● 摘要
高强度钢在航空航天工业中往往作为一种关键结构材料，而在服役过程中航空材料往往面临着复杂多变、腐蚀性很强的服役环境，其耐腐蚀性能直接关系到关键结构件的服役可靠性。研究高强度钢在腐蚀性较强的海洋环境的腐蚀行为、耐腐蚀机理及其对力学性能的影响，对高强度钢在海洋环境中的使用具有重要的理论参考价值和意义。本文分别采用干湿交替的方法模拟海洋性大气环境，全浸腐蚀的方法模拟飞机内部结构或者半封闭结构中的积水环境，研究低合金超高强度钢30CrMnSiNi2A和40CrNi2Si2MoVA、高Co-Ni二次硬化超高强度钢23Co14Ni12Cr3和沉淀硬化高强度不锈钢0Cr15Ni5Cu3Nb腐蚀行为、腐蚀产物形成机理与腐蚀行为对力学性能的影响及其机理。主要研究结论如下：
在模拟低湿度、常温海洋性大气环境中，高Co-Ni二次硬化超高强度钢23Co14Ni12Cr3的锈层较为致密，与基体有较强的结合力，无明显的内外锈层界面，锈层由γ-FeOOH，GR(Cl−)，β-FeOOH-M和Fe3O4组成，Co和Ni元素均匀分布在整个锈层中，Cr元素主要集中在靠近基体的锈层中。23Co14Ni12Cr3的锈层组成主要与较高的含量的Co和Ni有关，在干湿循环腐蚀过程中，Co抑制了γ-FeOOH，GR(Cl−)，β-FeOOH-M向着更加稳定的α-FeOOH转化，Ni使得GR(Cl−)和β-FeOOH-M的电化学性质更加稳定。而相反地是，低合金超高强度钢40CrNi2Si2MoVA锈层分为两层，外锈层较为紧密但结合力较差，主要由γ-FeOOH和α-FeOOH组成，较少的β-FeOOH-M和Fe3O4；而内锈层非常致密，主要含有α-FeOOH和α-Fe2O3。23Co14Ni12Cr3的腐蚀速率约为40CrNi2Si2MoVA的10%。
40CrNi2Si2MoVA对干湿交替过程中产生的氢较为敏感，氢沿着钢铁表面向钢铁内部渗透，所以腐蚀初期塑性损失较大。随着锈层的增厚，电化学腐蚀速率降低，电化学腐蚀产生的H向钢铁内部的渗透量减少，氢渗透区域促进了阳极活性溶解，促进点蚀孔的萌生和发展。23Co14Ni12Cr3在腐蚀初期，有H渗入，有一定的塑性损失，相比40CrNi2Si2MoVA损失量较少，随着腐蚀时间的增加，腐蚀产物的增厚，锈层底部的出现了少量的点蚀孔，点蚀孔周围钢铁中有氢深入，但是23Co14Ni12Cr3有少量的力学性能的损失。
在模拟高温高湿海洋性大气环境中，23Co14Ni12Cr3的锈层主要由Fe3O4，氯化β-FeOOH (β-FeOOH(Cl-))和氯化绿锈(GR(Cl-))，其中Fe3O4含量较高，锈层表面较为疏松。40CrNi2Si2MoVA锈层主要为大量的Fe3O4和表面极少量的γ-FeOOH组成。23Co14Ni12Cr3耐腐蚀性能要远远优于40CrNi2Si2MoVA，随着腐蚀时间的增加23Co14Ni12Cr3的腐蚀速率逐渐降低，而40CrNi2Si2MoVA保持一定较高的腐蚀速率不断发展。干湿交替过程中产生的H，渗透到两种超高强度钢中，使得超高强度钢产生了一定塑性损失。并且H的渗入也促进点蚀的发展，使得试样截面积减少，抗拉强度降低。由于40CrNi2Si2MoVA钢锈层为Fe3O4，腐蚀速率较快，所以产生的H较多，40CrNi2Si2MoVA力学损失较大，腐蚀发展较快。而23Co14Ni12Cr3腐蚀速率较慢，所以产生H较少，使得力学损失较低，所以截面积损失较低，力学损失较低。
在模拟含有NaCl中性积水腐蚀环境中，低合金超高强度钢40CrNi2Si2MoVA和30CrMnSiNi2A的耐蚀性相似，锈层结和成分相同，锈层分为内外两层，外锈层为疏松层，主要含有γ-FeOOH和Fe3O4，内锈层为致密Fe3O4薄膜，且在相同时间内腐蚀速率相近。40CrNi2Si2MoVA在NaCl溶液中具有较高的应力腐蚀开裂敏感性，对阳极和阴极极化都具有较高的应力腐蚀开裂敏感性，在开路电位下，受到阳极溶解和氢致开裂混合机理的控制。30CrMnSiNi2A在阳极极化条件下，具有较好的抗应力腐蚀开裂性能；对氢致开裂具有较高的应力腐蚀开裂敏感性。两种低合金超高强度钢应力腐蚀开裂行为差异与腐蚀性能、腐蚀产物的成分与结构与关系较小，主要与钢铁微观组织有关。
在模拟含有NaCl中性积水环境中，高Co-Ni二次硬化超高强度钢23Co14Ni12Cr3表面会生成一层主要成分为Fe2O3和Co3O4的稳定性较差的钝化膜层。在Cl−离子作用下，钝化膜易发生破裂，使得部分基体发生腐蚀。生成的锈层共分为内、外锈层两层结构，外锈层较为疏松，但与内锈层结合力较好，由α-FeOOH、γ-FeOOH和少量的颗粒状Fe3O4组成，内锈层主要为致密的Fe3O4的薄膜。钝化薄膜在一定程度上提高了高合金二次硬化超高强度钢的耐腐蚀性能，并降低了应力腐蚀开裂敏感性，稳定了其在中性NaCl溶液中的力学性能，但其对H具有较高的应力腐蚀开裂敏感性。在开路电位下，腐蚀产物转化过程中产生的H渗入到钢铁基体中，H是促进了裂纹的开裂主要因素。
在模拟含有NaCl中性积水溶液中，沉淀硬化马氏体不锈钢0Cr15Ni5Cu3Nb具有较好的耐腐蚀性能和极低的应力腐蚀开裂敏感性。在-100 mVSCE极化电位下，不锈钢钝化膜层分为内、外两层，外层主要成分为FeO、Fe2O3和Cr2O3，而内层氧化物成分主要成分为Cr2O3。在开路电位下，钝化膜层氧化态成分主要为单层的Cr2O3。在开路电位下，中性NaCl溶液表现出优良的力学性能，具有较强的耐应力腐蚀腐蚀性能。在极化电位下形成的双层结构钝化膜层增加了不锈钢的力学性能。但同时，该马氏体不锈钢具有较高的氢致开裂敏感性。