退火对A32钢焊接接头耐蚀性能的影响

姜文龙，谭 力，高延敏

(江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)

退火对A32钢焊接接头耐蚀性能的影响

姜文龙，谭 力，高延敏*

(江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)

A32钢焊接接头广泛应用于船舶工业，其耐蚀性能的优劣对于焊接接头的力学性能和使用寿命至关重要.采用扫描电镜，超景深数码显微镜和电化学分析仪等表征手段，研究了船用A32钢焊接接头在进行去应力退火前后各部位在模拟海水溶液中的腐蚀行为，并对相关影响因素进行了讨论.结果表明:800℃去应力退火后，A32钢焊接接头部位耐蚀性能显著提高，这主要是由于在焊缝区和熔合区形成了趋向一致的树枝晶，母材组织铁素体增多，珠光体减少;另外，退火后的锈层成分为Fe2O3和α-FeOOH，较退火前的焊接接头锈层致密、覆盖完整，防腐蚀性能更好.

焊接接头;退火;组织;腐蚀

A32高强度钢广泛应用于制造大型游轮，散、货轮，集装箱船舶等大型船只，同船用其他钢材相比，有较好的机械性能、较低的成本，同时提高了船体间结合的强度.但其热膨胀系数较高，焊件往往存在较大的焊接残余应力，在实际使用中残余应力和外载荷共同作用将会降低焊接件的力学性能和使用寿命［1］.在船舶连接部位加工过程中，经常会采用应力退火措施来提高钢材的性能［2-3］，退火热处理虽然能够在一定程度上消除残余应力，但是会引起焊接接头组织结构的变化［4］，从而影响焊接接头耐腐蚀性能［5-6］.文献［7］研究了热处理对35CrMo钢硬度、显微组织的影响，发现淬火样由于存在较大的淬火应力导致应力腐蚀倾向增大;文献［8］研究了热处理对 K55钢硬度、显微组织的影响，结果表明热处理改善了K55钢的组织结构，腐蚀倾向降低，试样耐蚀性提高;文献［9］采用去应力退火处理310S钢焊接接头，发现焊接接头的硬度总体分布规律不变，由于存在热处理态残余压应力，去应力退火后平均显微硬度得以提高.虽然，退火对于焊接接头的处理工艺已经很成熟了，但是，有关热处理对A32钢焊接接头腐蚀的研究却鲜有报道，尤其是模拟海洋水环境对焊接接头进行耐蚀性能的研究实验报道更是少之又少.文中针对A32钢焊接接头组织，通过去应力退火后超景深数码显微镜观察、电化学测试、XRD及SEM法，分析了退火前后的焊接接头组织与腐蚀的关系，探讨了组织变化衍生出的腐蚀产物与耐腐蚀性的关系.

1 试验

试样选用沪东中华船厂现役A32船用低碳高强钢板，板厚20 mm，化学成分如表1.母材采用焊条电弧焊.去应力退火温度为800℃，保温时间为40 min，然后空冷至室温.随后对试样进行打磨、抛光.采用3%硝酸酒精做腐蚀剂，腐蚀时间3～5 s.

表1 试验用A32钢材的化学成分Table 1 Chemical composition of the tested A32 steel

采用VHX-900超景深数码显微镜对退火前后的焊接钢头微观组织结构变化进行观察;采用JMS5310扫描电镜研究试样腐蚀前后表面形貌的变化;采用岛津XRD-6000型X射线衍射仪研究焊接接头的化学成分和物相结构.

制备退火前后焊接接头，试样尺寸10 mm× 10 mm×4 mm，背面锡焊铜导线，用环氧树脂密封在PVC管中，试验前工作面分别用200，400，600，800，1 000，1 500级砂纸打磨、抛光.用无水乙醇、去离子水清洗，电吹风吹干后待用.利用CS2350双单元电化学工作站，在模拟海水的3.5%NaCl溶液中对A32钢焊接接头进行极化曲线测试，试样采用三电极体系，以铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，A32钢焊接接头为工作电极.极化曲线扫描范围-0.5～0.7 V，扫描速率0.5 mV/s，焊接工艺参数如表2.

表2 A32钢焊接工艺参数Table 2 Welding parameters of A32

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织观察及分析

图1为去应力退火前后的焊接接头金相组织.由图1a)，b)对比可知，焊缝区以粒状贝氏体(GB)为主，上面分布着马氏体奥氏体(M-A)组织，呈网状分布，800℃去应力退火40 min保温处理后，与焊态组织相比晶粒形貌和方向均变化不大，但晶粒大小略微增大.由图1c)，d)对比可知退火前熔合区由于焊后热循环作用，部分晶界局部熔化，晶粒发生再结晶从而形成粗大杂乱的形貌.而退火后的熔合区由于再次热处理使粗大杂乱的晶粒取向趋于一致，并形成树枝晶存在于熔合线附近.由图1e)，f)对比可知母材在去应力退火前组织为铁素体+珠光体［10］，珠光体呈粗大片状，晶态大小不等，晶粒疏松，有较多的破碎亚晶粒，结构为不规则片状;去应力退火后的母材组织珠光体明显减少，铁素体取向规则紧凑，铁素体+少量珠光体组织排列更加紧密均匀.

图1 退火前后焊接接头金相组织Fig.1 Metallographic structure of annealed and unannealed welded joints

2.2 耐腐蚀性能变化研究

图2为去应力退火前后焊接接头动电位极化曲线，从图上看，在阳极区都存在一个很窄的钝化区，形状几乎一致，表明热处理对阳极的电化学行为影响较小，而阴极电化学行为影响较大.退火前的焊接接头自腐蚀电位为-0.505 5 V，腐蚀电流密度为19.44×10-6A/cm2;退火后焊接接头自腐蚀电位为-0.464 86 V，腐蚀电流密度为9.23×10-6A/cm2.腐蚀电位较退火前变高，腐蚀电流密度较退火前变小，这种变化与组织结构有密切关系.焊接接头中铁素体是贫碳相组织而渗碳体为富碳相组织，珠光体是铁素体和渗碳体的共析体.由于铁素体和渗碳体的电位差很大，它们形成了腐蚀微电池.渗碳体电位高充当阴极，铁素体充当阳极，而析出的珠光体会优先腐蚀［11］.同时碳会在发生腐蚀的珠光体表面聚集，碳由于电极电位较高可作为阴极与金属基体形成腐蚀电偶，从而导致金属阳极腐蚀加剧.也就是说，退火处理后，金属组织结构变化影响了阴极的电化学行为，这引起了腐蚀电流的降低，从而降低了腐蚀速度，表明退火后的焊接接头腐蚀速率更低，耐腐蚀性能相比去应力退火前的焊接接头更好.

有些学者认为由于焊后残余应力释放，从而使焊接接头具有更好的耐蚀性［12］，这一观点依然有待探究.

由于工件较小，采用焊条电弧焊，在进行多层多道焊时，层间温度为50℃.较低的层间温度，可防止热影响区过热，有利于减小接头的热裂纹倾向，提高抗晶间腐蚀能力.

图2 退火前后焊接接头极化曲线Fig.2 Polarization curve of annealed and unannealed welded joints

2.3 退火对腐蚀产物的影响

焊接接头的组织与腐蚀后锈层的形成有一定关系，图3为去应力退火前后的焊接接头锈层表面形貌.退火前的锈层疏松，锈蚀产物粗大，孔隙明显，锈层部分存在裂纹，在氯离子环境中，氯离子本身具有很强的穿透性，空隙和裂纹的存在很大程度增加了腐蚀介质与基体的接触概率.而退火后的锈层致密紧凑，锈蚀产物细小且分布平整均匀，未出现局部腐蚀相对严重的情况，该锈层组织完整性较好，没有明显的孔隙裂纹缺陷因而该锈层对基体覆盖率高，保护较好.

对经过96 h干湿循环后的两种不同组织锈层XRD(图4)表明，去应力退火前后焊接接头腐蚀产物物相均由Fe3O4，α-FeOOH，γ-FeOOH组成，但两种组织的锈层比例存在一定差异.去应力退火前的焊接接头锈层的XRD(图4a)图像表明主要由Fe3O4，α-FeOOH和γ-FeOOH组成，去应力退火后(图4b)的焊接接头锈层中Fe3O4，α-FeOOH含量略微增多，γ-FeOOH的比例却大量下降.退火前焊接接头的母材组织含有大量珠光体，组织不规则，晶粒大小不等，所形成的锈层γ-FeOOH含量较多;退火后的焊接接头母材组织珠光体减少，组织规则紧凑，锈层中γ-FeOOH含量减少，而α-FeOOH增多.干湿环境下腐蚀中内锈层为Fe3O4，外锈层首先沉淀出不稳定的γ-FeOOH，由于干湿环境中O2的作用，使得焊接接头表面酸化，γ-FeOOH部分甚至全部溶解，进而转变成更稳定的α-FeOOH［13］.去应力退火后的焊接接头含有大量α-FeOOH说明所形成的锈层更加稳定、致密.

图3 退火前后焊接接头锈层形貌Fig.3 Rusty layer of annealed and unannealed welded joints

图4 退火后焊接头锈层XRDFig.4 XRD of annealed and unannealed welded joints

图5为去应力退火前后的锈层横截面对比，退火前后的锈层渗入深度相差不大，但是退火前锈层与基体连接不紧密，有锈层脱落并伴随有大量孔洞，并且有整个裂纹贯穿锈层，这种锈层作为腐蚀通道会大大降低锈层的耐腐蚀性能;退火后的锈层致密，延伸方向与基体平行，贯穿性裂纹较少，这种锈层可以阻止腐蚀介质与基体接触，有效减缓腐蚀.因此，含有珠光体较多的退火前的焊接接头耐腐蚀较差，而退火后的焊接接头耐蚀性较好.

图5 退火前后焊接接头锈层横截面Fig.5 Rusty layer section of annealed and unannealed welded joints

3结论

1)A32钢焊接接头经过退火后，焊缝区熔合区晶粒长大，部分晶界熔解，形成趋向一致的树枝晶;母材区铁素体增多，珠光体减少，耐蚀性提高.

2)退火后的焊接接头锈层致密、覆盖完整.退火前的焊接接头的锈层成分为Fe2O3，α-FeOOH和γ-FeOOH，退火后的锈层成分为 Fe2O3和α-FeOOH.

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(责任编辑:顾 琳)

Effects of anneal on the corrosion resistance properties of A32 welded joints

Jiang Wenlong，Tan Li，Gao Yanmin*

(School of Material Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

A32 steel is widely used in shipbuilding and the corrosion resistance properties of welded joints is key to the mechanical property and service life of welded joints.The corrosion behavior in simulated seawater of the annealed A32 welded joint was investigated using scanning electron microscope，super depth digital microscope and the electrochemical system，and the relevant factors were discussed.The results showed that the corrosion resistance properties of 800℃ annealed A32 welded joint had a great improvement because of the formation of dendritic grains growth，the increase of ferritein and the decrease of pearlite in the weld metal and fusion zone of annealed A32 steel.In addition，the rust layer annealed with 800℃ contained Fe3O2and α-FeOOH，which turned to be denser，more corrosion-resistant than the rust layer without annealing and of complete coverage.

welded joint;anneal;structure;corrosion

TG142.71

A

1673-4807(2015)06-0525-05

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.004

2015-07-20

姜文龙(1989—)，男，硕士研究生.*通信作者:高延敏(1964—)，男，教授，博士后，研究方向为腐蚀与防护.

E-mail:33268139@qq.com.

姜文龙，谭力，高延敏.退火对A32钢焊接接头耐蚀性能影响［J］.江苏科技大学学报(自然科学版)，2015，29(6):525-529.