鐵路車輛在應用過程中不斷受到大氣腐蝕及裝載貨物介質腐蝕和動載荷磨蝕等惡劣應用環境的影響，材料腐蝕較為嚴重，即使配合涂漆還是無法徹底解決鋼板在使用過程中的銹蝕問題，并且隨著我國鐵路運輸的提速，對鐵路用材料的性能提出了更高的要求。在發達國家鐵路車輛和我國特種鐵路運輸車輛的制造中，已采用不銹鋼代替耐候鋼，然而不銹鋼價格昂貴，且本身還存在技術問題。因此，開發低成本、高耐蝕的耐候結構鋼對于提高我國鐵路車輛制造水平具有重要意義。

現代鐵路運輸正在向高速、重載、大運量方向發展，這也對鐵路貨車提出了更高的要求。耐候鋼相對于普通碳鋼有著優良的耐大氣腐蝕性能，這是因為其中的合金元素起了降低銹層導電性能、阻礙銹層快速生長、推遲銹層結晶、阻塞裂紋和缺陷等作用，促進了耐候鋼穩定銹層的形成，并提高了內銹層的致密性，長期使用后呈現出顯著的耐大氣腐蝕效果。

鐵路車輛一方面長期受磨損腐蝕和轉向應力腐蝕的影響，另一方面長期受復雜環境（濕度、溫度等）腐蝕的影響，車輛局部無法形成穩定的銹層。為解決車體用材料使用壽命短的問題，亟待開發新一代高耐蝕鐵路車輛用鋼。

為此，中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所和安工腐蝕檢測實驗室科技（無錫）有限公司的技術人員采用多種方法，對比研究了常用Q450NQR1耐候鋼和新型S500AW耐候鋼的耐應力腐蝕性能，以期為開發新型耐腐蝕鐵路車輛用鋼提供理論支撐。

理論基礎

根據古特曼的力學-化學效應理論可知，不同形變金屬的化學位不同，形變過程中形成的位錯決定了化學位。位錯對形變能有主要貢獻，位錯密度與塑性變形程度的關系幾乎是線性的，大量位錯塞積會導致形變強化，位錯塞積群的形成和形變強化對金屬的力學-化學活性起著決定性作用。試樣應變量越大，位錯越多，金屬中貯存的能量就越多，其電化學活性就越高。

理論上在宏觀彈性變形范圍內，平衡電位的變化與彈性變形有關，彈性應力會使材料的平衡電位發生負移。若材料發生塑性形變，材料電極電位的改變與位錯的塞積群有關，而塑性變形往往伴隨彈性變形。一般對鋼鐵而言，無論塑性變形還是彈性變形，可根據施加應力、位錯數和材料形變強化程度的變化來討論電極電位的變化。

四點彎曲試驗

對兩種車體用鋼材料Q450NQR1和S500AW試樣進行四點彎曲試驗，加載裝置如圖1所示。將試樣放置在彎曲試驗夾具中，形成簡支梁的形式，支撐試樣的兩個下支撐點間的距離視試樣長度可調，試樣上方有兩個對稱的加載點。

圖1 四點彎曲加載裝置示意圖

將已加載的車體鋼試樣放置于試驗溶液中浸泡，試驗后用10倍放大鏡觀察兩種試樣的工作面是否有裂紋，以此判斷其抗應力腐蝕性能。同時，對受拉伸表面腐蝕產物銹層與非受拉表面腐蝕產物銹層的附著情況進行記錄，判斷在受力的情況下，腐蝕產物銹層的附著狀態。

試樣尺寸為115mm×10mm×4mm，試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃，加載為實測屈服強度（YS）的50%?70%?90%，試驗總時長為720小時。 

在不同載荷下加載相同時間后，觀察兩種試樣的表面，均未發現明顯裂紋。

 為進一步研究試樣的抗應力腐蝕敏感性，檢測三種載荷下，試樣開路電位隨浸泡時間的變化曲線，采用Gamry1000型電化學工作站進行電化學測試，選用三電極體系，試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。由于兩內支點中間位置處，試樣相對受力較大，故選取兩內支點中間位置進行測試。試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃。

(a) Q450NQR1

(b) S500AW

圖2 兩種試樣在不同加載條件下的開路電位-時間曲線

由圖2可見：兩種試樣在加載50%YS條件下的開路電位最高；提高加載后，開路電位明顯變負，但當加載為90%YS時，Q450NQR1試樣的開路電位正移，而S500AW試樣的開路電位基本不變。

這可能是因為隨著加載從50%YS提高至70%YS，ΔP（固相中剩余壓力的絕對值或施加應力）增加，電位負移，當提高加載至90%YS，雖然ΔP同樣增加，但此時位錯開始移動，預先存在的位錯群部分溶解，使nΔτ（n為塞積群中的位錯數，Δτ為材料形變強化程度）減少，導致電位正移，因此最終導致開路電位正移或基本保持不變。

U型彎曲試驗

對試樣進行U型彎曲應力腐蝕試驗，加載裝置如圖3所示。試樣通過萬能試驗機彎曲180°緊固后浸泡在溶液中，定期觀察試樣彎曲部位是否發生裂紋。

圖3 U型彎曲加載裝置

試樣尺寸為100mm×9mm×3mm，試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3，試驗溫度為45℃，浸泡時間為720小時，壓頭直徑為30mm。

經過720小時U彎腐蝕試驗后，采用10倍放大鏡觀察兩種試樣的彎曲處，均未發現裂紋。

采用Garmy1000型電化學工作站進行電化學測試，記錄試樣開路電位隨浸泡時間變化的曲線。通過應力腐蝕和電化學測試的耦合疊加，用電化學參數指標來分析應力腐蝕開裂敏感性。

圖4 兩種U型彎曲試樣的開路電位-時間曲線

由圖4可見，隨著浸泡時間的延長，兩種試樣的開路電位均逐漸負移，隨后趨于穩定。這主要是由于隨著應變量的增加，彈/塑性變形增加了兩種材料的電化學活性，加劇了金屬的陽極溶解，導致電位變負。隨著腐蝕時間的延長，兩種試樣表面逐漸生成腐蝕產物膜，電位逐漸趨于穩定，即在外力條件下，腐蝕產物膜對基體具有一定的保護作用。由于兩種材料均屬于車體鋼，元素組成相差不大，故在同種環境中，二者開路電位相差較小。

慢應變速率試驗

慢應變速率試驗是檢測金屬材料抗應力腐蝕開裂敏感性的一種經濟有效的試驗方法。通過對試樣加載軸向應力，并在拉伸過程中進行電化學測試來檢測金屬材料的表面電化學行為，分析材料的耐應力腐蝕性能。

試驗溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗溫度為45℃，試樣尺寸為120mm×20mm×3mm，標距L0為25mm。

(a) Q450NQR1

(b) S500AW

圖5 兩種試樣經SSRT后的宏觀形貌

由圖5可見，兩種拉伸試樣都在標距內斷裂。

結合電化學測試，測試材料開路電位隨浸泡時間的變化曲線，通過應力腐蝕和電化學測試的耦合疊加，分析動態力學載荷下力學化學交互作用的應力腐蝕開裂敏感性。

圖6 兩種試樣在0.01mol/L NaHSO3溶液中的慢應變速率試驗結果

由圖6可見：S500AW試樣屈服后的塑性變形區域及彈性變形區域高于Q450NQR1試樣，說明Q450NQR1試樣在0.01mol/L NaHSO3溶液中具有應力腐蝕敏感性。

圖7 兩種試樣在慢應變拉伸過程中的開路電位-時間曲線

由圖7可見：兩種試樣的開路電位均隨著拉伸試驗的進行呈現先負后正最后逐漸穩定的趨勢，且其最終穩定電位高于起始電位。原因可能是：在初始階段，隨應變量的增加，ΔP增大，同時少量位錯開始移動，預先存在的位錯群部分溶解，使nΔτ減少，但是ΔP的增加程度大于nΔτ的減少程度，所以電位值負向移動；但是隨著拉伸的進行，試樣表面開始生成腐蝕產物膜，結合開路電位曲線可知，隨著腐蝕時間的延長，兩種材料的開路電位逐漸趨于穩定，說明該產物膜的生成會阻滯陽極反應的進行，對基體起到一定的保護作用，最終導致開路電位正移并趨于穩定。

結論

（1）在采用四點彎曲加載，對不同加載條件下試樣的開路電位進行測試，不同加載條件下，試樣表面的開路電位明顯不同；外加載荷使得試樣表面開路電位更負，應力腐蝕敏感性增加。

（2）采用U型彎曲加載，兩種試樣經720小時腐蝕試驗后，彎曲處均未發現裂紋，且隨著腐蝕時間的延長，其電位負移并逐漸趨于穩定。

（3）在慢應變拉伸條件下，腐蝕產物膜在試樣表面的形成促使表面電位提高并趨于穩定。