交流电/应力场耦合对X80钢SCC裂纹萌生与发展的影响机理

随着电力、能源以及交通行业的飞速发展，由于地理位置的限制，埋地金属管道与高压输电线路或电气化铁路并行或交叉铺设不可避免，甚至都集中在一个局部地区形成所谓的“公共走廊”。埋地管道附近的架空高压交流输电线路或交流电气化铁路将会对埋地管道产生交流干扰，导致管道加速腐蚀破坏。而对交流杂散电流腐蚀的机理乃至对高强管线钢应力腐蚀机理的研究对于高强管线钢的防护有着重要意义。 本课题研究了交流电作用下X80高强管线钢在不同pH环境中的腐蚀行为及应力腐蚀行为，交流电对三种pH环境中阴极保护效果的影响，应用电化学和有限元模拟手段对交流电促进腐蚀和提高应力腐蚀敏感性机理进行了解析，取得了大量创新性的成果。同时基于裂纹扩展实验，研究了交流电对离子迁移的影响，解析了交流电促进腐蚀的原因。基于有限元模拟解析了交流电的“趋肤效应”和局部促进氢析出模型，为高强管线钢SCC防护方法和措施的完善提供了理论依据。该研究系统地认识了交流电作用下高强管线钢应力腐蚀机理，进一步为提高我国油气管线防腐蚀体系水平提供了借鉴。

本项目拟建立管线钢在交流电场作用下的应力腐蚀模拟实验装置，并利用微区电化学测量技术和裂纹尖端微观观测技术，开展在高pH值介质体系中X80高强管线钢在交流电/应力场耦合下的应力腐蚀裂纹萌生与扩展规律及应力腐蚀微区电化学行为的研究。通过系统研究交流电场（交流电流密度、频率、波形）对X80高强管线钢的应力腐蚀行为与机理的影响，建立交流电场、应力场和腐蚀行为三者之间的关系，并进一步阐明在高pH介质体系下金属应力腐蚀裂纹形核、扩展与裂尖微区电化学行为的相关性。发展在含高pH介质体系中的高强管线钢腐蚀电化学及应力腐蚀理论，揭示交流电/应力场耦合对高强管线钢应力腐蚀的影响机制，为高强管线钢在交流电场中的安全使用以及工程选材、设计与防护奠定理论基础。

裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性综合作用的结果，从裂纹的形成到出现，必须有作用应力，且材料本身不能承受此应力。因此，要理解连铸中各类裂纹的形成过程，就需要了解应力源和材料的高温特性，特别是延展性。而且需要指出的是，裂纹形成不见得均匀进行，可能有明显的裂纹开始和扩张阶段。下面就几种典型的表面裂纹和内部裂纹的形成机理进行分析。

连铸坯裂纹表面横向裂纹的形成机理

有证据表明，表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，并且与振痕附近的偏析有关。这些区域熔点低，且由于向结晶器的热传输降低，而使温度较高，从而导致热扯裂。当碳含量达到出现包晶的程度时，表面横向裂纹增加，尽管表面横向裂纹的早期形成阶段，可能位于结晶器内，但这些缺陷变大、变多则是在结晶器之后的低温区，当其受到来自各种渠道的应力作用，特别是象铸坯矫直时那样的应力作用时，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，表面横向裂纹很严重。由于热延展性受微合金影响强烈，所以有报道认为，这就是微合金元素影响表面横向裂纹的机理，除微合金元素析出物在表面横向裂纹的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂纹的扩张。这是由于振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中。

连铸坯裂纹表面纵向裂纹的形成机理

连铸坯表面纵向裂纹的产生往往与表面纵向凹陷相伴随。据认为，连铸坯表面纵向凹陷、裂纹是在结晶器弯月面附近产生，在二冷区得到扩展，因此，其根源在于钢水在结晶器内的凝固行为及其影响因素。各种原因导致的不均匀传热和不均匀凝固会造成铸坯凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其他部位慢，结晶组织粗化，对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水静压力引起的膨胀作用，在凹陷的薄弱处造成应力集中而产生裂纹。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的几率越大。

成分、结晶器状况、过热度、拉速、保护渣甚至是操作等导致的不均匀传热，都增加了铸坯产生表面纵向凹陷和裂纹的几率。

连铸坯裂纹内部裂纹的形成机理

最初在结晶器中形成的2-5mm厚的凝固壳为细小的等轴晶，之后凝固组织变为柱状晶。柱状晶的方向基本上与坯壳表面垂直，且平行于热流方向。随着凝固的进行，S,P等元素发生偏析，在固液界面前沿及枝晶之间富集。含S,P较高的晶界在大体积材料的固相线温度Tsol下仍处于液态，对于与柱状晶方向垂直的拉应力或拉应变而言，处于液相的晶界几乎没有塑性。开始出现零塑性的温度ZDT比固相线温度低30 ~ 70℃,当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，同时凝固前沿富含溶质元素的钢水有可能被“抽吸”进入裂纹。这就是内裂纹有时伴随着偏折线一起出现的原因。

初始形成的裂纹沿柱状晶晶界向固相扩展，由于温度逐渐降低，塑性和强度逐渐上升，或遇到表层等轴晶区，裂纹扩展被抑制。在随后的凝固过程中，如果凝固前沿继续受到应力或应变的作用，则已形成的内裂纹将随着凝固界面的推进而连续“生长” 。

膜破裂-阳极溶解模型是应力腐蚀（SCC）最广为接受的机理，但钝化膜的破裂仅仅考虑了局部机械应力的作用。我们在利用原子力显微镜的电流模式（CSAFM）测量2507双相钢钝化膜的电流-电压（I-V）曲线时发现，仅仅增加160 nN的力就可以使钝化膜电流值增大2-3个数量级。因此，应力不仅仅从机械方面使钝化膜破裂，而且与电场存在强烈的耦合效应。本课题拟用CSAFM在微观尺度原位研究拉−压应力对不锈钢钝化膜半导体微观电学性能的变化，结合非原位测量技术获得的钝化膜的结构和化学成分，弄清外力导致钝化膜半导体微观电学性质变化的规律，以及与钝化膜的结构和化学成分变化之间的关系，并且理论分析应力对钝化膜半导体禁带宽度和载流子密度的影响，进而揭示钝化膜力电耦合效应对钝化膜破裂影响的微观机理，从力电耦合的新角度解释应力腐蚀机理。

以剥落为主的失效问题，一直是制约涂层在高温环境下应用的关键性难题。涂层的热致剥落驱动力不仅依赖涂层与基体材料在物理、力学性能方面的本征失配，也与涂层的裂纹组态密切相关。本项目基于群体裂纹增韧的思路，采用激光改性技术预先对基体表层进行离散处理，研究了涂层中分割裂纹组态形成的规律及机理。通过对基体激光离散改性形成“分割涂层”的试验研究、理论建模和数值计算，系统总结了“分割”裂纹密度的影响因素及其影响规律，得到了分割裂纹组态形成的主控参数。 考虑基体表层离散淬火区对涂层/基体体系应力分布的影响，建立了涂层“分割裂纹”的萌生、扩展驱动力的理论模型及计算方法，揭示了基体激光离散改性形成“分割涂层”的物理机制。将基体激光淬火区近似视为呈周期分布的离散夹杂，采用Eshelby本征应变(eigenstrain)方法表征由于相变产生的体积应变，建立了离散淬火基体/涂层体系的应力、应变场理论模型。采用有限元方法得到了涂层/基体体系的应力、应变场。提出了计算涂层-基体系统里“分割”裂纹扩展驱动力的权函数模型，并在此基础上，采用权函数方法确定了“分割裂纹”应力强度因子的影响因素及影响规律。采用相似理论和量纲分析理论建立各类无量纲参数之间的标度律。本项目的理论研究与试验结果吻合良好，将为相关涂层的延寿设计提供理论依据与技术支持。 2100433B