帅 铭 郑茂盛

(西北大学 a. 物理学院；b. 化工学院)

变形量对A3钢电化学性能的影响

帅 铭*郑茂盛b

(西北大学 a. 物理学院；b. 化工学院)

在万能试验机上对A3钢进行单向拉伸，通过力控拉伸和位移控制拉伸得到了应变量分别为0.07%、6.00%、11.00%、24.00%的试样。通过动电位极化法和电化学阻抗图谱测试了不同变形量的A3钢在0.01mol/L的NaCl溶液中的抗腐蚀性能。结果表明:A3钢的自腐蚀电位随变形量的增加会发生负移，并且自腐蚀电流密度值也随变形量的增加而变大，说明变形会降低A3钢的抗腐蚀性能，并且随着变形量的增加，其腐蚀速率也会相应加快；在拉伸变形初期，A3钢的电化学阻抗值下降的尤为明显，并且随变形量的增加，试样发生腐蚀的程度也越来越严重。

A3钢 变形量 动电位极化 电化学阻抗

塑性变形是材料成型和加工生产中常见的工艺过程。设备在使用过程中，也会因为承压过大而发生塑性变形。而发生塑性变形后的钢材很多性能都会有所改变，目前研究可知，材料经历塑性变形后，不仅会造成加工硬化、塑性降低，而且耐腐蚀性能也会减弱[1～6]。深入分析材料性能随变形量的变化，对于其合理使用和优化生产工艺极为必要。因Q235碳钢具有高强度、高刚度且成本低等优点，可用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器及船舶等，也可用于制造对性能要求不太高的机械零件[7]，同时还常被用于制造抗腐蚀性较好的双金属复合管的基管。在利用挤压成型方法制备双金属复合管时，除了衬管会产生塑性变形外，作为基管的Q235碳钢也会产生一定的塑性变形。为了研究塑性变形对材料电化学性能的影响，笔者利用拉伸试验机将Q235碳钢试样拉伸到不同变形量，然后用动电位极化法、电化学阻抗法和金相显微镜来分析不同变形量对抗腐蚀性能的影响。

1 试验材料和方法

试验材料为Q235-A3碳钢，其化学成分见表1。拉伸试样按照标准GB/T 228-2002制备，试样总长210mm，直径10mm，平行长度120mm。试样分为5组，分别为：原始试样、应变0.07%、应变6.00%、应变11.00%和应变24.00%试样，为了确保试验结果的准确性，每组又包含3个等条件试样，并对全部试样用数字1～15进行编号；再将拉伸好的试样用线切割机切成高度为10mm的圆柱作为工作电极，选取露出来的一个底面为工作面，在另一底面焊上Cu导线，并用环氧树脂密封于PVC管内。工作面用SiC水砂纸逐级打磨(选用3～5级水砂纸，最终用2 000#水砂纸)，抛光水洗后用无水乙醇除油、去离子水清洗后吹干待用。测试溶液为0.01mol/L的NaCl溶液，由分析纯化学试剂和去离子水配置而成。试验室温度为室温(24±1)℃。

表1 Q235-A3碳钢化学成分 wt%

试样拉伸由SANS电液伺服万能试验机完成，电化学测试由PARSTAT2273型电化学工作站完成，采用三电极体系，辅助电极选用Pt电极，参比电极选用饱和甘汞电极(SCE)。测试前先将工作电极在-1.1V(vs.SCE)下极化30min，以除去试样表面的氧化膜；动电位极化曲线测量范围为-0.5～0.9V(vs.SCE)，扫描速率为2mV/s，EIS谱测试频率范围为10mHz～100kHz，测量信号为幅值10mV正弦波。

2 试验结果与分析

2.1动电位极化

将不同变形量的A3钢试样在浓度为0.01mol/L的NaCl溶液中的动电位极化曲线进行Tafel拟合，拟合结果如图1和表2所示。其中试样1～3为原始试样，应变量为0%；试样4～6为弹性范围内的拉伸试样，应变大约0.07%；试样7～9的拉伸变形量为6.00%；试样10～12的拉伸变形量为11.00%；试样13～15的拉伸变形量为24.00%。

图1 A3钢自腐蚀电位随变形量的变化关系

表2 极化曲线的Tafel拟合结果

由图1和表2可知，A3钢经过一定的弹性变形后，自腐蚀电位稍微发生了正移，自腐蚀电流密度Icorr也稍微变小；一般材料的自腐蚀电位越正，耐腐蚀性能就越高，自腐蚀电流密度与材料腐蚀速率V的关系如下[8]：

式中A——原子量；

D——金属材料密度；

n——得失电子数；

V——材料腐蚀速率。

由此可见，一定的弹性拉伸未对A3钢的耐腐蚀性能产生影响。

A3钢在进入塑性变形后，其自腐蚀电位又发生了明显的负移，自腐蚀电流密度也相应变大，并且随着变形量的增加，试样的自腐蚀电位变得更负，自腐蚀电流密度变得更大，说明变形量的增加会导致A3钢抗腐蚀性能降低，同时也加快了材料的腐蚀速率。

2.2电化学阻抗测试

图2为不同变形量的A3钢试样在浓度为0.01mol/L的NaCl溶液中的阻抗测试结果(Nyquist曲线)。由图可以看出，所有试样的Nyquist曲线均由单一的圆弧曲线构成，表明试样的腐蚀控制步骤均为电化学反应；同时还可发现：图2中圆弧曲线的半径随着试样变形量的增加而逐渐变小，图中圆弧半径的大小是材料耐腐蚀性能强弱的表征，一般来说，圆弧半径越大，耐腐蚀性能就越好[9～11]，可见变形量的增加导致A3钢试样的抗腐蚀性能降低，并且，变形量越大耐腐蚀性能就越差，产生上述现象的原因是材料经过塑性拉伸变形后，内部的位错缺陷会相应增加，位错之间的相互作用使位错密度急剧增加，导致材料加工硬化[12]，降低了材料的抗腐蚀性能。

图2 不同变形量的A3钢试样的Nyquist曲线

根据阻抗图谱的特点，可以得出A3钢试样的腐蚀等效电路图(图3)。

图3 A3钢试样的腐蚀等效电路

图中，Rs表示溶液电阻，Rt表示电荷转移电阻，CPE为双电层电容。基于弥散效应，在等效电路中用CPE常相位角元件代替纯电容元件[13]，则CPE的阻抗Z′为：

等效电路的总阻抗Z可表示为：

其中，Y0和n为CPE的两个参数，Y0是有量纲的，和电容的量纲一样；n为弥散指数，是无量纲的，取值范围为区间(0，1)。

图4和表3是根据图3所示的等效电路图利用ZSimp Win软件得到的各个参数的拟合结果，由表3可以看出，弥散指数n一直保持在0.75左右。经过一定的弹性拉伸变形后，A3钢试样的电荷转移电阻会略微增大，表明电荷在电化学反应的过程中遇到的阻力变大，从而使A3钢试样的耐腐蚀性能增强；随着试样经过不同程度的塑性拉伸变形，电荷转移电阻也变得越来越小，表明材料的抗腐蚀性能会随着变形量的增加而越来越差，由图4还可以看出，在拉伸变形初期，A3钢试样的电荷转移电阻下降的尤为明显。此结果与利用动电位极化测得的Tafel拟合结果相一致。

图4 A3钢试样的电荷转移电阻随变形量的变化

表3 Nyquist曲线的拟合结果

3 结论

3.1A3钢的自腐蚀电位随着拉伸变形量的增加发生了负移，并且其自腐蚀电流密度值也随变形量的增加而变大，说明拉伸变形会降低A3钢的抗腐蚀性能，并且随着变形量的增加，其腐蚀速率也会相应的加快。

3.2在拉伸变形初期，A3钢的电化学阻抗值下降的尤为明显，并且随着变形量的增加，试样发生腐蚀的程度也越来越严重。

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EffectsofDeformationonElectrochemicalPerformanceofA3Steel

SHUAI Minga, ZHENG Mao-shengb
(a.SchoolofPhysics; b.SchoolofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China)

Simple tension test of A3 steel on the tensile machine was implemented; through adopting force control and displacement control, the test specimen boasting of 0.07%, 6.00%, 11.00% and 24.00% distortion were attained respectively. Having potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy employed to test A3 steel’s corrosion resistance in 0.01mol/L NaCl solution, the results show that the A3 steel’s self-corrosion potential can shift negatively with the increase of tensile deformation, and its corrosion current density becomes greater with this increase; the deformation can reduce corrosion resistance of steel A3 obviously and accelerate corrosion rate correspondingly; and in the initial stage of deformation, the electrochemical impedance spectroscopy of steel A3 decreases clearly and the corrosion degree gets more and more serious with the increase of tensile deformation.

A3 steel, deformation, potentiodynamic polarization, electrochemical impedance

* 帅 铭，男，1986年11月生，硕士研究生。陕西省西安市，710069。

TQ050.9

A

0254-6094(2016)02-0162-04

2015-03-10，

2016-03-11)

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