H62黄铜管在模拟海洋环境中的多物理场耦合腐蚀机制：静态载荷条件下应力与Cl⁻的协同效应

时间：2026年1月25日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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应力腐蚀协同机制研究：通过梯度静态拉伸应力（0%-110%σ_ys）和电化学表征、SEM及COMSOL多物理场耦合模型，揭示H62黄铜在3.5wt% NaCl溶液中腐蚀机制随应力变化规律，弹性应力促进保护膜形成，高应力加速局部腐蚀，确定75%和110%σ_ys为微裂纹萌生和不可逆失效临界阈值。

李颖松|王一祥|张建凯|白玉轩|赵宏远|张梦龙|袁唐森|史浩|马福斌|张晓英

山东科技大学，前旺岗路579号，青岛，山东266590，中国

摘要

在3.5 wt% NaCl溶液中进行的浸渍实验中，对H62黄铜施加了不同水平的拉伸应力。通过电化学表征、扫描电子显微镜（SEM）观察以及基于COMSOL的多物理场耦合建模，系统研究了应力-腐蚀环境协同作用机制。研究结果表明，应力水平对腐蚀机制有显著的调控作用。具体而言，弹性范围内的应力能够通过电化学钝化过程促进保护性氧化膜的形成，从而降低腐蚀速率。相反，在高应力条件下，机械-电化学协同作用被确定为局部腐蚀的主要加速机制。通过实验确定了临界阈值：当应力达到屈服强度（σ_ys）的75%时，会观察到微裂纹的产生；而当应力达到σ_ys的110%时，会发生不可逆的失效。基于这些发现，建议在模拟的海洋环境中，黄铜部件的应力控制阈值应低于σ_ys的50%，以确保腐蚀防护效果。这一理论框架为海洋工程应用中的应力设计限制、腐蚀预防策略和结构完整性监测提供了基本准则。

引言

由于黄铜具有优异的热导率和抗流体侵蚀性，因此被广泛用于船舶的海洋冷却系统和海上工程基础设施中。在服役过程中，黄铜会承受从0%到屈服强度（σ_ys）110%不等的拉伸载荷，这些载荷主要由静水压力和装配约束引起。研究表明，持续的拉伸应力与海水中的氯离子和溶解氧的协同作用是应力腐蚀开裂（SCC）的主要诱因（Choi等人，2025年；Yang等人，2024年），这种腐蚀机制已被认为是管道系统中的主要失效方式（Wu等人，2022年）。尽管在静态载荷条件下的应力-腐蚀现象已受到材料科学领域的广泛研究，但关于应力梯度与钝化膜稳定性、锌溶解动力学以及裂纹扩展路径之间的机制关系，仍存在关键知识空白。这些未解决的问题继续阻碍着海洋应用中腐蚀预防方法的进步。

黄铜作为一种对应力敏感的材料，在静态拉伸载荷下的腐蚀响应具有明显的应力阈值特性。现有研究表明，当应力水平低于临界阈值（大约30%-40% σ_ys）时，主要表现为均匀的锌消耗；而超过这些阈值后，局部阳极溶解速率会加速，并且裂纹萌生的概率显著增加（Davalos-Monteiro，2019年；Sieradzki和Newman，1985年）。通过慢应变率拉伸（SSRT）实验，BRADFORD和LEE（2013年）发现锻造黄铜试样在硝酸汞溶液中的应力腐蚀开裂临界阈值为σ_ys的25%，并且裂纹扩展速率与施加的应力大小呈定量关联。然而，目前的的研究主要集中在离散的应力状态或特定的腐蚀环境（例如氨溶液）中，对于广泛应力范围（0%-110% σ_ys

黄铜在拉伸应力下的腐蚀调控主要通过两种机制实现。首先，应力引起的晶格畸变导致位错密度增加，从而降低了锌溶解的活化能，加速了选择性脱锌过程（Liang等人，2024年；Alvarez等人，2005年）。Sharifi和Ranjbar（2022年）对黄铜换热器管泄漏进行了系统的失效分析，最终确定失效机制是由脱锌引起的裂纹扩展。其次，静态拉伸应力会通过两个同时发生的过程逐渐破坏表面钝化的CuO/Cu₂O层的机械完整性：一是氯离子在氧化物基质中形成裂纹网络（Sieradzki等人，1987年；HARWooD，1950年）；二是应力改性的电化学溶解热力学。Shahrabi（1993年）的研究提供了关键验证，表明当应力超过σ_ys的75%时，塑性变形的开始会引发自我放大的应力-腐蚀协同作用，材料降解速率比纯化学侵蚀机制快1-2个数量级。

应力腐蚀裂纹的萌生和扩展机制是静态应力腐蚀研究中的基本研究目标。含氯环境中的黄铜应力腐蚀过程涉及金属电化学反应、机械应力效应和氯离子诱导的表面降解之间的复杂相互作用（Pantazopoulos等人，2011年）。当黄铜表面暴露于氯离子时，会发生电化学相互作用，导致钝化膜被破坏或被微观腐蚀点取代（Liang和HUANG，2015年），尤其是在缺氧区域或受到次级腐蚀剂影响的区域。

Warraky（2004年）系统研究了铜基材料中的氯离子介导的点蚀机制，发现在Cu₂O保护层形成后，随着氯离子浓度的增加，铜的点蚀程度会加剧。亚临界应力条件结合氯离子的侵蚀作用会在表面产生微缺陷，这些微缺陷随后转变为应力集中点，当超过局部应力阈值时，裂纹会沿着α/β相界面和晶界扩展（Sieradzki等人，1987年）。Kuźnicka和Junik（2007年）对铜合金应力腐蚀行为的研究表明，裂纹萌生点与CuO钝化层中的受损区域空间相关。这种现象的机制可归因于局部金属溶解产生的应力集中，有效降低了应力腐蚀裂纹扩展所需的临界拉伸应力。

Zhou等人（2018年）通过对铜合金管在生物膜诱导和应力辅助腐蚀条件下的失效分析，进一步证实了氯离子的关键作用。Shengbo Hu等人（Ou等人，2018年）在90/10 Cu-Ni合金研究中揭示了压力依赖的腐蚀动态，发现压力增强会加速阳极溶解动力学。随后的周期性压力变化促进了腐蚀产物的剥落和宏观裂纹的形成，从而促进了氯离子渗入Cu₂O晶体结构，导致晶格缺陷的增殖。尽管取得了这些进展，但在定量描述跨尺度应力强度-腐蚀产物演变-裂纹扩展关系方面仍存在关键知识空白。此外，铜合金在含氯环境中的各向异性腐蚀响应以及叠加应力梯度下的腐蚀行为尚未完全阐明，这仍然是需要系统研究的关键前沿领域。

本研究使用自开发的应力加载实验系统，对H62黄铜试样施加了0% σ_ys、25% σ_ys、50% σ_ys、75% σ_ys和110% σ_ys的梯度静态拉伸应力。通过在3.5 wt% NaCl溶液中的浸渍实验，系统研究了黄铜在不同应力水平下的腐蚀行为。通过电化学测试、腐蚀产物形态分析（SEM）和表面腐蚀坑分布观察，比较和分析了应力诱导的腐蚀动力学特性和失效机制。此外，基于COMSOL Multiphysics平台建立了一个多物理场耦合模型，用于模拟静态应力载荷下黄铜海水冷却管道的腐蚀失效过程。该模拟进一步揭示了应力与腐蚀环境之间的协同作用机制。本研究的结果有望为确定应力设计阈值、制定腐蚀预防策略以及为海洋工程应用中的黄铜部件建立失效预警技术提供重要的理论基础。

样品制备

H62黄铜的化学成分见表1。样品厚度为0.5毫米，尺寸遵循之前的研究（Wang等人，2025年）。样品依次用600目、1200目和2000目的砂纸抛光。抛光后，样品在无水乙醇溶液中超声清洗三次，每次清洗时间为20分钟。然后，将处理后的试样在室温下空气干燥，并储存起来。

X射线衍射分析

不同暴露时间下观察到的腐蚀速率变化与暴露过程中腐蚀产物层的成分和结构变化有关。为了阐明这些腐蚀速率变化的原因，需要分析H62黄铜在各种暴露时间后形成的腐蚀产物。

结论

本研究使用梯度静态拉伸应力（0%-110% σ_ys）研究了H62黄铜在3.5 wt% NaCl溶液中的应力诱导腐蚀行为，结合了实验分析（电化学测试、SEM和腐蚀坑观察）和基于COMSOL的应力-浓度-电位场耦合模型来阐明应力-环境协同作用机制。主要研究结果如下：

(1)

腐蚀机制受到应力水平的决定性影响。在无应力条件下

作者贡献声明

李颖松：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。王一祥：撰写 – 原稿撰写，方法论，实验研究。张建凯：实验研究，数据管理。白玉轩：实验研究。赵宏远：数据管理。张梦龙：数据管理。袁唐森：实验研究。史浩：监督，资源提供。马福斌：资源提供。张晓英：资源提供。