汽车排气系统用超纯铁素体不锈钢的高温疲劳行为和冷凝液腐蚀机理研究

我国强劲增长的汽车工业对汽车排气系统热端和冷端各部件的服役性能均不断提出更高要求，以适应节能减排的时代主题。本课题针对汽车排气系统用超纯铁素体不锈钢，拟引入汽车废气环境，重点研究蠕变和废气氧化作用下的高温疲劳行为及微观织组结构演化特征，提出疲劳-蠕变-氧化条件下不锈钢的循环变形与损伤机制；建立冷端环境的模拟装置，运用电化学测试技术原位研究废气及冷凝液对不锈钢腐蚀过程的循环作用规律，阐明不锈钢在冷端环境中冷凝液腐蚀的电化学机理、穿孔失效机制与模型；研究合金元素对不锈钢在废气影响下的疲劳和腐蚀性能的作用机制，以及探索排气系统用不锈钢的高温疲劳寿命预测方法和冷端腐蚀快速评价方法。本课题研究结果将深化对排气系统不锈钢构件高温疲劳和冷凝液腐蚀问题的科学认识，并为排气系统用超纯铁素体不锈钢的应用与发展提供科学依据和评估方法。

汽车排气系统的主流材料是超纯铁素体不锈钢，针对其不锈钢部件的高温疲劳与冷凝液腐蚀问题，本课题选用409、429、439、441、436L等型号现代超纯铁素体不锈钢，并以我国典型地区实际消声器失效分析数据为基础，主要研究了不锈钢在蠕变与废气氧化作用下的高温疲劳行为与微观织组结构演化特征以及热废气与冷凝液对不锈钢腐蚀过程的循环作用规律，建立了高温废气环境下疲劳试验装置与疲劳寿命预测模型以及冷凝液腐蚀的模拟实验装置与快速评价方法。研究获得了如下重要结果：(1) 铁素体不锈钢在800°C及不同加载条件下的疲劳行为，引入蠕变和废气环境会明显降低疲劳寿命。(2) 铁素体不锈钢在800°C下的疲劳变形与损伤机制，纯疲劳、疲劳-蠕变和疲劳-蠕变-废气氧化三种加载方式下疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样表面并以穿晶方式扩展，蠕变条件下会形成蠕变孔洞与亚晶组织而使高温疲劳抗力降低。(3) 主要合金元素对铁素体不锈钢高温强度与疲劳寿命的作用机理，Ti可稳定C、N元素，Nb可通过固溶强化以及第二相强化而提高疲劳抗力，Mo可通过固溶强化而提高高温强度与疲劳抗力，从而延长高温疲劳寿命。 (4)冷凝液、氧化温度、微量二氧化硫对不锈钢氧化行为的作用机制，氧化时形成的弱贫铬区以及瘤状氧化物导致不锈钢易发生点蚀与活化腐蚀。(5)冷凝液温度、氯离子、硫酸根离子、pH值与冷凝液腐蚀间的基本关系，尤其是温度升高会促进阴极反应而使低铬不锈钢进入钝化腐蚀状态、微量氯离子难以直接诱发不锈钢在冷凝液中的点蚀但可显著促进腐蚀坑生长。(6)排气系统中蒸汽环境和尿素加速不锈钢点蚀的电化学机理，以及氧化-浸泡-蒸发循环过程中不锈钢表面的腐蚀演化模型。(7)合金元素Cr、Mo、Nb、Si等对冷凝液腐蚀的电化学作用机理，Cr和Nb能显著增强钝态稳定性而Mo可明显增大腐蚀的电荷转移阻力。(8)接触腐蚀、缝隙腐蚀以及烟尘加速不锈钢冷凝液腐蚀失效的作用机制。(9)中低铬超纯铁素体不锈钢的晶间腐蚀行为及敏化处理制度，Cr含量大于14%时晶间腐蚀敏感性明显降低。(10)微量Sn合金化对超纯铁素体不锈钢耐酸腐蚀性能与耐点蚀性能的增强作用。这些研究结果加深了对排气系统不锈钢构件高温疲劳和冷凝液腐蚀问题的科学认识，并为排气系统用超纯铁素体不锈钢的应用与发展提供了科学依据和评估方法。