第一作者：孫士斌

通訊作者：常雪婷

通訊單位：上海海事大學(xué)

DOI: 10.11902/1005.4537.2022.013

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針對在極地環(huán)境使用的特殊海水-海冰摩擦-腐蝕耦合作用環(huán)境，分別測試了新型FH40級低溫鋼板、抗海水腐蝕性能優(yōu)異的317L不銹鋼以及兩種鋼板焊接部位在不同條件下的往復(fù)摩擦-腐蝕耦合行為；使用金相顯微鏡、白光干涉儀以及掃描電子顯微鏡表征了鋼樣的顯微組織形貌和磨痕形貌。結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度從20℃降低到-20 ℃，F(xiàn)H40鋼及焊縫處的摩擦系數(shù)和磨損量都明顯增加，而317L不銹鋼變化不大；值得關(guān)注的是，在海水環(huán)境中進行摩擦測試時，可見317L不銹鋼的整體損失量遠遠低于FH40鋼及焊縫處，證明了317L不銹鋼應(yīng)用于極地破冰船船體外表面的可行性。另外，使用電化學(xué)阻抗、極化技術(shù)測試了鋼材耐蝕性能，以期確定低溫環(huán)境對復(fù)合鋼板耐蝕性的影響。結(jié)果證明復(fù)合板焊縫處在常溫及低溫條件下，腐蝕速率皆低于FH40低溫鋼，兩種鋼板復(fù)合仍保持良好耐蝕性。

背景介紹 

全球氣候變暖，導(dǎo)致北極冰雪消融，為各國開發(fā)、利用北極航線提供了有利條件，北極常態(tài)化通航逐漸成為可能。開通北極航線極大幅度的縮短了北歐與亞洲地區(qū)的航程，可促進我國國家極地戰(zhàn)略的實施。但是，近年來極地船舶航行時，保護性船體涂層的脫落是海洋微塑料污染的重要來源，因此不銹鋼復(fù)合板作為船體材料的研究逐漸引起極地專家的關(guān)注。不銹鋼復(fù)合板是一種先進的層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，因兼具基層優(yōu)異的力學(xué)性能與復(fù)層良好的耐腐蝕性能，在船舶制造、極地工程、核能工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文選用耐Cl-腐蝕性能優(yōu)異的 317L 不銹鋼與耐低溫的FH40低溫鋼相復(fù)合，對復(fù)合板各部位及其焊縫處在不同溫度、不同介質(zhì)條件下的摩擦-腐蝕性能開展相關(guān)研究，為該類不銹鋼復(fù)合板在實際極地船舶建造應(yīng)用中的可行性提供支持。

本文亮點 

極地海域船舶航行特有海水-海冰耦合作用環(huán)境，其對材料失效的影響十分復(fù)雜。本文通過討論在不同溫度、不同介質(zhì)下材料摩擦-腐蝕行為及機理，為極地船舶材料性能評價提供新思路。

圖文解析 

圖1 實驗所用復(fù)合鋼板金相及取樣方法

本文研究對象為317L/FH40復(fù)合板，該復(fù)合鋼板研發(fā)的初衷是充分利用不銹鋼的耐蝕性、低溫鋼的低溫耐沖擊性，減少極地船體表面涂料使用的同時降低船重，因此對其性能的要求除了力學(xué)性能，還包括在常溫和低溫條件下的表面以及焊縫處的耐蝕、耐磨性能。鑒于此，本文的取樣部位分別為不銹鋼部分、低溫鋼部分及焊縫部分。

圖2 FH40低溫鋼（a）、焊縫處（b）與317L不銹鋼（c）在不同溫度/介質(zhì)條件下的摩擦系數(shù)

圖2a~c為鋼板在縱向載荷為20N時室溫下進行2 h摩擦的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線。可以看出，摩擦系數(shù)在摩擦磨損試驗前期逐漸變大，然后逐漸趨于穩(wěn)定。開始摩擦的前5 min左右處由于摩擦發(fā)生突變，摩擦系數(shù)急速上升。在進行到15~20 min左右，摩擦系數(shù)幾乎都是逐漸上升，然后趨于穩(wěn)定波動，但是波動幅度在不同鋼板鋼樣之間有較大的差異。由于鋼板和焊縫在模擬海水環(huán)境中都有腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生，因此降低了其摩擦系數(shù)。

圖3 FH40低溫鋼（a）、焊縫處（b）與317L不銹鋼（c）磨痕輪廓與磨損量（d）

圖3為FH40低溫鋼、317L不銹鋼及焊縫處在不同溫度及海水條件中摩擦磨損后的磨痕輪廓，體積磨損率結(jié)果如圖3（d）所示。通過對比圖3a~c可以看出，溫度對焊縫處摩擦性能影響較大，尤其是-20 ℃條件下，磨痕最深處達到75 μm，寬度約為1900 μm；317L不銹鋼的耐磨性能與溫度相關(guān)性不大，3個溫度條件下磨痕深度和寬度基本不變，最深處約為 60 μm，最寬處約為 2100 μm；FH40低溫鋼的低溫力學(xué)性能優(yōu)異，表現(xiàn)了最優(yōu)的低溫耐磨性能，但是仍然呈現(xiàn)隨溫度降低不斷劣化的趨勢，磨痕最深處約為 50 μm，寬度約為 1200 μm。上述數(shù)據(jù)說明317L不銹鋼與FH40低溫鋼復(fù)合后，焊縫處的低溫耐摩擦性能有所下降，說明焊接部位受熱影響作用明顯。FH40低溫鋼及焊縫部位的海水條件耐磨性基本一致，磨損量都較干摩擦明顯降低；但是在海水摩擦條件下，317L 不銹鋼表現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨蝕性能，磨損率僅為 0.003，這主要是由于海水條件下 317L的鈍化性能明顯改善，鈍化膜一方面以高硬度提供耐磨性、一方面由于其表面與海水結(jié)合，降低粗糙度低，從而提高潤滑性；另外，317L不銹鋼表面基本杜絕了摩擦-腐蝕耦合作用，保證了表面優(yōu)異的耐磨蝕性能，證實了317L不銹鋼作為極地破冰船用增強部位表面材料的可行性。

圖4  FH40低溫鋼、焊縫處及317L不銹鋼在海水中的開路電位

不銹鋼復(fù)合鋼板作為船舶材料使用的最大顧慮為表面不銹鋼一旦發(fā)生微裂紋，焊縫處是否會由于不同金屬接觸引起電偶腐蝕。因此，對FH40低溫鋼、焊縫處及317L不銹鋼的電化學(xué)性能進行了研究。從圖4中可以看出，在海水環(huán)境中，焊縫處鋼材的開路電位與FH40基體相符。其在海水浸泡10 d的電化學(xué)阻抗譜表明，焊縫處的耐蝕性較基體略有下降，如圖5所示。

圖5 復(fù)合鋼板海水腐蝕10d后電化學(xué)阻抗譜及等效電路圖

表1 海水腐蝕10 d后等效電路擬合參數(shù)

3種鋼樣靜態(tài)下極化曲線如圖6所示。FH40低溫鋼與焊縫處腐蝕電位差別不大，皆在-0.70左右。而317L不銹鋼腐蝕電位為-0.23 V，表明317L腐蝕傾向更低。通過Tafel外推法擬合了極化曲線，擬合數(shù)據(jù)如表2所示。可得FH40低溫鋼、焊縫處、317L不銹鋼的電流密度分別為 7.13×10-3、4.76×10-3 和1.49×10-3 μA?cm-2，腐蝕速率依次為 40.3×10-4、26.9×10-4和 8.4×10-4mm/a，這些數(shù)據(jù)證明了即便不銹鋼材料出現(xiàn)裂紋，焊縫處的 317L 不銹鋼抗腐蝕能力仍遠遠好于FH40低溫鋼，對FH40低溫鋼基體保護作用明顯。

圖6 海水腐蝕10 d后動電位極化曲線

表2 3種材料海水腐蝕10 d后的極化曲線擬合結(jié)果

總結(jié)與展望 

綜上所述，海水條件下使用不銹鋼復(fù)合板表面腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生較少，從而增加了材料表面的摩擦系數(shù)。且由于317L不銹鋼表面的低硬度影響了復(fù)合板整體耐磨性，其在常溫及低溫條件下的耐磨擦磨損性能皆低于基體FH40材料。另外，317L不銹鋼在模擬海水環(huán)境中有優(yōu)秀的耐蝕性，可以達到替代涂層材料的目的，且焊縫區(qū)域耐蝕性顯著高于基體，不易于產(chǎn)生局部腐蝕。