超淬火态X6CrNiMoCu25-6钢在70°C合成海水中的腐蚀疲劳行为

《Next Materials》：Corrosion fatigue behavior of hyper-quenched X6CrNiMoCu25-6 steel in synthetic seawater at 70 °C

　　

本研究的目的是探究超淬火态X6CrNiMoCu25-6钢在70°C合成海水中的腐蚀疲劳行为。研究人员在代表泵部件运行条件的环境（根据ASTM 1141–86的合成海水）中，对标准化CT10试样进行了裂纹扩展试验。通过SEM显微断口分析，并结合试样表面的金相分析，阐明了显微组织、环境的物理化学特性（性质、pH、温度）和加载频率（Hz）对金属-环境相互作用模式的影响，及其对局部扩展速率的影响。在70°C合成海水中，疲劳裂纹扩展速率在约0.1 Hz的加载频率下显著加速。在此最大敏感性频率下，主要的扩展机制为铁素体解理，其起始于ΔK ≥ 60 MPa√m，对应约240 MPa的最大应力值。该值可能超过氢脆铁素体的临界解理应力。疲劳辉纹上可见的局部阳极溶解，是构成该钢的两种相吸附氢的来源。

**论文解读：超淬火态X6CrNiMoCu25-6钢在70°C合成海水中的腐蚀疲劳行为**

**1. 研究背景与意义**

奥氏体-铁素体不锈钢（即双相不锈钢）因其优异的铸造性、良好的焊接性和较高的力学性能，在核电站和火电站的循环水泵部件制造中得到广泛应用，例如大直径管道、主回路弯头和离心泵涡壳等。这类材料正逐步取代传统奥氏体不锈钢。然而，海水循环泵部件在制造过程中常需修复铸造缺陷，这成为疲劳裂纹萌生的潜在源头。在实际运行工况下，这些部件在海水中承受不同频率的循环应力，环境条件极易诱发应力腐蚀开裂或腐蚀疲劳，导致既有裂纹快速扩展，极端情况下可造成泵组完全失效。尽管该问题对发电设施安全构成严重威胁，但针对双相不锈钢在海洋环境中的腐蚀疲劳损伤机理的研究几乎处于空白状态。因此，本研究聚焦超淬火态X6CrNiMoCu25-6钢在70°C合成海水中的腐蚀疲劳行为，旨在揭示其裂纹扩展规律与微观机制，为工程部件的寿命评估和安全运行提供科学依据。

**2. 研究内容与主要结论**

研究人员采用标准化CT10紧凑拉伸试样，在常温和70°C合成海水（ASTM 1141–86）环境中开展疲劳裂纹扩展试验，结合扫描电子显微镜（SEM）断口形貌分析和金相组织观察，系统研究了加载频率、环境温度以及显微组织对裂纹扩展宏观速率和微观机制的影响。研究得出关键结论：在约0.1 Hz的加载频率下，疲劳裂纹扩展速率显著加速，比其它频率快约5倍；该频率对应最大敏感性区间，扩展机制由铁素体解理主导，解理起始门槛为ΔK ≥ 60 MPa√m，对应最大应力约240 MPa，该应力很可能超过氢脆铁素体的临界解理应力；疲劳条纹上观察到的局部阳极溶解（点蚀）是氢产生的来源，氢被构成钢的铁素体和奥氏体两相吸附，导致材料脆化。论文发表于《Next Materials》。

**3. 主要技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：材料组织和成分表征（利用能谱分析EDS结合SEM定性分析析出物与夹杂物）；电化学测试（循环伏安法测定点蚀电位、再钝化电位及临界点蚀温度，动电位极化法测定活化pH以评价缝隙腐蚀和点蚀扩展抗力）；腐蚀疲劳裂纹扩展试验（使用MTS试验机，CT10试样，载荷比R=0.1，频率范围0.01–10 Hz，结合视频摄像和柔度法实时监测裂纹长度）；SEM显微断口分析（通过测量疲劳条纹间距计算α相和γ相中的局部扩展速率）。材料为工业铸造X6CrNiMoCu25-6钢，超淬火态（空气淬火后1170°C保温2小时），未涉及样本队列来源。

**4. 研究结果**

**3.1 显微组织**

通过SEM结合EDS定性分析发现，α/γ界面存在细小的一次碳化物沉淀，成分为混合钛铌碳化物，经超淬火处理后未回溶。光学显微镜观察显示，样品中存在球状夹杂物，呈氧化物和硅酸盐特征，主要分布于奥氏体相和α/γ界面；EDS分析表明这些球状夹杂物富集Si、Ca和Ti元素。

**3.2 电化学性能**

循环动电位极化曲线测定了点蚀电位（Ep）、再钝化电位（Er）、钝化起始电位（Edp）和钝化电流（Idp）。在20°C合成海水中，材料表现出较高的Ep（1200 mV/ECS）和临界点蚀温度（TCP为60°C），活化pH为1.3，表明其具有良好的抗点蚀萌生能力。但温度升至70°C时，Ep降至350 mV/ECS，Er降至-140 mV/ECS，抗腐蚀性能显著下降。

**3.3 频率对最大扩展速度的影响**

在70°C合成海水中，不同加载频率（0.01、0.05、0.1、0.5和10 Hz）下的da/dN-ΔK曲线在ΔK为40–90 MPa√m范围内均呈现线性Paris区。Paris指数m在0.1–0.5 Hz频率区间内约为4，明显高于其它频率（约为3），说明该区间扩展速率更快。将扩展速度对频率作图，可区分出三个频率域：低频域（ν < 0.1 Hz）和高频域（ν >> 0.5 Hz）扩展速率较低且随频率变化不显著；中间频率域（0.1–0.5 Hz）扩展速率显著增大，ΔK从40增至80 MPa√m时速度比达1–10，表明该区间为腐蚀疲劳开裂最大敏感性频率范围。

**3.4 扩展机制分析**

通过对不同频率下疲劳断口的SEM分析，根据ΔK值划分出三种局部扩展机制：

**（a）低振幅区（ΔK ≤ 45 MPa√m）**：在所有频率范围内，两相均表现为韧性扩展，α和γ相中存在韧性疲劳条纹。相同ΔK下铁素体中的局部扩展速率高于奥氏体，且扩展行为受奥氏体相控制。局部速率几乎不依赖加载频率，在最大敏感性频率范围内介质对断口形貌影响较弱，但铁素体相疲劳条纹上可见点蚀，表明存在选择性溶解。

**（b）平均振幅区（45 < ΔK < 60 MPa√m）**：α和γ相中仍可见疲劳条纹，但铁素体相中的局部扩展速率持续升高。在最大敏感性频率范围（0.1–0.5 Hz）内，宏观和微观扩展速率均显著高于其它频率域，铁素体相条纹上腐蚀坑密集，说明局部溶解作用加剧。

**（c）高振幅区（ΔK ≥ 60 MPa√m）**：在低频率域和高频率域，两相仍以韧性扩展为主，铁素体扩展较快。然而，在最大敏感性频率范围（0.1–0.5 Hz）内，观察到铁素体岛发生系统性解理的脆性扩展机制，这是宏观扩展速率显著增加的主要原因。所有频率和扩展机制下，主裂纹均呈穿晶扩展特征。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，腐蚀疲劳是机械损伤和电化学损伤的协同作用。在最大敏感性频率范围内，铁素体相发生局部阳极溶解（点蚀），产生的氢因其在铁素体中较高的扩散率和溶解度而优先被铁素体吸收，导致氢致解理。加载频率控制了裂纹张开时新鲜金属表面的暴露速率：频率降低有利于溶解和氢生成，但当频率过低时（ν < 0.1 Hz），钝化膜重建过程占优，抑制了显著的阳极溶解，因此扩展速率下降；频率过高（如10 Hz）时，溶解反应时间不足，扩展速率也较低。研究证实，X6CrNiMoCu25-6钢在0.1 Hz频率下的扩展速率远高于其它频率。

研究结论翻译如下：在70°C合成海水中，疲劳裂纹的扩展速率在约0.1 Hz的加载频率下显著加速，比其他频率快约五倍。在此最大敏感性频率下，超淬火态X6CrNiMoCu25-6钢的扩展机制主要为铁素体解理。该解理起始于ΔK ≥ 60 MPa√m，对应最大应力约240 MPa，该值很可能超过氢脆铁素体的临界解理应力。主裂纹尖端新产生表面上的疲劳条纹处可见局部阳极溶解（点蚀），其产生的氢被构成钢的两种相吸附，从而导致脆化。