赵起越等：PH13-8Mo不锈钢在半乡村大气环境中长周期腐蚀行为 401 enhancing the protectiveness of the surface film.Additionally,the pre-passivation treatment with nitric acid reduces the loss in the mechanical properties after long-term exposure to the semi-rural atmospheric environment,although it has little effect on the fracture mode,and both the steel samples exhibit the typical morphologies of a ductile fracture. KEY WORDS PH13-8Mo stainless steel;pre-passivation treatment with nitric acid;semi-rural atmospheric corrosion;passivated film;mechanical properties PH13-8Mo是一种典型的高强马氏体沉淀强 面处理效果，保障基础设施安全服役有重大意义. 化不锈钢，它具有高强度高硬度，以及良好的韧 1实验材料与方法 性、延展性以及耐蚀性-习因而广泛应用于航空、 航天、传统核能以及海洋工程等领域的零部件制 1.1实验材料 造B-)由于PH13-8Mo不锈钢应用范围广，面临的 实验用PH13-8Mo不锈钢，为马氏体析出强化 腐蚀环境复杂，因此其耐蚀性能对飞机、舰艇的寿 不锈钢，主要化学成分见表1.对锻造后的PH13- 命及安全性尤其重要6-刀 8Mo钢块进行高温固溶处理和时效处理，高温固 近些年来，国内外众多学者对不锈钢在大气 溶处理的工艺为900℃保温1h,然后在油中淬 环境下的腐蚀行为进行了一系列研究，骆鸿等图 火，再用0℃的冰水进行水浴冷却处理，确保奥氏 和董超芳等)评估了304及316不锈钢在西沙群 体完全转变成马氏体.紧接着，在510℃保温4h 岛严苛海洋大气环境下不同时间暴晒后的腐蚀行 进行时效处理.PH13-8Mo不锈钢内部的组织结构 为与机理，Wallinder等io研究了表面处理对304L 及析出相分布通过透射电子显微镜(TEM,FEI 不锈钢耐大气腐蚀性能的影响，Button与Simm! TECNAI G.20)进行观察，切取500um厚的方片，将 考察了316不锈钢在英国不同地区暴露4~30a 试样磨薄至50m左右，经过电解双喷（溶液为体 的腐蚀情况，Cui等2研究了2507SDSS在酸化人 积分数5%的高氯酸+95%无水乙醇，温度为-25℃) 工海水中的钝化行为和表面电化学行为，上述研 将试样制备成Φ3mm的透射试样 究均表明，钝化膜组成及稳定性的不同对不锈钢 的耐大气腐蚀性能具有显著影响.众所周知，不锈 表1PH13-8Mo不锈钢的化学成分（质量分数） 钢表面的钝化膜主要由Cr和Fe氧化物组成)，在 Table 1 Composition of experimental steel 自然条件下，钝化膜会在不锈钢表面缓慢形成，但 C Si Mn P S Cr Ni Al Mo Fe 是自然形成的钝化膜的耐蚀性能是有限的，特别 0.0550.0650.0460.0230.0212.428.141.142.40 Balance 是对于Cr和Ni含量相对较低的马氏体不锈钢 因此，在实际应用中，对耐蚀性要求较高的不锈钢 将PH13-8Mo不锈钢加工成平板试样和拉伸 组件进行化学钝化处理，在其表面形成钝化膜 试样后（平板试样尺寸为100mm×50mm×3mm,拉 以提升其耐大气腐蚀性能. 伸试样尺寸为中5mm×70mm),用砂纸逐级打磨 目前，对于PH13-8Mo不锈钢的研究主要集中 至1500后分别用丙酮及无水乙醇清洗干燥后进 于热处理工艺、沉淀硬化工艺以及其氢脆敏感性 行钝化处理.本实验采用质量分数30%的浓硝酸 等5-7然而，受限于室外暴晒试验周期较长，所 溶液作为钝化液，将打磨后的试样浸没在钝化液 需的专业实验场地较大等因素，关于其大气腐蚀 中进行钝化处理60min,钝化液温度为25℃，处理 行为机理以及化学预钝化的影响却鲜有报道.因 后用蒸馏水冲洗干净并干燥后放于干燥器中待用， 此，本研究选择在北京半乡村大气环境试验站进 1.2实验与分析方法 行室外暴晒试验，北京半乡村大气环境属暖温带 将平板试样及拉伸试样经除污清洗及干燥 亚湿润区半乡村气候类型，相对湿度及C浓度都 后，使用精度为0.001g的分析天平称量平板试样 远低于海洋环境，但北京半乡村大气环境中含有 的原始重量并记录，之后根据《GB14165一93黑色 部分工业污染物，硫酸盐化速率及自然降尘量较 金属大气腐蚀试验方法》在属于半乡村大气的北 高.此外，通过质量损失分析、力学性能分析、表面 京试验站（北纬39.98°、东经116.26°，海拔73m)进 形貌及膜层分析，对比研究了预钝化前后PH13-8Mo 行室外暴露试验，平板试样每组4个平行样，拉伸 不锈钢长周期腐蚀行为、规律及机理，对揭示 试样每组5个平行样，试验周期为5a,试验期间暴 PH13-8Mo不锈钢的环境腐蚀规律，评估预钝化表 露场环境数据如表2所示.enhancing  the  protectiveness  of  the  surface  film.  Additionally,  the  pre-passivation  treatment  with  nitric  acid  reduces  the  loss  in  the mechanical properties after long-term exposure to the semi-rural atmospheric environment, although it has little effect on the fracture mode, and both the steel samples exhibit the typical morphologies of a ductile fracture. KEY  WORDS    PH13-8Mo  stainless  steel； pre-passivation  treatment  with  nitric  acid； semi-rural  atmospheric  corrosion； passivated film；mechanical properties PH13-8Mo 是一种典型的高强马氏体沉淀强 化不锈钢，它具有高强度高硬度，以及良好的韧 性、延展性以及耐蚀性[1−2] ，因而广泛应用于航空、 航天、传统核能以及海洋工程等领域的零部件制 造[3−5] . 由于 PH13-8Mo 不锈钢应用范围广，面临的 腐蚀环境复杂，因此其耐蚀性能对飞机、舰艇的寿 命及安全性尤其重要[6−7] . 近些年来，国内外众多学者对不锈钢在大气 环境下的腐蚀行为进行了一系列研究，骆鸿等[8] 和董超芳等[9] 评估了 304 及 316 不锈钢在西沙群 岛严苛海洋大气环境下不同时间暴晒后的腐蚀行 为与机理，Wallinder 等[10] 研究了表面处理对 304L 不锈钢耐大气腐蚀性能的影响，Button 与 Simm[11] 考察了 316 不锈钢在英国不同地区暴露 4～30 a 的腐蚀情况，Cui 等[12] 研究了 2507 SDSS 在酸化人 工海水中的钝化行为和表面电化学行为，上述研 究均表明，钝化膜组成及稳定性的不同对不锈钢 的耐大气腐蚀性能具有显著影响. 众所周知，不锈 钢表面的钝化膜主要由 Cr 和 Fe 氧化物组成[13] ，在 自然条件下，钝化膜会在不锈钢表面缓慢形成，但 是自然形成的钝化膜的耐蚀性能是有限的，特别 是对于 Cr 和 Ni 含量相对较低的马氏体不锈钢. 因此，在实际应用中，对耐蚀性要求较高的不锈钢 组件进行化学钝化处理[14] ，在其表面形成钝化膜 以提升其耐大气腐蚀性能. 目前，对于 PH13-8Mo 不锈钢的研究主要集中 于热处理工艺、沉淀硬化工艺以及其氢脆敏感性 等[15−17] . 然而，受限于室外暴晒试验周期较长，所 需的专业实验场地较大等因素，关于其大气腐蚀 行为机理以及化学预钝化的影响却鲜有报道. 因 此，本研究选择在北京半乡村大气环境试验站进 行室外暴晒试验，北京半乡村大气环境属暖温带 亚湿润区半乡村气候类型，相对湿度及 Cl−浓度都 远低于海洋环境，但北京半乡村大气环境中含有 部分工业污染物，硫酸盐化速率及自然降尘量较 高. 此外，通过质量损失分析、力学性能分析、表面 形貌及膜层分析，对比研究了预钝化前后 PH13-8Mo 不锈钢长周期腐蚀行为 、规律及机理 ，对揭 示 PH13-8Mo 不锈钢的环境腐蚀规律，评估预钝化表 面处理效果，保障基础设施安全服役有重大意义. 1    实验材料与方法 1.1    实验材料 实验用 PH13-8Mo 不锈钢，为马氏体析出强化 不锈钢，主要化学成分见表 1. 对锻造后的 PH13- 8Mo 钢块进行高温固溶处理和时效处理，高温固 溶处理的工艺为 900 ℃ 保温 1 h，然后在油中淬 火，再用 0 ℃ 的冰水进行水浴冷却处理，确保奥氏 体完全转变成马氏体. 紧接着，在 510 ℃ 保温 4 h 进行时效处理. PH13-8Mo 不锈钢内部的组织结构 及析出相分布通过透射电子显微镜 （ TEM, FEI TECNAI G20）进行观察，切取 500 μm 厚的方片，将 试样磨薄至 50 μm 左右，经过电解双喷（溶液为体 积分数 5% 的高氯酸+95% 无水乙醇，温度为−25 ℃） 将试样制备成 ϕ3 mm 的透射试样. 表 1  PH13-8Mo 不锈钢的化学成分（质量分数） Table 1   Composition of experimental steel % C Si Mn P S Cr Ni Al Mo Fe 0.055 0.065 0.046 0.023 0.02 12.42 8.14 1.14 2.40 Balance 将 PH13-8Mo 不锈钢加工成平板试样和拉伸 试样后（平板试样尺寸为 100 mm×50 mm×3 mm，拉 伸试样尺寸为 ϕ 5 mm×70 mm），用砂纸逐级打磨 至 1500#后分别用丙酮及无水乙醇清洗干燥后进 行钝化处理. 本实验采用质量分数 30% 的浓硝酸 溶液作为钝化液，将打磨后的试样浸没在钝化液 中进行钝化处理 60 min，钝化液温度为 25 ℃，处理 后用蒸馏水冲洗干净并干燥后放于干燥器中待用. 1.2    实验与分析方法 将平板试样及拉伸试样经除污清洗及干燥 后，使用精度为 0.001 g 的分析天平称量平板试样 的原始重量并记录，之后根据《GB 14165—93 黑色 金属大气腐蚀试验方法》在属于半乡村大气的北 京试验站（北纬 39.98°、东经 116.26°，海拔 73 m）进 行室外暴露试验，平板试样每组 4 个平行样，拉伸 试样每组 5 个平行样，试验周期为 5 a，试验期间暴 露场环境数据如表 2 所示. 赵起越等： PH13-8Mo 不锈钢在半乡村大气环境中长周期腐蚀行为 · 401 ·