碳含量对低合金马氏体钢在模拟海洋疏浚浆液中的侵蚀-腐蚀行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of carbon content on the erosion-corrosion behavior of low-alloy martensitic steels under simulated marine dredging slurry

低合金马氏体钢碳含量（0.1%-0.6%）对模拟海洋疏浚浆液侵蚀-腐蚀行为的影响研究表明，硬度提升初期（362.6-600 HV）通过抑制机械损伤（如切割和 extrusion）和促进工作硬化显著降低总损耗率（47.4%-68.4%主导侵蚀，27.3%-38.4%协同效应），但碳含量超过0.2%时腐蚀主导的侵蚀-腐蚀坑（0.2%-0.6%钢）导致材料损失加剧。临界硬度区间（460-600 HV）因塑性变形累积引发裂纹扩展成为薄弱环节，而0.6%碳钢（709.2 HV）通过高硬度（达沙粒硬度1.6倍）抑制裂纹形成，协同效应占比达38.4%。

　　本研究探讨了不同碳含量（0.1%至0.6%）的低合金马氏体钢与对比钢Q355在模拟海洋疏浚泥浆环境下的磨损-腐蚀行为。研究的主要目的是评估这些材料在海洋疏浚作业中的耐久性，从而为相关工程材料的选择和设计提供科学依据。疏浚作业通常涉及水下挖掘，使用专门的设备如挖泥船，对于航道建设、土地填海和海洋资源开发具有重要意义。然而，疏浚过程中，水流携带的泥沙和盐水会同时对输送管道造成磨损和腐蚀，这种相互作用会导致材料的降解程度超过单独磨损或单独腐蚀的总和。因此，管道的频繁更换不仅增加了人力成本，还影响了工程进度，限制了高性能挖泥船的建设效率。

为了更深入地理解这些材料在复杂工况下的表现，研究团队设计了五种不同碳含量的低合金马氏体钢，并结合Q355钢作为对照。这些钢的硬度范围从362.6 HV到709.2 HV，而Q355钢的硬度则为171.8 HV。实验中，使用旋转磨损-腐蚀测试系统模拟了实际工作环境，通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术，观察了材料表面和亚表面的形貌特征，以揭示磨损-腐蚀机制。测试过程中，样品在相同的转速（4.5 m/s）和转数（45000次）下进行，相当于总行程约60000米，以确保测试的代表性。

实验结果表明，磨损是造成总磨损-腐蚀损伤的主要因素，占总损伤的47.4%至68.4%。其次是磨损与腐蚀的协同效应，占27.3%至38.4%。随着碳含量的增加，磨损成分逐渐减少，而协同效应的占比则呈现出先降低后升高的趋势，这可能与硬度和耐腐蚀性之间的主导因素变化有关。对于低硬度钢（如0.1%碳钢和Q355钢），主要的损伤特征是切割和挤压，而当碳含量超过0.2%时，磨损-腐蚀坑开始显现，这可能对管道运输效率和安全运行构成挑战。此外，虽然提高硬度可以增强材料的耐磨性，但其效果并非线性，尤其是在中等硬度范围内（460-600 HV），重复的沙粒冲击会导致横向裂纹的出现，从而加速材料的降解。

在材料处理方面，研究团队采用了一套标准化流程，包括熔炼、铸造、1150°C下保温2小时的均匀化处理、热轧（7道次至16 mm厚度）和空气冷却。0.1%、0.2%和0.3%碳含量的钢在900°C下保温30分钟后进行水冷，而0.4%和0.6%碳含量的钢则在860°C下保温30分钟后再水冷，以获得完整的马氏体组织。随后，所有样品在200°C下保温1.5小时进行回火处理，以降低内部应力。Q355钢作为商业热轧低合金钢，用于对比，其化学成分同样列于实验数据中。

材料的硬度和冲击能量通过Vickers硬度计和冲击试验机进行测试。随着碳含量的增加，硬度显著提升，从362.6 HV到709.2 HV，而冲击能量则急剧下降，从192.3 J到5.8 J，表明材料的韧性明显降低。高碳含量的钢因晶格畸变和碳化物析出，导致晶界强度下降，从而影响韧性。0.6%碳含量的钢表现出最低的硬度和显著的延展性降低，而Q355钢虽然硬度最低，但其冲击能量却高于其他低硬度钢，这可能与其组织结构和晶粒分布有关。

测试系统采用MSH旋转装置，通过改变流体方向和减少涡流的生成，模拟了疏浚环境下的磨损-腐蚀行为。样品以10°倾斜角放置，以提高旋转稳定性，同时模拟高角度的磨损-腐蚀条件。测试过程中，使用了3.5% NaCl溶液和0.5 mm的沙粒（质量浓度为66.7%）进行磨损-腐蚀实验，纯磨损实验使用自来水和沙粒，纯腐蚀实验则仅使用3.5% NaCl溶液。通过分析测试后的样品质量损失，计算了不同工况下的磨损-腐蚀速率。结果表明，随着碳含量的增加，磨损-腐蚀速率呈现出明显的三阶段下降趋势，初期下降迅速，随后逐渐减缓，最后急剧下降。

通过SEM和EDS分析，研究团队观察到了不同碳含量钢的表面和亚表面形貌变化。低硬度钢（如Q355和0.1%碳钢）的表面损伤以切割和挤压为主，而随着碳含量增加，磨损-腐蚀坑逐渐显现，这可能与材料的抗腐蚀能力不足有关。0.6%碳钢由于硬度极高，表面变形程度较低，因此表现出更好的磨损-腐蚀性能，但同时也带来了表面粗糙度增加和管道运输效率下降的问题。此外，EDS分析显示，磨损-腐蚀坑内部含有较多的氧和氯元素，表明氧化反应在坑内发生，而坑外则因腐蚀而形成较大的应力集中区域，导致坑的扩展速度加快。

在讨论部分，研究团队分析了硬度对磨损-腐蚀行为的影响。随着硬度的增加，磨损-腐蚀阻力先快速提升，随后逐渐上升，最后再次迅速提升。然而，在中等硬度范围内，硬度提升并未带来相应的磨损-腐蚀性能改善，反而因重复的塑性变形和横向裂纹的形成而降低了材料的抗降解能力。Q355钢虽然硬度较低，但其磨损-腐蚀阻力却优于其他马氏体钢，这可能与其较高的位错密度和较强的工件硬化能力有关。研究还指出，Q355钢在磨损-腐蚀后，其硬化层硬度显著提升，约为原始硬度的198.3 HV，而0.4%碳钢的硬度提升则相对较小，约为56 HV。

在协同效应方面，研究发现，磨损与腐蚀的相互作用不仅增加了材料的降解速度，还导致了非均匀腐蚀的发生。对于低硬度钢（如0.1%和0.2%碳钢），协同效应的占比相对较高，而随着碳含量的增加，协同效应的占比逐渐减少，但在0.6%碳钢中又有所回升。这表明，当材料硬度达到一定水平后，其抗腐蚀能力可能成为影响协同效应的关键因素。此外，研究还探讨了协同效应的两种机制：磨损增强腐蚀（E-C）和腐蚀增强磨损（C-E）。其中，E-C主要由磨损产生的塑性变形和裂纹扩展引发，而C-E则由腐蚀导致的硬度降低和局部电化学反应促进。这两种机制共同作用，导致材料的快速降解。

在材料设计方面，研究强调了碳含量对磨损-腐蚀性能的显著影响。虽然增加碳含量可以提高硬度，从而增强抗磨损能力，但过度增加碳含量可能导致材料韧性下降，增加裂纹形成和扩展的风险。因此，在设计海洋疏浚材料时，需要在硬度和韧性之间找到最佳平衡点。同时，研究建议在材料中适当添加耐腐蚀元素（如Cr、Mo、Cu），以提高抗腐蚀能力，从而减少协同效应带来的损伤。

总结来看，本研究揭示了不同碳含量低合金马氏体钢在海洋疏浚环境下的磨损-腐蚀行为及其机制。随着碳含量的增加，磨损-腐蚀性能呈现出先提升后下降的趋势，这与材料硬度和抗腐蚀能力之间的相互作用密切相关。在中等硬度范围内，材料的韧性下降和裂纹形成成为限制其性能的关键因素。因此，在未来材料设计中，应综合考虑硬度和韧性的平衡，同时引入适当的耐腐蚀元素，以提高材料在复杂工况下的使用寿命和可靠性。这些发现为海洋疏浚工程中管道材料的选择提供了重要的理论依据和实践指导。