Corrors. Sci.：含乙酸的饱和二氧化碳NaCl溶液中，应力和缝隙对N80碳钢腐蚀行为的协同效应

【引言】

缝隙腐蚀，是最危险的局部腐蚀之一，在短时间内就会在金属表面产生局部缺陷，易形成隐患。开采石油和天然气的井下管道，由于腐蚀性介质通过螺纹进入缝隙，易产生缝隙腐蚀。在CO₂气氛中，尤其是在含有有机酸的腐蚀性介质中，碳钢经常产生局部腐蚀。目前，在只有缝隙或应力存在时，对缝隙腐蚀和应力腐蚀裂纹敏感性有广泛的研究，但是在裂缝和应力共存下对钢的腐蚀研究很少，尚不清楚钢的腐蚀中应力和裂纹的关系。本文则研究了拉伸应力和缝隙共存时，N80碳钢在含有600mg/LHAc饱和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中的腐蚀行为。

【成果简介】

近日，华中科技大学张国安教授（通讯作者）在Corrosion Science上发表了题为“Synergistic effect of stress and crevice on the corrosion of N80 carbon steel in the CO₂-saturated NaCl solution containing acetic acid”的文章。该文章研究了在含有600mg/LHAc饱和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，N80碳钢在应力和缝隙共存下的腐蚀行为，证明了腐蚀活性随应力增加而增强。在缝隙口形成深腐蚀坑，导致应力集中，增加了应力腐蚀裂纹（SCC）的敏感性。同时应力集中也增大了缝隙腐蚀的驱动力。因此，应力和缝隙对钢的腐蚀有协同作用。

【图文解读】

图一 N80碳钢在空气中的应力（σ）- 应变（ε）曲线

拉伸强度和屈服强度分别为706.4 MPa和479.2 MPa。

图二 平面拉伸试样

按照GB / T 15970的标准进行加工。除了暴露区域的表面外，用绝缘漆涂覆试样。测试前，用800粒度的碳化硅纸将所有样品磨损，然后用丙酮脱脂并用蒸馏水清洗。

图三 电化学阻抗谱（EIS）测量示意图

不同应力（无缝隙）下的电化学测量，通过压缩弹簧对样品施加不同的拉伸应力。

图四 电流测量示意图

WE1：具有应力和/或缝隙的试样

WE2：没有应力和缝隙的试样

图五 腐蚀溶液中开路电位的时间相关性

腐蚀介质中，N80碳钢在各种应力（无缝隙）下的腐蚀电位的时间相关性。可以看出，在初始阶段腐蚀电位向负方向偏移，然后逐渐达到相对稳定的值。

图六 不同应力下N80碳钢的EIS图

(a) 0 MPa，奈奎斯特图

(b) 0MPa，伯德图

(c) 100 MPa，奈奎斯特图

(d) 100 MPa，伯德图

(e) 300 MPa，奈奎斯特图

(f) 300 MPa，伯德图

(g) 450 MPa，奈奎斯特图

(h) 450 MPa，伯德图

图七 不同时间下EIS的等效电路模型

(a) 2h

(b) 4h, 46h, 120h

图八 N80碳钢电荷转移电阻（Rct）的时间相关性

在不同应力（无缝隙）的情况下，N80碳钢在腐蚀介质中电荷转移电阻（Rct）的时间相关性。

图九 不同应力下，腐蚀前后的SEM表面形貌

(a)腐蚀前

(b) 0 MPa，腐蚀120h后

(c) 100 MPa，腐蚀120h后

(d) 300 MPa，腐蚀120h后

(e) 450 MPa，腐蚀120h后

图十 不同应力下，腐蚀120h后样品的EIS曲线

（a）0 MPa

（b）100 MPa

（c）300 MPa 

（d）450 MPa

图十一 腐蚀后样品缝隙口处的三维腐蚀剖面和横截面深度

(a,b) 0 MPa

(c,d) 100 MPa

(e,f) 300 MPa

图十二 不同应力下，腐蚀后样品的电位曲线与电流效应

(a) 0 MPa

(b) 100 MPa

(c) 300MPa

(d) 450 MPa

(e) 电流

图十三 腐蚀后样品的电流效应

(a)WE1&WE2无缝隙，无应力。

(b)WE1有缝隙，无应力；WE2无缝隙，无应力。

(c)WE1无缝隙，300MPa；WE2无缝隙，无应力。

(d)WE1有缝隙，300MPa；WE2无缝隙，无应力。

图十四 试样腐蚀前的冯.米塞斯应力分布

(a) 800N

(b) 2400N

(c) 3600N

图十五 试样腐蚀后的冯.米塞斯应力分布

(a) 整体试样网格

(b) 整体试样冯.米塞斯应力分布

(c) 试样腐蚀槽网格

(d) 腐蚀槽区域冯.米塞斯应力分布

图十六 腐蚀槽深度与应力临界值

试样腐蚀168h后，腐蚀槽深度随应力增大而增大，687MPa时达到屈服强度，产生塑性变形。

【小结】

本文介绍了在含有600mg/LHAc饱和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，N80碳钢的腐蚀行为中，拉伸应力与裂纹的关系，得出了如下结论：

（1）随着N80碳钢的腐蚀应力增加，腐蚀电位变大，腐蚀速率提高。

（2）在缝隙存在的情况下，可能发生N80碳钢的缝隙腐蚀，并且在缝隙口处形成深腐蚀槽，施加应力时，腐蚀槽会引起应力集中，提高钢的SCC敏感性。

（3）腐蚀槽处的应力集中导致缝隙口处电位的负向偏移。碳钢内外缝隙之间产生较大的腐蚀驱动力，对钢铁造成更严重的腐蚀。因此，600mg/LHAc饱和CO₂的1.65wt％NaCl溶液中，缝隙和应力对N80碳钢的腐蚀具有协同效应。

文献链接：Synergistic effect of stress and crevice on the corrosion of N80 carbon steel in the CO₂-saturated NaCl solution containing acetic acid（Corrors. Sci, May 05, 2017, DOI: 10.1016/j.corsci.2017.05.005）

本文由材料人编辑部陈炳旭编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。