礦用鋼絲在腐蝕環(huán)境中應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,連接著提升機和提升容器,擔負著提升煤炭、矸石,下放材料、升降人員和設備的任務。在礦井提升過程中,鋼絲繩承受著反復地拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷;同時礦井的淋水作用使提升鋼絲繩長期處于高濕和酸堿浸蝕的惡劣環(huán)境中,這導致提升鋼絲繩的腐蝕現(xiàn)象十分嚴重。鋼絲繩在服役過程中承受著外加應力與腐蝕的共同作用,其內(nèi)部鋼絲會產(chǎn)生極其危險的低應力破壞形式,在恒定應力或者慢速率應變狀況下會產(chǎn)生應力腐蝕開裂;而在循環(huán)交變拉應力與腐蝕的

2、共同作用下,鋼絲又極易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。針對這些存在問題,本文主要對礦用鋼絲在特定礦井腐蝕環(huán)境中的電化學腐蝕行為、應力腐蝕行為及腐蝕疲勞行為進行研究,同時對鋼絲腐蝕與應力之間的交互作用對鋼絲壽命影響進行系統(tǒng)研究,開展的研究內(nèi)容及獲得的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過對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行分析,獲得了鋼絲在不同條件下的陰、陽極反應過程,發(fā)現(xiàn)鋼絲腐蝕過程中表面有腐蝕產(chǎn)物膜生成,膜對鋼絲基體的保護作用與溶液

3、的腐蝕性及浸泡時間有關。使用Tafel直線外推法對極化曲線進行分析,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間有關。對鋼絲在不同條件下的電化學阻抗譜(EIS)進行了測量,并通過Zsimpwin軟件對 Nyquist圖進行擬合獲得了鋼絲在不同條件下的等效電路,對了解鋼絲電化學腐蝕過程提供了理論依據(jù)。
　　(2)采用光滑無缺口鋼絲進行慢應變拉伸試驗(S

4、SRT),探討不同外加電位、不同腐蝕溶液對鋼絲應力腐蝕開裂(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,鋼絲的抗拉強度最低,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極電位的增大,由陽極溶解作用導致的 SCC傾向降低,在開路電位下鋼絲產(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極電位的增大,由陽極溶解作用導致的 SCC傾向增大;在外加陰極電位時,三種溶液中鋼絲 SCC機制均完全受氫脆機制影響,隨外加陰極電位的負移,析氫反應劇烈導致氫含量明顯增大,SCC敏感性增強。
　　研制了一種鋼絲恒應力腐蝕試驗機,通過鋼絲在不同溶液中、不同外加恒定應力下的應力腐蝕試驗,獲得了腐蝕電位與Nyquist圖隨時間的變化曲線,結(jié)果表明,外加應力會造成鋼絲腐蝕電位的降低,這一

6、規(guī)律受溶液腐蝕強弱影響,同時外加應力對鋼絲的Nyquist圖影響劇烈,其中試驗1 h后,酸性溶液中在外加1125 MPa時低頻容抗弧半徑最大。
　　(3)開展了鋼絲的腐蝕疲勞試驗,對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,應力與腐蝕對腐蝕疲勞壽命的降低有相互促進的作用。通過不同應力比、不同頻率下鋼絲的腐蝕疲勞試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),應力比越小、頻率越高時,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,而應力比越大,頻率越小時,鋼絲腐蝕疲勞壽命越大,裂紋萌生主要受陽極溶解機制控制。通過對不同外加電位下鋼絲的腐蝕疲勞行為研究發(fā)現(xiàn),陽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)面積隨著外加陽極電位的增大而增加;外加陰極極化電位時,陰極反應生成的氫無法進入鋼絲基體,腐蝕疲勞壽命由于對陽極溶解反應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制。

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