[发明专利]一种海洋环境中耐腐蚀断裂的高强钢及制备方法

说明书

本发明属于金属材料领域，涉及一种海洋环境中耐腐蚀断裂的高强钢，所述高强钢的化学成分的质量分数为C：≤0.10、Si：≤0.3、Mn：≤1.4、P：≤0.01、S≤0.01、Cr：≤0.6、Al：≥0.2、Ni：≤1.6、Nb：≤0.15、Sb：≤0.15、Ce：≤0.09，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明基于抑制裂尖力学‑电化学效应对高强钢进行多合金元素复合调控，使高强钢性能特征(组织成分、力学性能及电化学行为)呈现多样性，进而对腐蚀断裂行为产生不同的影响，便于系统地建立裂尖力学‑电化学效应与腐蚀断裂之间的关联，最终达到提升高强钢耐腐蚀断裂性能的目的。

技术领域

本发明涉及耐蚀钢技术领域，特别涉及一种海洋环境中耐腐蚀断裂的高强钢及制备方法。

背景技术

高强钢是大型海工装备不可或缺的结构材料，目前我国自主生产的海洋用高强钢性能与国外先进水平仍有一定的差距，主要表现在机械性能和耐腐蚀性能方面，高端材料依赖进口且受贸易壁垒限制，亟待自主研发。组织成分调控是提升高强钢性能的有效途径，成熟的调控理论是制造高性能高强钢的必要条件。高强钢在服役过程中易发生腐蚀断裂并诱发灾难，其中应力腐蚀开裂(SCC)裂纹扩展是最大隐患之一，同时强度的提升会增加其SCC风险性。但迄今为止，高强钢耐腐蚀断裂调控机制和方法依然不成熟，这也是制约研制高性能海洋用钢的主要瓶颈问题之一，急需展开针对性的研究。目前该科学问题突出，主要原因在于：耐蚀钢的设计主要以均匀腐蚀为依据，而SCC裂纹扩展的根源是裂纹尖端(简称“裂尖”)的力学-电化学效应其不同于均匀腐蚀，导致以均匀腐蚀机理为调控依据的耐蚀钢不具备抗腐蚀断裂的属性，甚至会加速断裂；裂尖力学-电化学效应对裂纹扩展行为的作用机制尚未明确，导致高强钢抗SCC裂纹扩展的调控机制缺乏依据。

现有研究普遍认为海洋环境下高强钢SCC主要受阳极溶解(AD)、氢脆(HE)以及AD和HE的混合机制控制，该理论用来解析裂纹扩展仍有一定的局限性，因为裂纹扩展的根源是裂尖力学-电化学效应，其受裂尖低pH值、高Cl-浓度、高应力应变、高位错密度等特征因素影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：海洋环境中如何抑制高强钢的抗裂纹扩展。

图1(a)中，非稳态电化学反应发生在裂纹前端，主要表现为金属原子的AD反应，其受裂尖新鲜金属、高应力应变以及位错露头影响；稳态电化学反应发生在裂纹壁，主要表现为H+还原反应生成H，受裂尖pH值、Cl-浓度和位错露头影响。电化学反应生成的H在裂尖区域聚集诱发HE。图1(b)为申请人对近中性海水环境(Cl-浓度大约为0.5mol/L)下高强钢裂尖pH值和Cl-浓度的测量结果，其数值分别为4.0和3.8mol/L，可发现裂尖发生了明显的酸化和离子浓聚。图1(c)中，海水环境通过影响裂尖电位、电化学反应、pH值和SCC，最终改变裂纹扩展速率。综上所述，受裂尖特征因素影响的电化学反应和HE是高强钢SCC裂纹扩展的直接原因。

因此高强钢抗SCC裂纹扩展的调控方案则围绕抑制裂尖特征因素下电化学反应和HE开展。添加Nb、V、Ti、Cu、Ni等合金元素可通过弥散析出或固溶强化等机制达到钉扎位错等效果，以及通过细化晶粒提升强韧性，其可有效降低裂尖应力应变集中程度和位错密度，适量的Cr、Cu、Mo、P、Sb和Ca等合金元素可起到改善锈层结构和成分的作用，通过提升电化学反应阻力抑制腐蚀。其中Ca具有调节锈层中溶液介质pH值的功能，Sb可提升高强钢的抗酸性。La(镧)和Ce(铈)等稀土元素可促进合金元素在钢中的均匀分布，具有改善微观组织结构、提高强韧性及降低HE敏感性的效果。Nb添加后形成的NbC析出相能够能捕获H，进而通过减少钢中可扩散性H含量以起到抑制HE的作用。

针对裂尖低pH值、高应力应变、高位错密度等特征因素下的HE和电化学反应，可通过对高强钢进行成分调控，提高强韧性和钉扎位错来抑制裂尖非稳态电化学反应，增强酸性环境下电化学阻力以抑制析氢电化学反应和减少钢中可扩散H含量以达到提升抗HE的效果。

(1)高强钢SCC行为与机理分析：