塑性变形对 304L/Q245R 复合管弯头中 304L 覆层局部腐蚀行为的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of plastic deformation on the localized corrosion behavior of 304L cladding in 304L/Q245R clad pipe elbows

　　

摘要

冷推弯工艺引入的塑性变形会改变304L/Q245R复合管弯头中304L覆层在含Cl?环境下的局部腐蚀行为。明确塑性变形与局部腐蚀敏感性之间的关系，对于评估成形后复合管弯头的耐蚀性能具有重要意义。本研究采用有限元模拟确定冷推弯过程中304L覆层的等效塑性应变分布，结果显示变形范围从0%到约40%。基于此结果，选取0%、10%、20%、30%和40%的等效塑性应变水平作为代表性变形状态。通过X射线衍射、动电位极化、电化学阻抗谱和静态浸泡腐蚀试验，评估了不同变形状态下304L覆层的晶格响应、钝化膜稳定性和局部腐蚀行为。结果表明，塑性变形改变了奥氏体γ相的晶格状态，导致衍射峰宽化，但未检测到明显的相变。304L的局部腐蚀敏感性在所研究的变形状态间呈现出明显的非单调趋势。在所有变形状态中，10%塑性变形试样表现出相对较低的点蚀抗力和钝化膜保护特性，其点蚀电位最低（0.011 V），钝化电流密度最高（7.509×10?6 A/cm2），膜电阻最小（63.68 Ω cm2）。这些结果表明，在本实验条件下，局部腐蚀敏感性相对较高的变形状态并不与最大塑性变形状态相对应。因此，在304L/Q245R复合管弯头成形后的腐蚀评估与检测中，应考虑低到中等变形区域。

引言

在腐蚀性介质输送条件下，304L/Q245R复合管弯头通过304L不锈钢覆层与Q245R碳钢板基底的结合，可以满足内表面防腐蚀保护和整体结构承载能力要求[[1],[2],[3]]。在含Cl?环境中，304L覆层表面的钝化膜可能因Cl?吸附和局部缺陷而失去稳定性，从而诱发腐蚀坑的萌生和扩展[[4],[5],[6]]。随着局部腐蚀坑不断发展和向覆层内部延伸，覆层的有效厚度和腐蚀屏障功能逐渐降低。这进一步增加了Q245R基底暴露和复合管弯头服役可靠性局部退化的风险[[7],[8],[9]]。对304L覆层腐蚀行为的评估应同时考虑其固有耐蚀性和其对管材成形过程中引入的塑性变形的响应。

对于大直径或厚壁复合管弯头，热成形通常可以通过降低材料流变应力来提高成形性[10]，但整体高温热循环也可能对复合结构产生不利影响。Lin等[11]研究了热轧不锈钢复合板界面氧化物的演变，指出热加工过程中界面氧化物的形成会改变覆层/基底界面状态。Sun等[12]也报道了类似的界面相关效应，他们发现不锈钢/碳钢复合板界面处存在梯度碳化物析出和强化现象，表明高温加工会改变界面微观组织和元素分布。热效应也会影响不锈钢覆层的腐蚀行为。Zakaria等[13]发现敏化处理降低了304L不锈钢在含Cl?环境中的应力腐蚀开裂抗力，表明热诱导的微观组织稳定性变化可能影响不锈钢的腐蚀行为。

冷推弯可以在很大程度上避免整体高温热循环，减少热氧化、界面扩散和热影响区微观组织演变对复合结构的影响。Li等[14]综述了双金属复合管的弯曲和成形技术，指出冷弯及相关冷成形方法可以通过模具约束、加载路径控制和层间协调变形来实现复合管部件的成形。这为复合管的推弯成形提供了技术基础。Xie等[15]采用响应面法优化了薄壁管推弯的工艺参数，结果表明通过调整芯棒尺寸、摩擦条件和工艺参数可以提高成形质量并减少成形缺陷。Song等[16]提出了一种颗粒介质填充辅助推弯方法，指出合理的内支撑和成形路径控制可以抑制起皱等缺陷，同时保证薄壁管的成形质量。这些研究证明了冷推弯及相关冷成形工艺对于稳定管材成形的可行性。由于这些方法不需要对管坯进行整体加热，因此还可以减少与加热过程相关的额外能耗。在冷推弯过程中，304L覆层和Q245R基底在模具约束和加载路径控制下发生协调塑性变形。该过程在304L覆层中引入了不均匀的塑性应变，这可能进一步影响其在含氯环境中的钝化膜稳定性和局部腐蚀行为。

以往的研究已从成形应变状态和变形诱导微观组织演变的角度讨论了塑性变形对奥氏体不锈钢腐蚀行为的影响。Luo等[17]研究了冷变形对304L不锈钢电化学行为的影响，发现冷变形可以改变其钝化特性和表面电化学响应。Guan等[18]研究了U型弯变形对304L不锈钢点蚀行为的影响，报道了弯曲变形会影响点蚀萌生和局部腐蚀敏感性。Chu等[19]首次研究了U型弯变形引入的拉伸和压缩应变对304L不锈钢微观组织和腐蚀性能的影响，结果表明成形应变状态可以通过改变局部微观组织状态来影响304L不锈钢的表面电化学响应和局部腐蚀敏感性。

除应变状态外，塑性变形后的腐蚀行为还受残余应力、相组成和缺陷结构演化的影响。Bachani等[20]研究了冷轧和退火304L不锈钢，揭示了残余应力、相变和腐蚀行为之间的关系。他们指出，冷轧诱导的马氏体转变和位错密度增加会改变局部电化学响应，导致各向异性腐蚀行为。这些发现表明，塑性变形奥氏体不锈钢的腐蚀响应不仅受残余应力控制，还受变形诱导的相组成和缺陷结构变化的影响。变形诱导相变的作用进一步得到了Silva等[21]研究的支持，他们研究了不同变形程度和相组成的AISI 301LN和316L不锈钢的点蚀行为，报道了较高程度的塑性变形可以促进变形诱导马氏体的形成并降低材料的点蚀抗力。除相变外，塑性变形诱导的局部微观组织不均匀性也可能影响点蚀萌生。Liu等[22]研究了冷轧亚稳奥氏体不锈钢，发现冷轧降低了点蚀电位和极化电阻。他们进一步表明腐蚀坑优先在变形带中萌生，说明变形诱导的局部微观组织不均匀性可以为点蚀形核提供优先位置。

这些研究从不同角度揭示了塑性变形与奥氏体不锈钢局部腐蚀响应之间的关系。大多数研究集中于单一不锈钢材料或理想化变形状态，使得非均匀成形变形下复合管弯头的腐蚀行为尚不清楚。对于304L/Q245R复合管弯头的冷推弯工艺，304L覆层受Q245R基底约束、模具接触条件和成形路径的影响。在这些综合效应下，覆层的局部塑性变形状态表现出明显的空间不均匀性。在单一材料或均匀变形条件下获得的腐蚀行为不能直接用于解释冷推弯复合管弯头中304L覆层局部腐蚀敏感性的差异。有必要明确最大塑性变形状态是否对应局部腐蚀敏感性相对较高的变形状态，并识别对氯诱导局部腐蚀更敏感的变形状态。

基于上述问题，本研究以304L/Q245R复合管弯头为对象，采用有限元模拟获取304L覆层服役相关区域的等效塑性应变分布，选取0%、10%、20%、30%和40%作为代表性塑性变形程度，分析塑性变形程度对304L覆层局部腐蚀敏感性的影响。对不同塑性变形状态下的覆层进行X射线衍射表征、动电位极化、电化学阻抗谱和静态浸泡腐蚀试验，进而评估晶格响应、电化学行为和局部腐蚀损伤特征。本研究旨在明确304L覆层塑性变形与局部腐蚀敏感性之间的关系，评估所研究变形状态间腐蚀响应的变化，考察在本实验条件下是否存在明显的非单调趋势，并确定最大塑性变形状态是否对应局部腐蚀敏感性相对较高的变形状态。研究结果为评估304L/Q245R复合管弯头的腐蚀敏感变形状态和选择成形后腐蚀检测区域提供了初步依据。

试样制备

实验材料为304L/Q245R双金属复合板，由304L奥氏体不锈钢覆层和Q245R碳钢板基底通过爆炸复合工艺制造，两层之间形成冶金结合。304L覆层提供耐腐蚀性能，Q245R基底提供结构承载能力。304L覆层与Q245R基底的厚度比为3:10，如图1a所示。两种材料的化学成分……

拉伸断裂形貌

304L覆层断口表面观察到明显的韧性断裂特征，如图6a所示。低倍观察下，断口表面较为平缓，无连续解理台阶或广泛脆性断裂区域。随着放大倍数增加，断口表面观察到许多细小且均匀分布的等轴韧窝，撕裂棱连接韧窝，局部可见阶梯状撕裂特征，表明……

塑性变形304L覆层的晶格响应

在0~40%压缩塑性变形范围内，XRD未识别出明显的相变。主要变化与304L覆层中奥氏体γ相的平均晶格状态以及γ(220)衍射峰的峰宽化行为有关。该结果表明，在本变形条件下，塑性变形304L覆层的腐蚀响应并非主要由可检测的变形诱导马氏体……所主导。

结论

本研究在不同塑性变形状态下考察了冷推弯304L/Q245R复合管弯头中304L覆层的局部腐蚀行为。采用有限元模拟确定代表性变形水平，并通过XRD、动电位极化、电化学阻抗谱和静态浸泡腐蚀试验评估变形依赖的腐蚀响应。主要结论如下：

(1) 有限元模拟表明……

CRediT作者贡献声明

Peng Lin：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Haoran Yao：验证，调查研究，数据整理。Zhihao Li：可视化，调查研究，数据整理。Zhuoyun Yang：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取，概念化。Ao Liu：调查研究，形式分析，数据整理。Zhengzhuolun Li：可视化，调查研究，数据整理。Guojiang Dong：撰写——审阅与……

资助

本工作由中国河北省自然科学基金（项目编号E2024203071）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Peng Lin | Haoran Yao | Zhihao Li | Zhuoyun Yang | Ao Liu | Zhengzhuolun Li | Guojiang Dong
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