摘要

通過(guo)實驗(yan)室(shi)模(mo)擬800 m深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)環(huan)境(jing)及(ji)淺海(hai)(hai)環(huan)境(jing)，采用(yong)動電(dian)位(wei)(wei)極(ji)(ji)化(hua)法、慢應變速率拉(la)伸(shen)實驗(yan) （SSRT） 并結合掃描電(dian)鏡 （SEM） 觀察斷(duan)口顯微組(zu)織研究1000 MPa級高(gao)強鋼的(de)氫(qing)脆(cui)(cui)(cui)敏感性。結果(guo)表(biao)明，在(zai)模(mo)擬800 m深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)環(huan)境(jing)中高(gao)強鋼試樣的(de)零(ling)(ling)電(dian)流(liu)(liu)電(dian)位(wei)(wei)為-708 mV，析氫(qing)電(dian)位(wei)(wei)約(yue)為-1000 mV；在(zai)淺海(hai)(hai)環(huan)境(jing)中的(de)零(ling)(ling)電(dian)流(liu)(liu)電(dian)位(wei)(wei)為-645 mV，析氫(qing)電(dian)位(wei)(wei)約(yue)為-910 mV。隨著(zhu)陰極(ji)(ji)極(ji)(ji)化(hua)電(dian)位(wei)(wei)的(de)負移，模(mo)擬800 m深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)環(huan)境(jing)及(ji)淺海(hai)(hai)環(huan)境(jing)實驗(yan)高(gao)強鋼均表(biao)現(xian)出韌性降低、脆(cui)(cui)(cui)性增(zeng)加、氫(qing)脆(cui)(cui)(cui)敏感性增(zeng)強的(de)現(xian)象。模(mo)擬800 m深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)環(huan)境(jing)中，極(ji)(ji)化(hua)電(dian)位(wei)(wei)正于-900 mV時(shi)，其氫(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)小(xiao)于25%，處于安全區(qu)；極(ji)(ji)化(hua)電(dian)位(wei)(wei)為-1000 mV時(shi)，氫(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)接近50%，處于脆(cui)(cui)(cui)斷(duan)區(qu)。

關(guan)鍵(jian)詞(ci)： 模(mo)擬深海環境(jing)； 高強鋼； 氫脆； 陰極(ji)極(ji)化； 慢應變速率拉伸

近年來，發展(zhan)海(hai)(hai)洋經濟和(he)(he)(he)海(hai)(hai)洋科技已經被我(wo)國提升到前所未有的(de)戰略高(gao)度，海(hai)(hai)岸工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)、海(hai)(hai)洋開采、水(shui)(shui)下工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)等戰略性新興(xing)海(hai)(hai)洋產業(ye)正(zheng)在(zai)(zai)迅速興(xing)起，在(zai)(zai)開展(zhan)近海(hai)(hai)海(hai)(hai)洋工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)建(jian)設(she)(she)的(de)同(tong)時(shi)，設(she)(she)施也不斷(duan)在(zai)(zai)向(xiang)遠(yuan)海(hai)(hai)和(he)(he)(he)深海(hai)(hai)拓展(zhan)[1]。海(hai)(hai)洋環(huan)(huan)境(jing)(jing)對(dui)金(jin)屬(shu)的(de)腐(fu)蝕非常嚴重，而(er)深海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)的(de)光(guang)照、溫度、壓力、溶解氧、pH值、含鹽量、海(hai)(hai)水(shui)(shui)流(liu)速及(ji)生物(wu)環(huan)(huan)境(jing)(jing)等因素與表層海(hai)(hai)水(shui)(shui)環(huan)(huan)境(jing)(jing)不同(tong)，因而(er)具(ju)有其(qi)(qi)(qi)獨特的(de)環(huan)(huan)境(jing)(jing)特性[2-5]。高(gao)強(qiang)鋼(gang)作為大量應(ying)用(yong)于深海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)的(de)儀器設(she)(she)備和(he)(he)(he)海(hai)(hai)工(gong)(gong)裝(zhuang)備的(de)金(jin)屬(shu)材料，為了(le)減緩其(qi)(qi)(qi)在(zai)(zai)深海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)中(zhong)的(de)腐(fu)蝕，延長其(qi)(qi)(qi)使用(yong)壽命，需要(yao)對(dui)其(qi)(qi)(qi)進行腐(fu)蝕防護(hu)(hu)。海(hai)(hai)洋工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)裝(zhuang)備設(she)(she)施通常采用(yong)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)護(hu)(hu)的(de)方法來進行防護(hu)(hu)[6,7]。而(er)高(gao)強(qiang)鋼(gang)由于其(qi)(qi)(qi)自身(shen)的(de)強(qiang)度高(gao)、具(ju)有位(wei)錯和(he)(he)(he)夾雜等組織缺陷(xian)的(de)特點，在(zai)(zai)陰(yin)極(ji)(ji)極(ji)(ji)化電位(wei)過負時(shi)容易發生陰(yin)極(ji)(ji)析氫(qing)從而(er)導(dao)致氫(qing)脆的(de)危險(xian)，因此在(zai)(zai)對(dui)其(qi)(qi)(qi)施加(jia)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)護(hu)(hu)時(shi)需要(yao)確定合理(li)的(de)保(bao)護(hu)(hu)電位(wei)范圍，防止過保(bao)護(hu)(hu)而(er)發生氫(qing)脆。

自(zi)美國海軍發現(xian)(xian)高(gao)強(qiang)(qiang)鋼(gang)在海洋環(huan)境下(xia)發生氫(qing)(qing)(qing)脆現(xian)(xian)象以來，人(ren)們開始關注高(gao)強(qiang)(qiang)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)陰(yin)極析氫(qing)(qing)(qing)及氫(qing)(qing)(qing)脆問題(ti)。近年來，人(ren)們對(dui)(dui)淺海環(huan)境中管(guan)線(xian)鋼(gang)和高(gao)強(qiang)(qiang)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)脆敏感性(xing)(xing)進(jin)行了大量的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)[8-15]，結(jie)(jie)果表明鋼(gang)材自(zi)身的(de)(de)(de)(de)微觀結(jie)(jie)構及施加(jia)的(de)(de)(de)(de)陰(yin)極保護電(dian)(dian)(dian)位對(dui)(dui)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)抗氫(qing)(qing)(qing)脆性(xing)(xing)能(neng)有影響。隨(sui)著對(dui)(dui)金屬在深(shen)海環(huan)境中腐(fu)蝕(shi)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)深(shen)入，有結(jie)(jie)果表明[16-19]，隨(sui)著陰(yin)極極化電(dian)(dian)(dian)位的(de)(de)(de)(de)負移(yi)，鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)脆性(xing)(xing)逐漸加(jia)強(qiang)(qiang)，最終進(jin)入氫(qing)(qing)(qing)脆危(wei)險區，因此需要設計(ji)合(he)(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)陰(yin)極保護電(dian)(dian)(dian)位對(dui)(dui)金屬進(jin)行保護。目前，大多是(shi)對(dui)(dui)管(guan)線(xian)鋼(gang)在深(shen)海的(de)(de)(de)(de)抗氫(qing)(qing)(qing)脆性(xing)(xing)能(neng)進(jin)行研(yan)究(jiu)，對(dui)(dui)高(gao)強(qiang)(qiang)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)相對(dui)(dui)較少。本文主要采用慢(man)應變速率拉(la)伸(shen)結(jie)(jie)合(he)(he)電(dian)(dian)(dian)化學方法等(deng)研(yan)究(jiu)極化電(dian)(dian)(dian)位對(dui)(dui)1000 MPa級高(gao)強(qiang)(qiang)鋼(gang)在模擬深(shen)海環(huan)境中氫(qing)(qing)(qing)脆敏感性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)影響規律。

1 實驗方(fang)法

1.1 實驗(yan)材料

實(shi)驗材料為1000 MPa級高強鋼。拉(la)伸試(shi)(shi)樣的尺(chi)寸見圖1。試(shi)(shi)樣的標距段用(yong)砂(sha)紙從400#、800#、1000#、1200#、1500#依次逐級打磨至平滑(hua)，后(hou)用(yong)無水乙(yi)醇(chun)擦洗(xi)并烘干(gan)。電化(hua)學試(shi)(shi)樣尺(chi)寸為10 mm×10 mm×10 mm，工(gong)作面積為1 cm×1 cm，背部用(yong)Cu導線引出，非工(gong)作表面用(yong)環氧樹脂(zhi)封(feng)閉。用(yong)400#、800#、1000#、1500#和2000#砂(sha)紙逐級打磨直到表面光亮無劃痕，乙(yi)醇(chun)擦洗(xi)，冷(leng)風(feng)吹(chui)干(gan)后(hou)放(fang)在(zai)干(gan)燥(zao)器(qi)中備用(yong)。

圖1   慢應變拉(la)伸試樣(yang)形狀及尺寸

1.2 電化學(xue)實驗

測試體(ti)(ti)系(xi)為(wei)三電(dian)(dian)極(ji)(ji)體(ti)(ti)系(xi)，以1000 MPa級別(bie)高(gao)強鋼(gang)為(wei)工(gong)作(zuo)電(dian)(dian)極(ji)(ji)，Ag/AgCl/海水(shui)電(dian)(dian)極(ji)(ji)為(wei)參(can)比電(dian)(dian)極(ji)(ji)，鉑鈮為(wei)輔助電(dian)(dian)極(ji)(ji)。青島海域天然海水(shui) （pH值約為(wei)8） 為(wei)電(dian)(dian)解質(zhi)液，實驗(yan)(yan)在環(huan)境(jing)(jing)因(yin)素交變模(mo)(mo)擬實驗(yan)(yan)裝置中進(jin)行。設置環(huan)境(jing)(jing)因(yin)素參(can)數(shu)值：模(mo)(mo)擬深海環(huan)境(jing)(jing)時，靜(jing)水(shui)壓力為(wei)8 MPa，溫(wen)度為(wei)5 ℃，用(yong)N2調(diao)節溶解氧含量為(wei)3 mg/L；模(mo)(mo)擬淺海環(huan)境(jing)(jing)時，采用(yong)常溫(wen)常壓的天然海水(shui)。開路電(dian)(dian)位(wei) （OCP） 穩(wen)定后，利用(yong)AMETEK XM電(dian)(dian)化(hua)(hua)學工(gong)作(zuo)站對(dui)試樣進(jin)行動(dong)電(dian)(dian)位(wei)極(ji)(ji)化(hua)(hua)曲線測試，分別(bie)測得單根陽極(ji)(ji)和(he)陰極(ji)(ji)極(ji)(ji)化(hua)(hua)曲線，電(dian)(dian)位(wei)掃描范圍分別(bie)為(wei)OCP~-600 mV和(he)OCP~-1100 mV，掃描速(su)率為(wei)0.33 mV/s。本文中如無特殊標注，電(dian)(dian)位(wei)均(jun)指相(xiang)對(dui)于Ag/AgCl/海水(shui)的。

1.3 慢應變速(su)率(lv)拉伸實驗

實(shi)驗在高壓釜(fu)系統(tong)試驗機(ji)中進行，在模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)境和(he)淺(qian)海(hai)(hai)環(huan)境不(bu)同極(ji)(ji)化電位下(xia)進行慢應變速(su)率(lv)拉(la)伸實(shi)驗。模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)境時(shi)，設定(ding)高壓釜(fu)內海(hai)(hai)水壓力為(wei)8 MPa，溫度為(wei)5 ℃，溶解氧(yang)濃度為(wei)3 mg/L；模(mo)擬(ni)淺(qian)海(hai)(hai)環(huan)境時(shi)，采用(yong)(yong)(yong)常溫常壓天然海(hai)(hai)水。設置應變速(su)率(lv)為(wei)10-6 s-1，即拉(la)伸速(su)率(lv)為(wei)0.0015 mm/min。實(shi)驗過程中用(yong)(yong)(yong)三電極(ji)(ji)體系和(he)電化學工作站(zhan)施(shi)加極(ji)(ji)化電位。實(shi)驗結束后，采用(yong)(yong)(yong)超(chao)聲波清洗斷(duan)(duan)裂(lie)試樣，在HIROX三維視頻顯微(wei)鏡 （KH-3000V） 和(he)掃描電子顯微(wei)鏡 （SEM，FEI/Philips XL30） 下(xia)觀察斷(duan)(duan)口形貌和(he)測量斷(duan)(duan)面最小面積。試樣斷(duan)(duan)面收縮(suo)率(lv)的計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)如下(xia)：

式(shi)中，Ψ為(wei)斷面(mian)(mian)收縮率(lv)；A0為(wei)試(shi)樣的(de)(de)原始橫截(jie)面(mian)(mian)積(ji)；A為(wei)試(shi)樣在相應腐蝕環境中斷后的(de)(de)橫截(jie)面(mian)(mian)積(ji)。

工(gong)程上通常(chang)通過(guo)測(ce)量試樣的斷面(mian)收縮率，并與惰性介(jie)質 （空(kong)氣(qi)） 下(xia)的斷面(mian)收縮率對比，按下(xia)式計算氫脆(cui)系數：

式(shi)中，FH為氫脆(cui)系數；ψ0為材料在惰(duo)性(xing)介質 （空氣） 中的斷(duan)面收(shou)縮(suo)率；ψ為試樣在相應腐蝕環(huan)境(jing)中的斷(duan)面收(shou)縮(suo)率。

2 結(jie)果與討論

2.1 電化學測試結(jie)果

圖(tu)2為(wei)實驗高強(qiang)鋼在(zai)淺海環境(jing)和(he)模(mo)擬(ni)800 m深海環境(jing)中(zhong)的(de)動電位(wei)極化曲線。可知，實驗高強(qiang)鋼在(zai)淺海環境(jing)和(he)模(mo)擬(ni)800 m深海環境(jing)中(zhong)的(de)零電流電位(wei)分別為(wei)-645和(he)-708 mV。極化曲線的(de)陰極段有明(ming)顯的(de)兩個拐點，第(di)一處拐點標志著陰極反應從O的(de)活(huo)化極化控(kong)(kong)制(zhi)轉化為(wei)O的(de)濃(nong)差擴散控(kong)(kong)制(zhi)；第(di)二(er)個拐點為(wei)氧(yang)濃(nong)差擴散控(kong)(kong)制(zhi)向析氫(qing)活(huo)化控(kong)(kong)制(zhi)轉變，也即材料的(de)析氫(qing)轉變電位(wei)。處于該(gai)電位(wei)時，材料表面(mian)的(de)陰極反應主要為(wei)氧(yang)去(qu)極化過程：

O2+2H2O+4e-=4OH- （3）

圖2   實驗高強鋼在模擬淺海及深海環境下(xia)的極(ji)化曲線(xian)

負(fu)于析(xi)氫轉(zhuan)變電(dian)位時，陰極(ji)過(guo)程轉(zhuan)變為(wei)H的去極(ji)化過(guo)程：

2H2O+2e-=H2+2OH- （4）

由圖(tu)2可(ke)知(zhi)，實驗(yan)高強鋼(gang)在淺(qian)(qian)海(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)的析(xi)氫(qing)轉變(bian)電(dian)(dian)位約在-910 mV，而在模擬(ni)800 m深海(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)則負移至約-1000 mV，且(qie)材料在模擬(ni)深海(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)下(xia)的析(xi)氫(qing)電(dian)(dian)流密(mi)度要(yao)低(di)(di)于(yu)淺(qian)(qian)海(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)下(xia)的，這(zhe)說明實驗(yan)高強鋼(gang)在模擬(ni)深海(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)下(xia)的陰(yin)極析(xi)氫(qing)行為(wei)更不明顯，這(zhe)是由于(yu)深海(hai)低(di)(di)溫高靜(jing)水(shui)壓力(li)環(huan)(huan)境(jing)(jing)下(xia)高強鋼(gang)材料的電(dian)(dian)極反應動力(li)學(xue)過程(cheng)受(shou)到(dao)抑制。

2.2 慢應變速率拉伸結果(guo)

實驗高(gao)(gao)(gao)強(qiang)鋼在(zai)模(mo)擬(ni)(ni)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境和(he)淺(qian)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)同(tong)(tong)極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)下的(de)(de)應(ying)力(li)(li)-應(ying)變曲線如圖3所示(shi)。由圖3a可見，在(zai)模(mo)擬(ni)(ni)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境下，不(bu)(bu)同(tong)(tong)曲線的(de)(de)彈性階段區基本(ben)重(zhong)疊，各試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)屈服強(qiang)度差(cha)別不(bu)(bu)大(da)，空(kong)氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)屈服強(qiang)度和(he)抗拉(la)強(qiang)度要略高(gao)(gao)(gao)于(yu)模(mo)擬(ni)(ni)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)(de)。在(zai)模(mo)擬(ni)(ni)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)不(bu)(bu)同(tong)(tong)極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)下試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)斷(duan)(duan)后伸長(chang)(chang)率均(jun)比在(zai)空(kong)氣(qi)(qi)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)(de)顯著(zhu)(zhu)(zhu)降低(di)；且(qie)隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)的(de)(de)負(fu)(fu)移(yi)，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)斷(duan)(duan)后伸長(chang)(chang)率逐漸減(jian)小(xiao)。表(biao)明在(zai)動態拉(la)伸過程中(zhong)(zhong)，隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)發生變形，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)位(wei)(wei)錯(cuo)大(da)量增殖、運動并攜帶氫原(yuan)(yuan)子(zi)在(zai)高(gao)(gao)(gao)強(qiang)鋼內(nei)部應(ying)力(li)(li)區聚(ju)集(ji)，氫原(yuan)(yuan)子(zi)會(hui)導致基體原(yuan)(yuan)子(zi)間的(de)(de)鍵(jian)合力(li)(li)降低(di)；且(qie)隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)施加(jia)的(de)(de)陰極(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)位(wei)(wei)越負(fu)(fu)，高(gao)(gao)(gao)強(qiang)鋼內(nei)部聚(ju)集(ji)的(de)(de)氫原(yuan)(yuan)子(zi)量越多，鍵(jian)合力(li)(li)降低(di)越嚴重(zhong)。極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)在(zai)-800~-900 mV時，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)斷(duan)(duan)后伸長(chang)(chang)率要大(da)于(yu)自腐蝕(shi)(shi)電(dian)(dian)位(wei)(wei)時的(de)(de)，表(biao)明該(gai)極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)范圍對腐蝕(shi)(shi)有一定的(de)(de)抑制(zhi)作(zuo)用且(qie)氫脆敏感性不(bu)(bu)高(gao)(gao)(gao)。由圖3b可見，在(zai)淺(qian)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)屈服強(qiang)度和(he)抗拉(la)強(qiang)度要略高(gao)(gao)(gao)于(yu)在(zai)模(mo)擬(ni)(ni)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)的(de)(de)。隨(sui)著(zhu)(zhu)(zhu)極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)的(de)(de)負(fu)(fu)移(yi)，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)斷(duan)(duan)后伸長(chang)(chang)率逐漸減(jian)小(xiao)，這與(yu)在(zai)深(shen)(shen)海(hai)環(huan)(huan)境中(zhong)(zhong)表(biao)現出的(de)(de)規(gui)律相一致。

圖(tu)3   實驗(yan)高強鋼在(zai)模擬深(shen)海和淺海環(huan)境中不同極化電位下的應(ying)力-應(ying)變(bian)曲線

圖(tu)(tu)4為(wei)實驗(yan)高(gao)強(qiang)(qiang)鋼在(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)和淺海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)斷(duan)面(mian)收縮率(lv)和氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)與(yu)極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)關系圖(tu)(tu)。由圖(tu)(tu)4a可見，在(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)，極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)正(zheng)于(yu)-900 mV時(shi)(shi)，氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)小(xiao)于(yu)25%，試樣(yang)(yang)(yang)處(chu)(chu)于(yu)安(an)全區不會(hui)發生(sheng)氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)；極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)為(wei)-950 mV時(shi)(shi)，氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)處(chu)(chu)于(yu)25%~35%之(zhi)間(jian)，試樣(yang)(yang)(yang)處(chu)(chu)于(yu)危(wei)險區，存在(zai)(zai)發生(sheng)氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)的(de)可能；極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)為(wei)-1000 mV時(shi)(shi)，氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)接近50%，試樣(yang)(yang)(yang)處(chu)(chu)于(yu)脆(cui)(cui)(cui)斷(duan)區。從圖(tu)(tu)4b可知，在(zai)(zai)淺海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)，極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)正(zheng)于(yu)-900 mV時(shi)(shi)，氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)小(xiao)于(yu)25%，試樣(yang)(yang)(yang)處(chu)(chu)于(yu)安(an)全區，不會(hui)發生(sheng)氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)；極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)負于(yu)-950 mV時(shi)(shi)，氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)超(chao)過50%，試樣(yang)(yang)(yang)處(chu)(chu)于(yu)脆(cui)(cui)(cui)斷(duan)區。根據圖(tu)(tu)4擬(ni)合得(de)到(dao)，當(dang)(dang)氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)為(wei)25%時(shi)(shi)，在(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)約為(wei)-930 mV，在(zai)(zai)淺海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)約為(wei)-910 mV。由此可見，當(dang)(dang)極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)(wei)負于(yu)-900 mV時(shi)(shi)，實驗(yan)高(gao)強(qiang)(qiang)鋼在(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)氫(qing)(qing)脆(cui)(cui)(cui)系數(shu)要低于(yu)在(zai)(zai)淺海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)，主要由于(yu)在(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)海(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)高(gao)靜水壓力和低溫的(de)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)因(yin)素使(shi)得(de)實驗(yan)高(gao)強(qiang)(qiang)鋼的(de)析(xi)氫(qing)(qing)反應速率(lv)減(jian)慢。

圖4   實驗高強鋼在模擬深海(hai)環境和淺海(hai)環境中(zhong)的斷面收縮率(lv)和氫脆系(xi)數與(yu)極化電位關系(xi)

2.3 斷口形貌分析

2.3.1 宏觀(guan)形(xing)貌

圖5和(he)6分(fen)別為不(bu)同環境(jing)(jing)(jing)條件下試(shi)樣(yang)斷裂后(hou)的(de)宏觀斷口(kou)(kou)形(xing)貌。可(ke)見(jian)，施加的(de)陰(yin)極(ji)電位對實驗(yan)高(gao)強鋼的(de)塑性有一定的(de)影響。圖5a為在(zai)(zai)空氣中，圖5b和(he)6a分(fen)別為在(zai)(zai)模擬(ni)深海和(he)淺海環境(jing)(jing)(jing)中開路電位下試(shi)樣(yang)斷后(hou)側面形(xing)貌，可(ke)觀察到明顯的(de)頸(jing)縮現(xian)象，斷口(kou)(kou)為杯錐形(xing)，表明在(zai)(zai)此實驗(yan)條件下試(shi)樣(yang)的(de)韌性較好(hao)。隨著(zhu)施加陰(yin)極(ji)電位的(de)不(bu)斷負移，在(zai)(zai)模擬(ni)深海環境(jing)(jing)(jing)和(he)淺海環境(jing)(jing)(jing)中試(shi)樣(yang)斷口(kou)(kou)的(de)頸(jing)縮程度均不(bu)斷降低，斷口(kou)(kou)邊緣部分(fen)撕(si)裂現(xian)象均減少，表明在(zai)(zai)此條件下試(shi)樣(yang)的(de)韌性逐漸變差。當施加陰(yin)極(ji)電位為-1000 mV時(shi)，在(zai)(zai)模擬(ni)深海環境(jing)(jing)(jing)和(he)淺海環境(jing)(jing)(jing)中試(shi)樣(yang)斷口(kou)(kou)與拉(la)伸(shen)主軸(zhou)間均呈現(xian)45°傾斜角，明顯出現(xian)脆性斷裂。

圖5   實驗高強鋼在空氣中以及在模擬(ni)深海環(huan)境中不(bu)同極化電位下試樣斷裂后宏(hong)觀斷口形(xing)貌

2.3.2 微觀形貌(mao)

由圖7實驗高強(qiang)鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)空(kong)氣(qi)(qi)和模擬(ni)深(shen)(shen)海環境(jing)中(zhong)不同電(dian)(dian)位(wei)下的(de)斷口SEM像可以(yi)得出，試(shi)樣在(zai)(zai)(zai)空(kong)氣(qi)(qi)和模擬(ni)深(shen)(shen)海環境(jing)中(zhong)開路電(dian)(dian)位(wei)及(ji)(ji)-800 mV電(dian)(dian)位(wei)下斷口有較多(duo)大(da)小不等的(de)韌窩(wo)組織(zhi) （圖7a~c）。鋼(gang)鐵材料(liao)在(zai)(zai)(zai)外力的(de)作用下，因強(qiang)烈的(de)滑移位(wei)錯堆積，在(zai)(zai)(zai)變(bian)形大(da)的(de)區域會(hui)產(chan)生(sheng)許多(duo)顯微空(kong)洞，即韌窩(wo)。韌窩(wo)的(de)深(shen)(shen)度(du)主要受材料(liao)塑性(xing)(xing)變(bian)形能(neng)力的(de)影響，材料(liao)的(de)塑性(xing)(xing)變(bian)形能(neng)力越大(da)，韌窩(wo)深(shen)(shen)度(du)越大(da)，反之韌窩(wo)深(shen)(shen)度(du)小。在(zai)(zai)(zai)圖7a~c中(zhong)，斷口的(de)韌窩(wo)深(shen)(shen)度(du)要比在(zai)(zai)(zai)其(qi)他(ta)電(dian)(dian)位(wei)下的(de)大(da)，表明試(shi)樣在(zai)(zai)(zai)空(kong)氣(qi)(qi)和模擬(ni)深(shen)(shen)海環境(jing)中(zhong)開路電(dian)(dian)位(wei)及(ji)(ji)-800 mV極(ji)化電(dian)(dian)位(wei)下為塑性(xing)(xing)斷裂(lie)。

圖6   實驗高強鋼(gang)在淺海環境中(zhong)斷裂后(hou)的宏觀斷口(kou)形貌

圖7   實驗高(gao)強鋼在(zai)空氣中(zhong)以(yi)及(ji)在(zai)深海環境中(zhong)不(bu)同電位下(xia)斷口的SEM像

隨(sui)著(zhu)極(ji)(ji)化電(dian)位(wei)的(de)(de)(de)負(fu)移，試(shi)樣(yang)斷(duan)(duan)(duan)口(kou)表(biao)面(mian)韌窩(wo)數量(liang)逐漸減(jian)(jian)少，韌窩(wo)深度也逐漸減(jian)(jian)小，并伴隨(sui)著(zhu)二次(ci)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)增加和(he)河流狀花(hua)樣(yang)的(de)(de)(de)出現 （圖7d~g）。這(zhe)表(biao)明(ming)，隨(sui)著(zhu)極(ji)(ji)化電(dian)位(wei)的(de)(de)(de)負(fu)移，在模擬(ni)深海環境中試(shi)樣(yang)具有(you)更明(ming)顯的(de)(de)(de)脆(cui)性斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)傾向(xiang)。有(you)研究[20]已經證實，沿著(zhu)貝氏(shi)體(ti)板條邊界(jie)的(de)(de)(de)氫(qing)的(de)(de)(de)積累，最(zui)終可以引(yin)起這(zhe)些(xie)界(jie)面(mian)的(de)(de)(de)分離(li)。鋼中的(de)(de)(de)流動氫(qing)可以快速定位(wei)在裂(lie)紋(wen)尖端(duan)前，并促(cu)進(jin)裂(lie)紋(wen)在拉伸應力下的(de)(de)(de)擴展。施加的(de)(de)(de)極(ji)(ji)化電(dian)位(wei)越(yue)負(fu)，產生的(de)(de)(de)氫(qing)使貝氏(shi)體(ti)板條邊界(jie)分離(li)的(de)(de)(de)數量(liang)越(yue)多(duo)，使氫(qing)陷(xian)阱位(wei)點(dian)超過閥值，斷(duan)(duan)(duan)面(mian)出現更多(duo)的(de)(de)(de)二次(ci)裂(lie)紋(wen)。當極(ji)(ji)化電(dian)位(wei)負(fu)移到-1000 mV時，試(shi)樣(yang)斷(duan)(duan)(duan)口(kou)出現了解理和(he)沿晶(jing)等脆(cui)性斷(duan)(duan)(duan)裂(lie)的(de)(de)(de)微(wei)觀形貌特(te)征 （圖7g），表(biao)明(ming)試(shi)樣(yang)已經進(jin)入氫(qing)脆(cui)危險(xian)區和(he)脆(cui)斷(duan)(duan)(duan)區。

從(cong)圖8中(zhong)(zhong)實驗(yan)高強鋼在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)不(bu)同(tong)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)下(xia)(xia)斷(duan)口(kou)(kou)的(de)(de)(de)SEM像(xiang)可見，在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)形(xing)貌隨極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)趨(qu)勢與(yu)在(zai)(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)相(xiang)似。當試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)在(zai)(zai)(zai)開(kai)(kai)路電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)和-800 mV極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)下(xia)(xia)時，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)呈現(xian)(xian)較多的(de)(de)(de)韌(ren)窩(wo)；隨著極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)負移，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)的(de)(de)(de)韌(ren)窩(wo)逐漸減少，出現(xian)(xian)河流(liu)狀花樣(yang)(yang)和撕裂(lie)(lie)(lie)棱，表(biao)明試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)逐漸變(bian)為(wei)脆性斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)。將在(zai)(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)與(yu)在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)相(xiang)同(tong)極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)下(xia)(xia)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)形(xing)貌進行對比可見，在(zai)(zai)(zai)開(kai)(kai)路電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)和-800 mV下(xia)(xia)等較正電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)下(xia)(xia)，在(zai)(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)處(chu)的(de)(de)(de)韌(ren)窩(wo)較在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)數量多、深(shen)(shen)(shen)度大(da)，表(biao)明在(zai)(zai)(zai)這(zhe)些電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)條件下(xia)(xia)在(zai)(zai)(zai)模(mo)擬(ni)深(shen)(shen)(shen)海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)的(de)(de)(de)韌(ren)性比在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)好；在(zai)(zai)(zai)-900 mV極(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)下(xia)(xia)，在(zai)(zai)(zai)淺海(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)(hai)環(huan)(huan)境(jing)(jing)(jing)中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)開(kai)(kai)始出現(xian)(xian)河流(liu)狀花樣(yang)(yang)，表(biao)明發生準解理(li)斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)。當電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)(wei)負移至-1000 mV時，試(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)斷(duan)口(kou)(kou)出現(xian)(xian)明顯(xian)的(de)(de)(de)沿晶二次裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)以及發紋(wen)和爪(zhua)紋(wen)，為(wei)脆性斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)。

圖8   實驗高強(qiang)鋼在(zai)淺海環(huan)境中不同電位下斷(duan)口的(de)SEM像

3 結論

（1） 實驗高強鋼在模擬800 m的(de)(de)深(shen)海(hai)環(huan)(huan)境(jing)中(zhong)，零(ling)電流電位(wei)(wei)為(wei)-708 mV，析氫電位(wei)(wei)約(yue)(yue)為(wei)-1000 mV；在淺(qian)海(hai)環(huan)(huan)境(jing)中(zhong)的(de)(de)零(ling)電流電位(wei)(wei)為(wei)-645 mV，析氫電位(wei)(wei)約(yue)(yue)為(wei)-910 mV。

（2） 在(zai)模(mo)擬800 m深海環(huan)境(jing)(jing)和淺海環(huan)境(jing)(jing)中，隨著陰極(ji)極(ji)化(hua)電位的(de)負移(yi)，實(shi)驗高強鋼(gang)的(de)氫脆(cui)敏(min)感性增(zeng)加，斷口延伸率和斷面收(shou)縮率逐漸降低，斷口形貌逐漸由塑性斷裂向(xiang)脆(cui)性斷裂轉(zhuan)變(bian)。

（3） 在模(mo)擬800 m深(shen)海環(huan)境(jing)和淺(qian)海環(huan)境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)，極(ji)化電(dian)位正于(yu)(yu)(yu)-900 mV時，高(gao)(gao)強鋼的氫(qing)脆系數(shu)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)25%，試(shi)樣(yang)處(chu)于(yu)(yu)(yu)安全(quan)區；極(ji)化電(dian)位負于(yu)(yu)(yu)-950 mV時，氫(qing)脆系數(shu)大于(yu)(yu)(yu)25%，試(shi)樣(yang)處(chu)于(yu)(yu)(yu)危險區。當(dang)氫(qing)脆系數(shu)為25%時，在模(mo)擬深(shen)海環(huan)境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)極(ji)化電(dian)位約為-930 mV，在淺(qian)海環(huan)境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)極(ji)化電(dian)位約為-910 mV。這(zhe)主要(yao)是由于(yu)(yu)(yu)在模(mo)擬深(shen)海環(huan)境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)高(gao)(gao)靜水壓力和低溫等環(huan)境(jing)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)了實驗(yan)高(gao)(gao)強鋼的析氫(qing)反應過程。