耐候钢母材与焊丝匹配对焊接接头应力腐蚀性能的影响

, ,,,

(1. 西南交通大学 材料科学与工程学院，成都 610031； 2. 西南交通大学 生命科学与工程学院，成都 610031)

我国幅员辽阔，列车运行环境复杂，这对铁路车辆用钢的力学性能和耐腐蚀性能提出了十分严格的要求[1]。我国高铁线上运行的CRH2和CRH3型动车组转向架的材料分别为日本牌号的SMA490BW热轧耐候钢和欧洲牌号的S355J2W耐候钢[2]，焊接所采用的焊接材料有国产牌号的CHW-55CNH焊丝和符合国际标准ISO 14341-A《非合金钢和细晶粒钢金属极气体保护焊用实芯焊丝A系列》的G424M21Z的焊丝。母材与焊丝的搭配对焊接接头性能的影响重大，不同匹配所得接头的组织会有差别，因而其接头性能也表现出一定的差异，包括力学性能和耐蚀性等。目前关于耐候钢的研究主要集中在合金元素对耐候钢腐蚀性能的影响[3-4]，以及碳钢、耐候钢耐腐蚀性能的比较，对于焊接接头的性能研究，则主要集中在焊接性能及力学性能方面，关于接头耐腐蚀性能的研究也有涉及[5-7]，但关于焊丝及母材匹配对接头耐腐蚀性能的影响还少有报道。

本工作分别采用S355J2W和SMA490BW两种耐候钢材料，搭配CHW-55CNH和G424M21Z两种焊丝形成三种接头，对其显微组织及性能进行对比研究。

1 试验

试验钢选用12 mm厚的欧洲牌号的S355J2W耐候钢钢板和日本牌号的SMA490BW耐候钢钢板，其化学成分见表1。焊接材料选择直径1.2 mm的符合GB/T 8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》标准要求的CHW-55CNH焊丝以及符合ISO 14341-A标准的G424M21Z焊丝，其化学成分见表1。

表1 耐候钢及焊丝的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of the weathering steels and welding wires %

试验采用80% Ar+20% CO2的混合气体保护焊，采用V型坡口的对接接头形式，焊后进行去应力退火处理。将两种耐候钢母材与两种焊丝进行搭配，形成三种不同焊接接头，并将S355J2W母材搭配G424M21Z焊丝的焊接接头标记为EG，将S355J2W母材搭配CHW-55CNH焊丝的焊接接头标记为EC，将SMA490BW母材搭配CHW-55CNH焊丝的焊接接头标记为JC。

从焊接接头取金相试样，对其进行机械抛光，用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀后，在ProgRes C5型金相显微镜下观察接头的微观组织形貌。依据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》标准加工拉伸试样且焊缝位于试样中间，拉伸试验在DNS电子万能试验机上进行，试验加载速率为5 mm/min，温度为室温，每组取三个平行样，结果取其平均值。

慢应变速率试验主要参照 GB/T 15970.7-2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》进行，同时参考HB 7235-1995《慢应变速率应力腐蚀试验方法》。在试验中，腐蚀介质环境采用3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液，腐蚀介质温度为25 ℃，惰性环境介质采用空气，试验温度为室温。

采用Corrtest电化学工作站测焊接接头各微区的极化曲线。极化曲线测试采用三电极体系：饱和甘汞电极与铂电极分别作参比电极和辅助电极，焊接接头为工作电极。电解液为3.5% NaCl溶液。扫描速率为1 mV/s，扫描区间为-300～600 mV。将焊接接头制成10 mm×10 mm×10 mm的工作电极，其非工作面用704硅橡胶密封,工作面依次用240号、600号、800号、1 000号砂纸打磨，再机械抛光至表面光亮，用无水乙醇进行清洗，干燥后备用。

2 结果与讨论

2.1 室温拉伸性能

三种接头的室温拉伸性能如表2所示。由表2可以看出：EG和EC接头的抗拉强度及伸长率相近，断裂位置都在母材处；而JC接头的抗拉强度明显高于其他两种接头的,且伸长率较小，断裂位置在焊缝处。由此可知，对于S355J2W母材来说，无论搭配CHW-55CNH焊丝还是G424M21Z焊丝，形成的都是高匹配接头；而SMA490BW搭配CHW-55CNH焊丝的接头是低匹配接头。

表2 三种接头的室温拉伸性能对比Tab. 2 The comparison of the tensile properties of the three joints at room temperature

2.2 显微组织

图1～3是三种接头不同区域的显微组织。由母材区显微组织可见，三种接头的母材组织均呈带状分布，且JC接头母材组织的晶粒较其余两种接头的偏大。EG、EC和JC接头焊缝区组织较同一接头其他区域的更为粗大，其组织主要由沿奥氏体晶粒分布的白色粗大的块状先共析铁素体和少量珠光体组成；沿一定位向从奥氏体晶内析出的是板条状先共析铁素体，晶内分布着少量的粒状无碳贝氏体。比较可见，EG接头焊缝区组织最为粗大，JC接头焊缝区的组织最均匀。由EG、EC和JC接头的熔合区可以看出，此区域内晶粒大小不均匀，过热区一侧的组织明显更粗大一些,此区域温度处于液相线与固相线之间，极易造成晶粒粗大、化学成分和组织极不均匀，是造成脆性破坏的发源地[8]。EC接头的熔合区组织最均匀，JC接头熔合区晶粒大小差别最大。EG、EC和JC接头过热区的组织为由晶界向晶内生长的魏氏组织，奥氏体晶粒粗大，大量细小的粒状贝氏体弥散分布在晶内。在焊接过程中，过热区处于局部融化状态，其化学成分和晶粒粗细极不均匀，处于不平衡状态，这种成分不同、组织粗细不均匀的混晶区是易产生应力腐蚀破坏的薄弱环节[9]。EG、EC和JC接头的正火区由细小均匀的铁素体和珠光体组成，其中EC接头正火区的组织最细小，EG和JC接头正火区的组织尺寸相近。

(a) 母材 (b) 焊缝区 (c) 熔合区 (d) 过热区 (e) 正火区图1 EG接头不同区域的显微组织Fig. 1 Microstructure of different zones in welded joint EG:(a) base metal; (b) weld zone; (c) fusion zone; (d) overheated zone; (e) normalized zone

(a) 母材 (b) 焊缝区 (c) 熔合区 (d) 过热区 (e) 正火区图2 EC接头不同区域的显微组织Fig. 2 Microstructure of different zones in welded joint EC:(a) base metal; (b) weld zone; (c) fusion zone; (d) overheated zone; (e) normalized zone

(a) 母材 (b) 焊缝区 (c) 熔合区 (d) 过热区 (e) 正火区图3 JC接头不同区域的显微组织Fig. 3 Microstructure of different zones in welded joint JC:(a) base metal; (b) weld zone; (c) fusion zone; (d) overheated zone; (e) normalized zone

2.3 应力腐蚀性能

由图4可见：与在空气中相比,三种接头在3.5% NaCl溶液中的抗拉强度大多出现下降，其中EG接头的抗拉强度发生了较明显的降低，EC接头的抗拉强度略有减小，JC接头的抗拉强度变化不明显；三种接头断面收缩率的变化规律与抗拉强度的变化规律一致。从接头抗拉强度和断面收缩率的变化，可以得到在3.5% NaCl溶液腐蚀环境中，三种接头性能衰减顺序为EG>EC>JC。

图4 在3.5% NaCl溶液与空气中三种接头抗拉强度比值和断面收缩率比值Fig. 4 Ratios of tensile strength and reduction of area for three welded joints in 3.5% NaCl solution and in air

采用式(1)对三种接头在3.5% NaCl溶液中的应力腐蚀敏感因子ISSRT进行计算，结果如表3所示。

(1)

式中:σb环境条件,δ环境条件分别为接头在3.5% NaCl溶液中的抗拉强度和伸长率；σb隋性条件,δ隋性条件分别为接头在空气中的抗拉强度和伸长率。

由表3可见:三种ISSRT值顺序为ISSRT(EG) >ISSRT(EC)>ISSRT(JC)，且EG接头的应力腐蚀敏感因子远大于EC和JC接头的。S355J2W耐候钢配G424M21Z焊丝所得接头的应力腐蚀敏感性较高，而SMA490BW耐候钢配CHW-55CNH焊丝所得接头的应力腐蚀敏感性最低，此结果与抗拉强度和断面收缩率的衰减结果一致。

表3 三种接头的应力腐蚀敏感性表征参数Tab. 3 Stress corrosion sensitivity characteristic parameters of three welded joints

从图5可以看出，三种接头在空气中发生断裂时形成的都是韧窝型断口，断口存在大量的韧窝，韧窝深且分布密集。EG接头断口上分布较多等轴的小韧窝，其间混有尺寸较大的韧窝，断口比较平齐，与EC、JC接头断口相比，EG接头断口上韧窝大小较为均一，尺寸较大，塑性较好。EC接头断口上韧窝分布密集，但是整个断口高低不平，断面上还可见气孔、杂质等。JC接头断口韧窝尺寸相对均一，断口表面较为平整，可见少量的杂质。

在慢应变速率试验过程中,接头表面会慢慢生成一层腐蚀产物，在腐蚀产物的生长过程中，主要是阳离子向外迁移，而阴离子向基体的迁移量很小，这样就会在耐候钢基体表面形成很多空位，基体表面会收缩，而其表面的腐蚀产物会阻碍基体的收缩，导致基体和表面腐蚀产物间产生一定的附加拉应力[10]。在慢应变速率拉伸过程中，因为腐蚀产物的存在，接头表面会一直存在较高的附加拉应力。此时，附加拉应力与外应力叠加在接头表面形成应力集中。在3.5% NaCl 溶液中拉伸时，接头表面很容易生成腐蚀锈层。又由于NaCl溶液中的Cl-容易吸附在腐蚀产物膜上，取代腐蚀产物层中的氧原子并在吸附点上产生可溶的氯化物，导致在腐蚀产物的薄弱区域形成腐蚀坑。在应力和化学的双重作用下，接头表面的腐蚀坑成为应力腐蚀裂纹的发源地。由于裂纹尖端没有腐蚀产物覆盖，故裂纹尖端(作为阳极)与腐蚀产物覆盖的表面(作为阴极)构成腐蚀电池,加速了腐蚀的进行[11]。

(a) EG (b) EC (c) JC 图5 三种接头慢应变速率拉伸断口的微观形貌(空气中)Fig. 5 SSRT fracture morphology of three welded joints (in air)

由图6可见:在3.5% NaCl溶液中,三种接头的拉伸断口较空气中的色泽灰暗，且更为平坦，韧窝尺寸更小，深度更浅。在EG接头断口上，少量大韧窝周围分布着大量小而浅的韧窝，断口较为平齐，断口边缘出现局部脆性断裂特征，断口上还存在着沿晶腐蚀裂纹和二次裂纹。EC接头断口呈现中间深两边高的特征，两边的小斜面与拉伸轴大致呈45°角的剪切形貌，属于韧性断裂，且表面分布着大量腐蚀产物。JC接头断口中间出现较深滑移条带，条带附近有泥状腐蚀产物附着。由断口形貌可知，EG接头的应力腐蚀特征较EC、JC接头的更明显，说明其应力腐蚀敏感性最高。

(a) EG

(b) EC

(c) JC图6 三种接头慢应变速率拉伸断口的微观形貌(3.5% NaCl溶液中)Fig. 6 SSRT fracture morphology of three welded joints(in 3.5% NaCl solution )

2.4 电化学性能

三种接头各微区的极化曲线如图7所示，经过Tafel拟合后，得到自腐蚀电位和腐蚀速率结果见图8和图9。从图7中可以看出，三种接头各微区在极化过程中都没有发生明显的钝化，其阳极过程都是金属的阳极活性溶解，阴极过程都是氧的扩散过程[12]。

EG和EC接头的母材相同，均为S355J2W，JC接头的母材为SMA490BW。从图7中还可以看出，JC接头母材的自腐蚀电位比EG和EC接头母材的高，其腐蚀倾向小，且JC接头母材的自腐蚀电流密度也比EG和EC接头母材的小很多，故JC接头母材的耐腐蚀性能优于EG和EC接头母材的。陈小平等[13]研究发现，在腐蚀初期还没有形成致密内锈层前，细晶粒比大晶粒的腐蚀更快一些。由母材显微组织可知，EG和EC接头母材的晶粒明显比JC接头母材的小，故EG和EC接头母材的腐蚀速率更大。CHEN等[14]研究发现,铜元素和铬元素的添加可以提高低合金钢锈层的致密度，且铬含量越高形成的锈层越致密。由表1可知，JC接头母材中的铜含量和铬含量均高于EG和EC接头母材中的，故在相同的腐蚀环境中JC接头母材表面所形成的锈层比EG和EC接头母材的更加致密，耐腐蚀性能也更好。

(a) EG (b) EC (c) JC图7 三种接头的微区(焊缝、热影响区、母材)极化曲线Fig. 7 Polarization curves of microzones (welding seam, HAZ and base metal) of three welding joints

由图8电位分布图可以看出:在同一接头的三个微区中，母材的自腐蚀电位最高，焊缝的自腐蚀电位次之，热影响区的自腐蚀电位最低。自腐蚀电位越低，材料的腐蚀倾向越大，因此三种接头均表现为母材的耐蚀性最好，热影响区的耐蚀性最差。

(a) EG

(b) EC

由图9可以看出：接头腐蚀速率最大的区域均为热影响区，焊缝和母材的腐蚀速率相对较小且差距不大，这说明热影响区在三个区域中的耐腐蚀性能最差，与自腐蚀电位分布得出的结论一致。在腐蚀初期，焊接接头的热影响区作为电偶腐蚀的阳极加速溶解，在腐蚀后期接头表面形成致密的锈层后，由组织因素主导腐蚀的进行[15]。由于热影响区的组织不均匀，导致热影响区成为整个接头中耐腐蚀性能最差的区域，而焊缝区域由于板条状铁素体的存在而具有良好的耐腐蚀性能。

图9 三种接头各微区的腐蚀速率Fig. 9 Corrosion rates of microzones of three welded joints

在腐蚀性环境中，接头会形成宏观电偶，自腐蚀电位较高的母材充当阴极，自腐蚀电位较低的热影响区充当阳极。作为阳极的热影响区比作为阴极的母材区小很多，形成小阳极大阴极的组合，使得阴极的还原反应加速，导致阳极电流密度大大增加，从而显著提高了热影响区的腐蚀速率。

接头各微区的组织、性能不同，当接头的焊缝、热影响区、母材均浸泡在3.5%的NaCl溶液中，势必会形成各种不同的电偶电池，其驱动力就是各微区之间的电位差。热影响区相对于母材作为阳极，发生阳极溶解，在热影响区就容易发生点蚀。在慢应变速率拉伸过程中，同时存在附加应力和电化学作用，焊接接头从点蚀坑作为裂纹的发源地，发生应力腐蚀开裂，并最终导致断裂失效。

3 结论

(1) 对两种转向架用耐候钢匹配两种不同焊丝进行焊接得到EG、EC、JC三种接头。力学性能检测表明，JC接头为低匹配接头，其拉伸性能最好，且抗拉强度达544.9 MPa，伸长率为21.9%。

(2) EG、EC、JC接头的焊缝区组织粗大且存在板条状马氏体,使该区域具有良好的耐腐蚀性能，热影响区和熔合区组织及化学成分不均匀导致与母材之间的电位差加大，使其形成以热影响区为阳极而母材为阴极的宏观电偶，加速热影响区的腐蚀。

(3) 在25 ℃的3.5% NaCl溶液中，抗应力腐蚀性能大小顺序为JC>EC>EG，且从三种接头的电化学腐蚀结果来看，JC接头的电化学腐蚀倾向最小，即SMA490BW耐候钢配CHW-55CNH焊丝接头具有最好的耐腐蚀性能。

参考文献：

[1] 屈朝霞,李自刚. 高强耐候钢焊接接头性能研究[J]. 宝钢技术,2005(S1):69-73.

[2] 李恒奎,马利军,李晓燕,等. 动车组转向架构架板材耐候性分析[J]. 腐蚀科学与防护技术,2014(1):8-12.

[3] 宋春晖,周学俊,李具中,等. 合金元素含量对耐候钢在模拟海洋大气环境下耐蚀性的影响[J]. 机械工程材料，2012,36(4):62-66.

[4] 王俊山，史培阳，刘凤莲，等. 镍元素对高耐候钢大气腐蚀行为的影响[J]. 钢铁钒钛，2013,34(6):106-109.

[5] 梁彩凤,侯文泰. 碳钢、低合金钢16年大气暴露腐蚀研究[J]. 中国腐蚀与防护学报,2005(1):2-7.

[6] CHEN Y Y,TZEBG H J,WEIB L I,et al. Corrosion resistance and mechanical properties of low-alloy steels under atmospheric conditions[J]. Corrosion Science,2005,47:1001-1021.

[7] 王景茹,张峥,朱立群,等. 碳钢、低合金钢大气腐蚀数学模型研究[J]. 航空材料学报,2004(1):41-46.

[8] 张励忠,刘博维,张淘,等. S355J2W耐候钢焊接接头显微组织与力学性能[J]. 北京交通大学学报,2012,36(4):127-130.

[9] 孙齐磊,曹备,吴荫顺. Q235管线钢焊接接头微区电化学行为[J]. 北京科技大学学报,2009(1):41-47.

[10] 孙秋霞. 材料腐蚀与防护[M]. 北京:冶金工业出版社,2001.

[11] 张欢. 海洋环境用低合金钢及焊接接头腐蚀行为研究[D]. 镇江:江苏科技大学,2014.

[12] 傅振亮. 轨道客车转向架防腐机理及涂层防腐工艺研究[D]. 大连:大连交通大学，2008.

[13] 陈小平,王向东,江社明,等. 晶粒尺寸对耐候钢抗大气腐蚀性能的影响[J]. 材料保护,2005,38(7)：14-17.

[14] CHEN Y Y,TZENGB H J,WEIB L I,et al. Mechanical properties and corrosion resistance of low-alloy steels in atmospheric conditions containing chloride[J]. Materials Science and Engineering:A,2005,398(1/2):47-59.

[15] 高君. 船舶用异种高强钢焊接接头组织及性能研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.