礦用鋼絲在腐蝕環(huán)境中應(yīng)力與腐蝕的交互作用研究.pdf

1、礦井提升用鋼絲繩作為一種承載部件,連接著提升機(jī)和提升容器,擔(dān)負(fù)著提升煤炭、矸石,下放材料、升降人員和設(shè)備的任務(wù)。在礦井提升過(guò)程中,鋼絲繩承受著反復(fù)地拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷;同時(shí)礦井的淋水作用使提升鋼絲繩長(zhǎng)期處于高濕和酸堿浸蝕的惡劣環(huán)境中,這導(dǎo)致提升鋼絲繩的腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重。鋼絲繩在服役過(guò)程中承受著外加應(yīng)力與腐蝕的共同作用,其內(nèi)部鋼絲會(huì)產(chǎn)生極其危險(xiǎn)的低應(yīng)力破壞形式,在恒定應(yīng)力或者慢速率應(yīng)變狀況下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;而在循環(huán)交變拉應(yīng)力與腐蝕的

2、共同作用下,鋼絲又極易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。針對(duì)這些存在問(wèn)題,本文主要對(duì)礦用鋼絲在特定礦井腐蝕環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕行為、應(yīng)力腐蝕行為及腐蝕疲勞行為進(jìn)行研究,同時(shí)對(duì)鋼絲腐蝕與應(yīng)力之間的交互作用對(duì)鋼絲壽命影響進(jìn)行系統(tǒng)研究,開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容及獲得的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過(guò)對(duì)不同表面處理方式的鋼絲在不同腐蝕溶液中的極化曲線進(jìn)行分析,獲得了鋼絲在不同條件下的陰、陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)鋼絲腐蝕過(guò)程中表面有腐蝕產(chǎn)物膜生成,膜對(duì)鋼絲基體的保護(hù)作用與溶液

3、的腐蝕性及浸泡時(shí)間有關(guān)。使用Tafel直線外推法對(duì)極化曲線進(jìn)行分析,獲得了鋼絲在不同階段的腐蝕電位及腐蝕電流密度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)裸鋼絲在酸性溶液中的腐蝕速度最快,不同條件下鋼絲的耐蝕性與浸泡時(shí)間有關(guān)。對(duì)鋼絲在不同條件下的電化學(xué)阻抗譜(EIS)進(jìn)行了測(cè)量,并通過(guò)Zsimpwin軟件對(duì) Nyquist圖進(jìn)行擬合獲得了鋼絲在不同條件下的等效電路,對(duì)了解鋼絲電化學(xué)腐蝕過(guò)程提供了理論依據(jù)。
　　(2)采用光滑無(wú)缺口鋼絲進(jìn)行慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)(S

4、SRT),探討不同外加電位、不同腐蝕溶液對(duì)鋼絲應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)敏感性的影響,結(jié)果表明鋼絲在三種溶液中均有SCC敏感性,其中酸性溶液中在外加Ecorr+400 mV電位時(shí),鋼絲的抗拉強(qiáng)度最低,約1673 MPa,平均延伸率也最低,約為14.71％。腐蝕溶液中拉伸斷口形貌與空氣中拉伸相似,以韌窩形貌為主,在 SCC敏感區(qū)伴隨有少量脆性斷裂特征。酸性溶液中隨著外加陽(yáng)極電位的增大,由陽(yáng)極溶解作用導(dǎo)致的 SCC傾向降低,在開(kāi)路電位下鋼絲產(chǎn)生

5、的 SCC傾向較弱,而中性及堿性溶液中鋼絲隨著外加陽(yáng)極電位的增大,由陽(yáng)極溶解作用導(dǎo)致的 SCC傾向增大;在外加陰極電位時(shí),三種溶液中鋼絲 SCC機(jī)制均完全受氫脆機(jī)制影響,隨外加陰極電位的負(fù)移,析氫反應(yīng)劇烈導(dǎo)致氫含量明顯增大,SCC敏感性增強(qiáng)。
　　研制了一種鋼絲恒應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī),通過(guò)鋼絲在不同溶液中、不同外加恒定應(yīng)力下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),獲得了腐蝕電位與Nyquist圖隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)果表明,外加應(yīng)力會(huì)造成鋼絲腐蝕電位的降低,這一

6、規(guī)律受溶液腐蝕強(qiáng)弱影響,同時(shí)外加應(yīng)力對(duì)鋼絲的Nyquist圖影響劇烈,其中試驗(yàn)1 h后,酸性溶液中在外加1125 MPa時(shí)低頻容抗弧半徑最大。
　　(3)開(kāi)展了鋼絲的腐蝕疲勞試驗(yàn),對(duì)比分析了鋼絲在空氣及不同腐蝕溶液中的S-N曲線,發(fā)現(xiàn)鋼絲在酸性溶液中的腐蝕疲勞壽命最短,堿性次之,中性最大,應(yīng)力與腐蝕對(duì)腐蝕疲勞壽命的降低有相互促進(jìn)的作用。通過(guò)不同應(yīng)力比、不同頻率下鋼絲的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),應(yīng)力比越小、頻率越高時(shí),腐蝕疲勞壽命越小,

7、裂紋萌生主要與鋼絲本身缺陷及形變活化有關(guān),而應(yīng)力比越大,頻率越小時(shí),鋼絲腐蝕疲勞壽命越大,裂紋萌生主要受陽(yáng)極溶解機(jī)制控制。通過(guò)對(duì)不同外加電位下鋼絲的腐蝕疲勞行為研究發(fā)現(xiàn),陽(yáng)極極化作用能大大降低鋼絲的腐蝕疲勞壽命,鋼絲斷口疲勞源處有明顯韌窩形貌,韌窩區(qū)面積隨著外加陽(yáng)極電位的增大而增加;外加陰極極化電位時(shí),陰極反應(yīng)生成的氫無(wú)法進(jìn)入鋼絲基體,腐蝕疲勞壽命由于對(duì)陽(yáng)極溶解反應(yīng)的有效阻礙而大大增大,鋼絲斷口較為平滑,顯示明顯的脆性斷裂機(jī)制。

8、　　(4)通過(guò)有限元建模探討了不同大小點(diǎn)蝕坑、不同外加應(yīng)力對(duì)鋼絲點(diǎn)蝕坑內(nèi)部應(yīng)力分布的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)外加拉應(yīng)力越大,點(diǎn)蝕坑底部應(yīng)力集中越明顯,等效應(yīng)力越大,應(yīng)力集中處有沿垂直于外加拉應(yīng)力的方向向外擴(kuò)展的趨勢(shì)(主裂紋擴(kuò)展方向),而當(dāng)外加拉應(yīng)力相同時(shí),腐蝕程度越嚴(yán)重,點(diǎn)蝕坑半徑越大,等效應(yīng)力越大,主裂紋向垂直于外加拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展的趨勢(shì)越明顯。分析了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(包括應(yīng)力比及加載頻率)對(duì)鋼絲點(diǎn)蝕坑內(nèi)應(yīng)力分布的影響,發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力條件下鋼絲點(diǎn)蝕坑