直接与钢基体接触所以在与钢基体相接的锈层中 又出现了疏松的锈层．对比钢09CuPCrNi（g）的外 锈层疏松且有空洞内锈层是不具有保护性的疏松 层与基体结合不紧密． 2 分析与讨论 （1） 由图1金相组织照片可知实验钢的水冷 样品显微组织是均匀的单相贝氏体组织没有明显 的相间电位差．而且由图4锈层截面微观形貌可 知实验钢的水冷样品内锈层比较致密有效阻碍了 腐蚀液向基体渗透使内锈层发生阴极还原受阻及 基体阳极溶解较难发生提高了钢的耐蚀性．2＃钢 的空冷样品是准多边行铁素体、针状铁素体、粒状贝 氏体、一些 M／A 小岛和渗碳体（珠光体）等的复合 组织对比钢09CuPCrNi 是铁素体和珠光体的复相 组织结构相间电位差比较高［9］虽然也有内锈层 但内锈层不致密不具有保护性腐蚀容易进一步发 生所以耐蚀性相对较差． （2） 文献指出电化学腐蚀初期速率很快后期 由于致密锈层的形成阻碍了腐蚀的加深腐蚀速度 会减慢［10］．从图2可以看出：在腐蚀初级阶段（1～ 2周期）实验钢腐蚀速度较慢这是因为实验钢表 面有一层自然形成的化学钝化膜一定程度上阻碍 了腐蚀的进行所以初期腐蚀速度较慢；实验中间阶 段（3～4周期）腐蚀速度加快因为经过初期的腐 蚀实验钢表面的化学钝化膜已经被腐蚀过程所破 坏；实验后期（4～5周期）各实验钢的腐蚀速度又 有所减慢这是因为样品表面形成了一层保护性较 好的致密内锈层一定程度上也阻碍了腐蚀的进行 所以腐蚀速度减慢． 从除锈的实验过程中也可以看到初期样品表 面只是一层疏松的锈层腐蚀液可以渗透锈层这样 的锈层对腐蚀没有阻碍作用．在腐蚀的后期随腐 蚀时间递增形成了一层发黑的较致密内锈层除锈 时不易除掉说明它和基体结合较紧密对基体起到 了保护作用阻碍腐蚀的进一步发生． （3） 从本实验所得结果来看低合金钢的耐蚀 性主要取决于其显微组织碳含量的影响主要通过 它 对 显 微 组 织 的 影 响 来 体 现． 当 低 碳 含 量 （0∙03％C）时钢几乎为全体心立方结构富碳的第 2相很少组织均匀．当碳含量较高（0∙1％C）时若 钢在轧后空冷则得到接近平衡的显微组织含有较 多的富碳相如渗碳体、珠光体．若钢在轧后水冷 得到非平衡组织则富碳相含量依然可以很少．当 显微组织相同时不同碳含量样品的耐蚀性基本相 同．究其原因是钢的腐蚀过程本质上是一个电化 学过程．提高了钢的组织均匀性就相当于减小了 腐蚀电池阴阳极的电位差因而会导致腐蚀速率的 降低特别是减缓了发生局部腐蚀的趋势．在低合 金钢中合金元素含量总体偏低因而合金元素对腐 蚀过程的直接作用有可能较小而显微组织的作用 将变得突出． 3 结论 （1） 实验钢轧后水冷的组织类型以均匀的贝氏 体为主轧后空冷的钢组织是由针状铁素体、粒状贝 氏体、M／A 小岛和少量渗碳体（珠光体）组成的复相 组织． （2） 从力学实验和干湿复合加速腐蚀实验结果 显示实验钢的强度比对比钢强度高而耐蚀性仍比 对比钢好．水冷的低碳贝氏体钢的耐蚀性最好 09CuPCrNi 的耐蚀性最差． （3） 在碳含量比较低的情况下即使空冷时钢 的组织仍以较均匀的铁素体贝氏体为主高碳含量 第2相很少这时加工工艺对钢种的耐蚀性影响不 大；碳含量比较高时不同加工工艺下情况不同组 织类型影响较大均匀单相贝氏体的钢比组织类型 是铁素体、渗碳体（珠光体）等的复相组织钢耐蚀 性好． （4） 在组织类型都是均匀单相贝氏体的情况 下不同碳含量的钢耐蚀性差别不大；组织类型都是 铁素体、渗碳体（珠光体）等的复相组织时碳含量低 的钢比碳含量高的钢耐蚀性要好． 参 考 文 献 ［1］ Graville B A．Cold cracking in welds in HSLA steels∥ Proceedings on Welding of HSL A （ Microalloyed ） Structural Steels （ Rome）．Metals ParkOhio：ASM1978：85 ［2］ Garcia C ILis A KPytel S Met al．Ultra-low carbon bainitic steel plate steels：Processing microstructure and properties． T rans Iron Steel Soc AIME199213：103 （下转第34页） ·20· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
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