鐵路車輛在應(yīng)用過程中不斷受到大氣腐蝕及裝載貨物介質(zhì)腐蝕和動(dòng)載荷磨蝕等惡劣應(yīng)用環(huán)境的影響，材料腐蝕較為嚴(yán)重，即使配合涂漆還是無法徹底解決鋼板在使用過程中的銹蝕問題，并且隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)奶崴伲瑢?duì)鐵路用材料的性能提出了更高的要求。在發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路車輛和我國(guó)特種鐵路運(yùn)輸車輛的制造中，已采用不銹鋼代替耐候鋼，然而不銹鋼價(jià)格昂貴，且本身還存在技術(shù)問題。因此，開發(fā)低成本、高耐蝕的耐候結(jié)構(gòu)鋼對(duì)于提高我國(guó)鐵路車輛制造水平具有重要意義。

現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸正在向高速、重載、大運(yùn)量方向發(fā)展，這也對(duì)鐵路貨車提出了更高的要求。耐候鋼相對(duì)于普通碳鋼有著優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能，這是因?yàn)槠渲械暮辖鹪仄鹆私档弯P層導(dǎo)電性能、阻礙銹層快速生長(zhǎng)、推遲銹層結(jié)晶、阻塞裂紋和缺陷等作用，促進(jìn)了耐候鋼穩(wěn)定銹層的形成，并提高了內(nèi)銹層的致密性，長(zhǎng)期使用后呈現(xiàn)出顯著的耐大氣腐蝕效果。

鐵路車輛一方面長(zhǎng)期受磨損腐蝕和轉(zhuǎn)向應(yīng)力腐蝕的影響，另一方面長(zhǎng)期受復(fù)雜環(huán)境（濕度、溫度等）腐蝕的影響，車輛局部無法形成穩(wěn)定的銹層。為解決車體用材料使用壽命短的問題，亟待開發(fā)新一代高耐蝕鐵路車輛用鋼。

為此，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所和安工腐蝕檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室科技（無錫）有限公司的技術(shù)人員采用多種方法，對(duì)比研究了常用Q450NQR1耐候鋼和新型S500AW耐候鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能，以期為開發(fā)新型耐腐蝕鐵路車輛用鋼提供理論支撐。

理論基礎(chǔ)

根據(jù)古特曼的力學(xué)-化學(xué)效應(yīng)理論可知，不同形變金屬的化學(xué)位不同，形變過程中形成的位錯(cuò)決定了化學(xué)位。位錯(cuò)對(duì)形變能有主要貢獻(xiàn)，位錯(cuò)密度與塑性變形程度的關(guān)系幾乎是線性的，大量位錯(cuò)塞積會(huì)導(dǎo)致形變強(qiáng)化，位錯(cuò)塞積群的形成和形變強(qiáng)化對(duì)金屬的力學(xué)-化學(xué)活性起著決定性作用。試樣應(yīng)變量越大，位錯(cuò)越多，金屬中貯存的能量就越多，其電化學(xué)活性就越高。

理論上在宏觀彈性變形范圍內(nèi)，平衡電位的變化與彈性變形有關(guān)，彈性應(yīng)力會(huì)使材料的平衡電位發(fā)生負(fù)移。若材料發(fā)生塑性形變，材料電極電位的改變與位錯(cuò)的塞積群有關(guān)，而塑性變形往往伴隨彈性變形。一般對(duì)鋼鐵而言，無論塑性變形還是彈性變形，可根據(jù)施加應(yīng)力、位錯(cuò)數(shù)和材料形變強(qiáng)化程度的變化來討論電極電位的變化。

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

對(duì)兩種車體用鋼材料Q450NQR1和S500AW試樣進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加載裝置如圖1所示。將試樣放置在彎曲試驗(yàn)夾具中，形成簡(jiǎn)支梁的形式，支撐試樣的兩個(gè)下支撐點(diǎn)間的距離視試樣長(zhǎng)度可調(diào)，試樣上方有兩個(gè)對(duì)稱的加載點(diǎn)。

圖1 四點(diǎn)彎曲加載裝置示意圖

將已加載的車體鋼試樣放置于試驗(yàn)溶液中浸泡，試驗(yàn)后用10倍放大鏡觀察兩種試樣的工作面是否有裂紋，以此判斷其抗應(yīng)力腐蝕性能。同時(shí)，對(duì)受拉伸表面腐蝕產(chǎn)物銹層與非受拉表面腐蝕產(chǎn)物銹層的附著情況進(jìn)行記錄，判斷在受力的情況下，腐蝕產(chǎn)物銹層的附著狀態(tài)。

試樣尺寸為115mm×10mm×4mm，試驗(yàn)溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗(yàn)溫度為45℃，加載為實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度（YS）的50%?70%?90%，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為720小時(shí)。 

在不同載荷下加載相同時(shí)間后，觀察兩種試樣的表面，均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。

 為進(jìn)一步研究試樣的抗應(yīng)力腐蝕敏感性，檢測(cè)三種載荷下，試樣開路電位隨浸泡時(shí)間的變化曲線，采用Gamry1000型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，選用三電極體系，試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。由于兩內(nèi)支點(diǎn)中間位置處，試樣相對(duì)受力較大，故選取兩內(nèi)支點(diǎn)中間位置進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗(yàn)溫度為45℃。

(a) Q450NQR1

(b) S500AW

圖2 兩種試樣在不同加載條件下的開路電位-時(shí)間曲線

由圖2可見：兩種試樣在加載50%YS條件下的開路電位最高；提高加載后，開路電位明顯變負(fù)，但當(dāng)加載為90%YS時(shí)，Q450NQR1試樣的開路電位正移，而S500AW試樣的開路電位基本不變。

這可能是因?yàn)殡S著加載從50%YS提高至70%YS，ΔP（固相中剩余壓力的絕對(duì)值或施加應(yīng)力）增加，電位負(fù)移，當(dāng)提高加載至90%YS，雖然ΔP同樣增加，但此時(shí)位錯(cuò)開始移動(dòng)，預(yù)先存在的位錯(cuò)群部分溶解，使nΔτ（n為塞積群中的位錯(cuò)數(shù)，Δτ為材料形變強(qiáng)化程度）減少，導(dǎo)致電位正移，因此最終導(dǎo)致開路電位正移或基本保持不變。

U型彎曲試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行U型彎曲應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，加載裝置如圖3所示。試樣通過萬能試驗(yàn)機(jī)彎曲180°緊固后浸泡在溶液中，定期觀察試樣彎曲部位是否發(fā)生裂紋。

圖3 U型彎曲加載裝置

試樣尺寸為100mm×9mm×3mm，試驗(yàn)溶液為0.01mol/L NaHSO3，試驗(yàn)溫度為45℃，浸泡時(shí)間為720小時(shí)，壓頭直徑為30mm。

經(jīng)過720小時(shí)U彎腐蝕試驗(yàn)后，采用10倍放大鏡觀察兩種試樣的彎曲處，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

采用Garmy1000型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，記錄試樣開路電位隨浸泡時(shí)間變化的曲線。通過應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)測(cè)試的耦合疊加，用電化學(xué)參數(shù)指標(biāo)來分析應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

圖4 兩種U型彎曲試樣的開路電位-時(shí)間曲線

由圖4可見，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種試樣的開路電位均逐漸負(fù)移，隨后趨于穩(wěn)定。這主要是由于隨著應(yīng)變量的增加，彈/塑性變形增加了兩種材料的電化學(xué)活性，加劇了金屬的陽極溶解，導(dǎo)致電位變負(fù)。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種試樣表面逐漸生成腐蝕產(chǎn)物膜，電位逐漸趨于穩(wěn)定，即在外力條件下，腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體具有一定的保護(hù)作用。由于兩種材料均屬于車體鋼，元素組成相差不大，故在同種環(huán)境中，二者開路電位相差較小。

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)是檢測(cè)金屬材料抗應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的一種經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方法。通過對(duì)試樣加載軸向應(yīng)力，并在拉伸過程中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試來檢測(cè)金屬材料的表面電化學(xué)行為，分析材料的耐應(yīng)力腐蝕性能。

試驗(yàn)溶液為0.01mol/L NaHSO3溶液，試驗(yàn)溫度為45℃，試樣尺寸為120mm×20mm×3mm，標(biāo)距L0為25mm。

(a) Q450NQR1

(b) S500AW

圖5 兩種試樣經(jīng)SSRT后的宏觀形貌

由圖5可見，兩種拉伸試樣都在標(biāo)距內(nèi)斷裂。

結(jié)合電化學(xué)測(cè)試，測(cè)試材料開路電位隨浸泡時(shí)間的變化曲線，通過應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)測(cè)試的耦合疊加，分析動(dòng)態(tài)力學(xué)載荷下力學(xué)化學(xué)交互作用的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。

圖6 兩種試樣在0.01mol/L NaHSO3溶液中的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可見：S500AW試樣屈服后的塑性變形區(qū)域及彈性變形區(qū)域高于Q450NQR1試樣，說明Q450NQR1試樣在0.01mol/L NaHSO3溶液中具有應(yīng)力腐蝕敏感性。

圖7 兩種試樣在慢應(yīng)變拉伸過程中的開路電位-時(shí)間曲線

由圖7可見：兩種試樣的開路電位均隨著拉伸試驗(yàn)的進(jìn)行呈現(xiàn)先負(fù)后正最后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，且其最終穩(wěn)定電位高于起始電位。原因可能是：在初始階段，隨應(yīng)變量的增加，ΔP增大，同時(shí)少量位錯(cuò)開始移動(dòng)，預(yù)先存在的位錯(cuò)群部分溶解，使nΔτ減少，但是ΔP的增加程度大于nΔτ的減少程度，所以電位值負(fù)向移動(dòng)；但是隨著拉伸的進(jìn)行，試樣表面開始生成腐蝕產(chǎn)物膜，結(jié)合開路電位曲線可知，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種材料的開路電位逐漸趨于穩(wěn)定，說明該產(chǎn)物膜的生成會(huì)阻滯陽極反應(yīng)的進(jìn)行，對(duì)基體起到一定的保護(hù)作用，最終導(dǎo)致開路電位正移并趨于穩(wěn)定。

結(jié)論

（1）在采用四點(diǎn)彎曲加載，對(duì)不同加載條件下試樣的開路電位進(jìn)行測(cè)試，不同加載條件下，試樣表面的開路電位明顯不同；外加載荷使得試樣表面開路電位更負(fù)，應(yīng)力腐蝕敏感性增加。

（2）采用U型彎曲加載，兩種試樣經(jīng)720小時(shí)腐蝕試驗(yàn)后，彎曲處均未發(fā)現(xiàn)裂紋，且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，其電位負(fù)移并逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）在慢應(yīng)變拉伸條件下，腐蝕產(chǎn)物膜在試樣表面的形成促使表面電位提高并趨于穩(wěn)定。