（钢铁冶金专业论文）b45onbre钢耐大气腐蚀性能的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y r e s e a r c ho i lr e s i s t a n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e l t oa t m o s p h e r i cc o r r o s i o n b ym a ot i a n c h e n g s u p e r v i s o r ：p r o i e s s o rj i a n gm a o f a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 z 1 气 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也小包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的f 卧，f 贞献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：出 思。 学位论文作者签名：五层成 日 期：2 p 口汐尹 学位论文版权使用授权书 本学位论艾作肖和指甘教帅充令了解尔北人学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校囱权保留j f ：向圆家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借l 弼。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网一e 交流，请在下方签名：否则视为同意。) 学位论文作者签记： 签字fl 期： 导师答名： 签字 ：1 期： - 0 j ，l 东北大学硕士学位论文 摘要 詈曼鼍! ! 曼苎i i i_i_ini m 鼍詈詈皇! 詈曼曼! ! 詈皇! ! 曼! ! ! 苎竺曼曼! ! 寰曼皇鼍! 皇詈鼍詈詈毫皇! 皇詈皇皇鼍 b 4 5 0 n b r e 钢耐大气腐蚀性能的研究 摘要 b 4 5 0 n b r e 铡赴l 仃 q 资源特色的稀1 - i i , l 候钢，合会元素种类多是其成分特点。 为进步改善b 4 5 0 n b r e 钏的刷大气腐蚀性能，必须深入研究各个合金元素对 b 4 5 0 n b r e 钢耐大气腐蚀。盹能影响作用机理。 本论文通过周期浸涧腐蚀实验，结合电化学分析和x 射线衍射分析，全面研究了稀 土，n b 、n i 、v 、m n 、c u 和c r 等合余元素对b 4 5 0 n b r e 钢的年蚀率，极化曲线，交 流阻抗及锈层物相组成的影响作用，在本实验条件下，得到如下主要结论： ( 1 ) 微姥的稀+ f ：町以降低b 4 5 0 n b r e 钢的年蚀率，改善耐大气腐蚀性能。本实验条 件下，i j 稀1 ：禽转为0 0 0 4 8 ，0 0 0 7 5 时，b 4 5 0 n b r e 钢的自腐蚀电流密度较小，自 腐蚀电化较高，南频段i l l 竹f 递i i _ ! 1 ；t - t 较人，耐大气腐蚀性能较为良好。 ( 2 ) n b 、n i 、vf ( _ u 均i i j 。以降低b 4 5 0 n b r e 钢的年蚀率，改善耐大气腐蚀性能， 其中n i 和c u 的f 1 ：川效粜世i uj i f 。随1 ，二n i 、v 昂lc u 含量的增加，b 4 5 0 n b r e 钢的自 腐蚀q - ! f l i 密艘逐渐减小，窝蚀i f l f t 逐 车f - , r l r 岛，高频段电荷传递电阻逐渐增大。n b 可 以增大高频段咆衍传递i u f 5 i l ，似列极化曲线的影响规律不明显。 ( 3 ) m n 和c r 面j 在一定程艘j ：提高b 4 5 0 n b r e 钢的年蚀率，对改善b 4 5 0 n b r e 钢的 耐大气腐蚀性能存在不利影响。本实验条件下，随着c r 和m n 含量的增加，b 4 5 0 n b i 也 钢高频段容抗弧的半i 争和电荷传递电阻逐渐减小，另外，m n 可以增大自腐蚀电流密度， 降低自腐蚀l 乜佗，c r 刈极化f f n 线的影响觇律不明显。 ( 4 ) 稀叶二口j 以促进b 4 5 0 n b r f 钏锈层中8 - f e o o h 和f e 3 0 4 向? - f e o o h 转化，从而 改善耐大气腐蚀性能。 ( 5 ) n b ，n i 刷( ul l j 以健进b 4 5 0 n b r e 钢锈层中8 - f e o o h 和f e 3 0 4 向 r - f e o o h 和 q f e o o h 转化从i i i j i y ( 蜉| i l j 人7 ( 瞄1 t t t f l - r j t 二c r 埘b 4 5 0 n b r e 钢的锈层物相组成的影响 规律1 i 明5 曼，1 i 能促进i 秀j 一 - 6 - f e ( ) o t if | if e 3 0 4 向t - f e o o h 或仅f e o o h 转化。 关键词：b 4 5 0 n b r e 钢：大气腐蚀；腐蚀失重：极化曲线：交流阻抗：x 射线衍射 ， 1 j 东北大学硕士学位论丈 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lr e s i s t a n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e l t oa t m o s p h e r i cc o r r o s i o n a b s t r a c t b 4 5 0 n b r es t e e li so fr a r ee a r t hw c a t h e r i n gs l e e lf o rc h i n e s ec h a r a c t e r t h es t e e lc o n t a i ns o m a n yk i n do fa l l o ye l e m e n t s w h i c hi st h ec o m p o n e n tc h a r a c t e ro ft h es t e e l i no r d e rt o i m p r o v et h er e s i s t e n c eo l b 4 5 0 n b r es t e e lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n ，m e c h a n i s mo fa c t i o nt o t h ep r o p e r t yf o re v e r ) e l e m e n ts h o u l db er e s e a r c h e dc o m p l e t e l y b yi a ba c c e l e r a t e dc o r r o s i o ne x p e r i m e n t ，e l e c t r o c h e m i c a la n a l y s i sa n dx r a yd i f f r a c t i o n a n a l y s i s e f f e c tt oc o r r o s i o nr a t e p o l a r i z a t i o nc u r v ea n da ci m p e d a n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e lf o r e v e r yo fa l lt h ee l e m e n t sr e ，n b ，n i v m n ，c u ，c rw a sr e s e a r c h e dc o m p l e t e l y , u n d e rt h e c o n d i t i o no f t h i se x p e r i m e n t m a i nc o n c l u s i o n sw e r eg i v e na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) m i c r o c o n t e n to fr ec a nr e d u c ea n n u a lc o r r o s i o nr a t eo fb 4 5 0 n b r es t e e l i m p r o v et h e r e s i s t e n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n n a t u r a lc o r r o s i o nc u r r e n td e n s i t y o fb 4 5 0 n b r es t e e li s l o w e r n a t u r a lc o r r o s i o np o t e n t i a li s h i g h e r , c h a r g et r a n s f e r r e s i s t e n c ei nh i g hf r e q u e n c yi s l a r g e r a n dt h er e s i s t e n c et oa t m o s p h e r ec o r r o s i o ni sb e t t e r , w h e nr ec o n t e n tc h a n g e df r o m ( ) 0 0 4 8 t o0 0 0 7 5 ( 2 ) a l lo ft h ee l e m e n l so fn b ni v ( uc a nr e d u c ea n n u a lc o r r o s i o nr a t eo fb 4 5 0 n b r es t e e l i m p r o v et h er e s i s t e n c eo t b 4 5 0 n b r es t e e lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n t h ee f f e c t i v e n e s si s o b v i o u sf o rn ia n d ( u w i t hi n c r e a s eo fn i ，vc ui nt h es t e e l n a t u r a lc o r r o s i o nc u r r e n t d e n s i t yo fb 4 5 0 n b r t s t e e lb e c o m el o w e r , n a t u r a lc o r r o s i o np o t e n t i a lb e c o m eh i g h e r , c h a r g et r a n s f e rr e s i s t e n c ei nh i g hf r e q u e n c yb e c o m el a r g e r , 、m t hi n c r e a s eo fn bi nt h e s t e e l ，l i t t l ec h a n g e o fp o l a r i z a t i o nc u r v ec a nb ef o u n d ，b u tc h a r g et r a n s f e rr e s i s t e n c ei nh i g h f r e q u e n c yb e c o m el a r g e r ( 3 ) c ro rm nc a ni n c r e a s ea n n u a ic o r r o s i o nr a t eo fb 4 5 0 n b r es t e e la tac e r t e r ne x t e n t ，t h e y a r eb a df o ri m p r o v i n gt h er e s i s t e n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n 、i t l l i n c r e a s eo fc ro rm n 、c h a r g et r a n s f e rr e s i s t e n c ei nh i g hf r e q u e n c yo fs t e e lb e c o m el o w e r , i na d d i t i o n n a t u r a lc o r r o s i o nc t l r r e n td e n s i t yb e c o m el a r g e ra n dn a t u r a lc o r r o s i o np o t e n t i a l b e c o m el o w e rb e c a u s eo l t h ee xis t e n c eo fm n w i t hi n c r e a s eo fc ri nt h es t e e l 1 i t t l e c h a n g e o f p o l a r i z a t i o nc u r v ec a r lb e 轴t l n d ( 4 ) r ec a nm a k e6 l ? c ( ) ( ) i a n df c ：( ) c h a n g e d 1 3 t oy f e o o hi nr u s t ys c a l e a n di m p r o v et h e r e s i s t e n c eo fb 4 5 ( ) n b r i ! s t e c lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n ( 5 ) n b n ia n dc uc a l lm a k e6 1 ：c o t ) i ia n df e s 0 4c h a n g e di n t o7 - f e o o ha n dg t f e o o hi 1 1 r u s t ys c a l e ，a n di m p r o v et h er e s i s t e n c eo fb 4 5 0 n b r es t e e lt oa t m o s p h e r ec o r r o s i o n l i t t l e e f f e c t i v et op h a s ec o m p o s i t i o no fta s t ys c a l ec a nb ef o u n db e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fc r h 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c rc a l ln o tm a k e8 - 1 7 c ( ) ( ) ha n dl _ 文( c h a n g e di n t o 1 , - f e o o ho r 仅f e o o h k e yw o r d s ：b 4 5 0 n b r es t e e l a t m o s p h e r i cc o r r o s i o n ：w e i g h tl o s sf o rc o r r o s i o n ；p o l a r i z a t i o n c u r v e ：a l t e r n a t i n gc u r r e n t ( ( ：) i m p e d a n c e ：x r a yd i f f r a c t i o n i i i 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 摘要。i a b s tra c t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 耐候钢概述。1 1 2 本课题的研究背景及意义3 1 3 本课题的主要研究内容4 第2 章文献综述5 2 1 耐候钢的而t 人正t 腐蚀杓【_ 1 = 甲分卡j i 5 2 2 向j f | 央钢的锈l ；分f j i 6 2 3 合会元素n | f i i 、i 灾钢- l ，j 作川分析1 1 第3 章实验方法与研究方案1 6 3 1 技术路线1 6 3 2 试样制备1 6 3 3 实验方法17 3 4 研究方案2 4 第4 章b 4 5 0 n b r e 钢腐蚀失重规律的研究2 6 4 1 稀t ：x , tb 4 5 0 n b r i ：俐午蚀；红的影i 咖2 6 4 2n b 、n i 、v 、( u 、( r 和m n 对b 4 5 0 n b r e 钢年蚀率的影响2 7 4 3 本章小结3 2 第5 章b 4 5 0 n b r e 钢电化学腐蚀行为的研究3 3 5 1 稀土对b 4 5 0 n b r e 钢电化学腐蚀行为的影响3 3 i v 5 2n b 、n i 、v 、c u 、c r 和m n 埘b 4 5 0 n b r e 钢电化学腐蚀行为的影响3 6 5 3 本章小结4 7 第6 章b 4 5 0 n b r e 钢锈层的物相分析4 9 6 1 稀 二对b 4 5 0 n b r e 钢锈脎物f i 组【成的影响4 9 6 2n b 、n i 、c u 和c r 对锈层物4 ：l l g t 成的影响5 l 6 3 本章小结5 7， 第7 章结论5 8 参考文献5 9 致谢一6 3 v 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 第1 章绪论 耐候钢义称耐久气腐蚀钢，是指通过添加少量合会元素( 约百分之几) ，价格低廉 ( 相! 刍j = ：刁i 锈铡儿分之。的价格) 。使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合会高强度 钢( 级别4 0 0 m p 以上) 。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳钢的2 - - 8 倍，并且使用 时l 日j 愈长，酬。蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有良好的力学、焊接 等使用性能。 1 1 耐候钢概述 酬- f l 灵钢的研制起源= f ：欧荚。早在1 9 0 0 年，欧美的科学家就发现c u 可以改善钢在大 气中的向j 蚀件能。l f l j 我1 日【，- j6 0 年代起彳丌始大量研制耐候钢。表1 1 所示的内容展示了 耐候钢的发展j 万样| 2 i 。 从2 0l t l 乡r 2 初午今，荚、德、诞、f 1 拜团对耐候钢进行了大量的研究。早在1 9 1 6 年， 美国就已对2 6 0 种俐在不同地带进行了大气曝晒实验1 3 】。美国钢铁公司( u u s ) 于3 0 年代 已大量生产牌号为c o r t e n 的耐候钢，并用于机车车辆、桥梁、房屋等各种钢结构。 该钢采用c u 、p 、c r 、n i 作为耐蚀元素，获得了很好的耐大气腐蚀性能，在美国进行的 1 5 年大气曝晒实验显示，c o r t e n 钢的年蚀率仅为0 0 0 2 5 m m a 。这种耐候钢之后被许 多国家引用。之后国外还出现了各种各样的牌号，但基本上都是在c o r t e n 钢的基础 j 二调整部分元素而得到的。现在美圜使用较多的是c u p c r n i 系、c o r t e n 钢系列和 h i s t e e l 、y o l o y 、a w d y n a l l a y 等：f 1 本的耐候钢有s p a h 、c 、z i r - t e n 、c u p t o n 6 0 、r i n e n t e n 和y a w l e n 6 0 。均槿j 二m n ( u c r n i 系，有时也j j h 入m o 、v 、n b 、t i 等微量合会元素： 德圈牌号有s t 5 2 和h s b 5 5 c ，也为m n c u c r - n i 系钢：法国牌号有a p s i o c 、a p s 2 0 a 、 a p s 2 5 ，它们是以c u 为年，添加m o 、v 元素的钢种；原苏联的耐候钢则是以c u c r - n i 系为主。其中最县有代表性的是美国的c o r t e n 、同本的s p a h ，c 等1 4 j 。 国外耐候钢发展较快，现在有一些耐候性能更好的的新钢种陆续被研制出来。如新 r 铁于19 9 8 年在世界上首次开发出耐盐腐蚀性能非常好的桥梁用耐候钢材( 含n i 3 ， 不含c r ) ，并已上市这种新产品可不经涂层直接用于沿海地区。其初期费用比现有的 经过涂层的钢材低1 3 ，而目基本不需要桥梁维修费用。此外，n k k 公司也丌发出了在 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 含盐分多的海岸地f x - 无涂二：也町使j 1 j 的耐候钢，该产品成分特点是添加了1 5 n i 和 0 3 m o 。现已被公路桥广泛使用。 表1 i 耐候钢的发展历程 t a b l ei 1 d e v e l o p m e n th i s t o r yo fw e a t h e r i n gs t e e l 年份记述 1 9 6 7 1 9 6 8 1 9 6 9 1 9 7 2 1 9 8 0 1 9 8 3 1 9 8 4 1 9 8 8 1 9 9 0 1 9 9 9 美旧歼始了含铜钢的一早期耐候钢的研究和开发 美国u s s t e e l 公司推“jc o r t e n a 犁低合金耐候钢 一 l 小外发i i i j j 恢钢 炎f q ) rc c f i 使川碟耐0 丈钢 r l | 1 圆- f 始试制1 6 m n c u 钢 q ，因试制m0 9 c u p t i 薄钢板 口本建成第庳耐候钢人桥( 涂漆) 中围苘次川丁试验下辆 。z 。? 日本建成第一序襟钢桥( 知多2 号桥) 口本制定j i sg 3 1 1 4 “焊接构造圳耐候性热轧钢材”即s m a 钢材标准化 德围开始使川裸耐攸钢 英f 日开始侵j j 碟耐f j j c 钢 f l 本建成第：人川桥( 最初刚丁桁梁)， y r 】术制定了将s m a o o p 作为涂婕川耐候钢s m a o o w 作为不涂姨川耐候钢的j l s ，j i 准川忠染川桥( il 删铡架) 中嘲制定高耐候性结构钢国家标准 中国初步试制：l ：n h - - 3 5 q 桥川耐候钢 中图建成国i 第一庠裸耐候钢桥 一 中国试制j 下系列塔桅高耐候性结构钢 我国对耐候铡的研究最早始于六十年代，1 9 6 5 年试制出0 9 m n c u p t i 耐候钢，并制 造了我国第一辆i 时候钢铁路货车，但此后 j 于“文革”而发展缓慢。这一时期，我国的 削候钢1 i 要仿制外技术。r 1 从2 0l 址纪8 0 年代列入陶家重点技术攻关项目之后，发展 十分迅速，i ：始仿：州逐渐止；l j 了有l ，1 三特色的道路。经过“六五”和“七五”攻关， 研制出以0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p c r n i 、0 9 c u p v r e 为代表的耐候钢，并已形成了批量生产 一2 o 3 5 9 5 鸲 钙 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 能力。这砦钢以c u 、p 为：芒并加入了稀元素和v 、t i 等元素。现在我国耐候钢有两 大主要系列：c u p r e 系和c u p n i c r 系。c u p r e 系经多年使用后。己显示出性能好， 价格低的特点，因此发展c u p r e 系耐候钢是符合我国国情和资源条件的。 目前我国耐候钢的主要钢种都是以c u ，p 为主并添加v 、t i 、r e 等元素的碳钢。 而国外的耐候钢使用的合金元素则是以p 、c u 、c r 为主，附加n i 、m o 、n b 、z r 、v 、 t i 等元素。如美国的c o r t e n 钢就是c u 、p 为主，附加c r 、n i ，其强度级别将来可能 发展到4 2 0 m p a ，甚至4 7 0 m p a 。因此，我们也应研究具有我国资源特色的耐候钢系列。 1 2 本课题的研究背景及意义 我圈的稀土资源十分丰富，已探明的稀土储存量为3 5 0 0 力t ，约占世界的4 0 。我国 又是钢产量第一的钢铁大国，因此把稀土元素应用于新钢种的丌发中，提高钢质的国际 竞争力，把稀土资源优势转化为钢的品种优势和经济优势，具有十分重要的战略意义。 研究发现，稀土对提高耐候钢的耐大气腐蚀性能有着微妙的作用。稀土对耐大气腐 蚀性能的作用主要由以下几种因素引起： ( 1 ) 稀土净化了钢质，减少了夹杂总量，使夹杂物与会属接触面减少； ( 2 ) 稀土加入耐候钢中使m n s 球化，有助于锈层与基体的钉扎作用： ( 3 ) 稀土提高t c u 在钢中的溶解度，提高了c u 的利用率； ( 4 ) 稀土可使p 宏观偏析及在晶界上的偏聚减少，使p 的分布更均匀； ( 5 ) 稀土可使锈层致密及增强锈层与钢基体的附着力来提高钢的耐大气腐蚀性能。 为适应我圜铁路货车进入国际市场的要求，铁路工厂正在研制新型高耐候铁路货 车，车体中梁仍然采用乙字钢断面，但是要求钢材料为高耐候性。铁路车辆构件长期暴 露在大气中，大气腐蚀是造成这些构件损坏的主要原因之一，丌发耐大气腐蚀性能优良 的新钢种，对于延长铁路车辆的使用寿命、减少维修、节约合金资源等均具有重要意义。 包头钢铁公司从我国的国情出发，同时也是为了适应市场需求，积极研制丌发高强度高 耐候b 4 5 0 n b r e 钢，但新钢种的研制丌发和性能优化需要理论上的支持。 众所周知，合余元素是影响钢的耐大气腐蚀性能的首要因素，弄清楚合会元素在稀 土系耐候钢中的作用舰律，是解决如何使该钢具有最优的i l j 时大气腐蚀性能这个问题的关 键。但是，要想圆满解决这个问题并非易事，需要对b 4 5 0 n b r e 钢的耐大气腐蚀性能作 出全面和系统的研究。本课题的研究工作诈是为了给包钢的b 4 5 0 n b r e 钢的研制丌发以 及性能优化提供理论依据。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 本课题的主要研究内容 ( 1 ) b 4 5 0 n b r e 钏腐蚀失重姚律的研究 通过腐蚀失重实验方法对b 4 5 0 n b r e 钢的耐大气腐蚀性能进行研究和评价，主要考 察各合会元素对b 4 5 0 n b r e 钢的年蚀率的影响规律。 ( 2 ) b 4 5 0 n b r e 钢电化学腐蚀行为的研究 通过电化学实验，对b 4 5 0 n b r e 钢的耐大气腐蚀性能进行评价。主要考察各合金元 素对b 4 5 0 n b r e 钢的极化曲线和交流阻抗图谱的影响规律，探讨各合金元素在腐蚀过程 中的行为。 ( 3 ) b 4 5 0 n b r e 钢锈层的物相研究 利用x 射线衍射分析仪，对b 4 5 0 n b r e 钢的锈层物相组成进行研究。主要考察各 合会元素对b 4 5 0 n b r e 钢的锈层物相组成的影响规律。 4 东北大学硕士学位论丈 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 耐候钢的耐大气腐蚀机理分析 众所周知，耐候钢相对于碳钢来说具有良好的耐大气腐蚀性能，主要原因是经过长 期大气暴晒，在其表面t 形成了稳定致密的保护性锈层，阻碍了腐蚀介质的进入p j ；而 在碳钢表面形成的锈层疏松，且有微裂纹存在，故对基体不能起到保护作用【6 一】。耐候 钢的耐腐蚀性能与其锈层的结构、成分以及电化学行为密切相关。 关于耐候钢锈层的保护机理的几种模型： 1 is u z u k i 等【8 】认为耐候钢锈层比普通碳钢锈层的平均孔洞小，从而使锈层具有保 护性。 2 at a h a m 等【9 】估计了铁二元合会通过氮气吸附方法得到的锈层孑l 洞结构，认为通 过添由h n i g l c r ，使得锈层颗粒更加细小，从而提高保护性能。 3 离子选择性渗透机理： 为了解释耐候钢最终稳定性锈层的保护能力，hm i y u k i 等t l o 】利用合成的铁锈膜层研 究了锈层的离子选择性渗透，他们认为阴离子选择性依下列次序增加： f e 3 0 4 o r f e 2 0 3 a f e o o h y f e o o h 9 5 0 c ； 轧带尺寸：1 2 r a m 1 8 0 r a m ： 轧后：窄冷。 3 3 实验方法 3 3 1 加速腐蚀实验 对耐候钢的耐腐蚀性能最经典的评价方法，是实地大气曝露实验。大气曝露实验的 数据虽然准确可靠，f 目实验周期较长，特别是耐候钢的耐蚀性，有时需要几年才能表现 出来。为了快速及时地对耐候钢腐蚀行为做出评价，需要采用实验室加速腐蚀实验方法。 当日订用于会属材料的加速腐蚀实验方法主要有盐雾实验，腐蚀膏实验( c o r r 实验) 及周期浸润腐蚀史验等。每种方法都有其特点。 - 17 东北大学硕士学位论丈 第3 章实验方法与研究方案 盐雾实验是目方订最广泛采用的种腐蚀实验方法，由于耐候钢在有较高氯离子浓度 的条件f 耐人气腐蚀f t ：f j 匕优张f i 明显，i 大j 此般不采用。 腐蚀膏。史验j ：其f ：泓交榉和s ( ) 2 气氛，引起人们的兴趣可以应用于耐候钢的评 价，但山于这种疗法的实验步骤烦琐，周期太长，闪此也较少采用。 周期浸润腐蚀实验，是模拟予湿交替大气环境的一种实验方法，实验环境比较适合 于耐候钢的锈层形成条件。图3 2 是周期浸涧腐蚀实验设备示意图。 图3 2 周浸实验殴备结构原理不意图 f i g 3 2t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t f o rp e r i o d i ci m p r e g n a t ec o r r o s i o n ( 1 ) 试样加：i 二 为了保证所用试样成分及组织卜的一致性，平行试样均在每块的相同部位截取( 均 香! 每块轧带的中f h j 鄢化取样) 。为了避免机械加i ：对试样形成的热应力，试样加工均采 用线切割，试样的j 寸为6 0 m m 4 0 m m x 4 m m 。 由于腐蚀试样要求的加丁精度比较高，表面加工精度要求在0 7 p m 。实验之前需要 将试样放入丙酮溶液中浸泡，再放入酒精中浸泡，取出烘干。 ( 2 ) 实验条件 参考实际大气曝露的实验数据和原航空部标准及c e b e l c o r 的实验条件，通过实验， 选定了溶液成分，确定了适用于耐候钢快速评价的腐蚀实验方法。具体实验条件如表3 1 所示： - l8 一 东北大学硕士学位论文 第3 章实验方法与研究方案 表3 1 周驯浸润腐蚀实验条f ，l t a b l e3 1t h ec o n d i t i o no fp e r i o d i ci m p r e g n a t ec o r r o s i o ne x p e r i m e n t 试样纪义，辽寸m ：6 0 x 4 0 x 4 表面加i ：精度r a ：0 7 m 浸泡液：0 0 i m o l l n a h s 0 3 + 0 0 0 1 m o l l n a c i 溶液初始p h 值：4 4 4 8 温度：室温 周期：8 h ，其中浸润时间2 h ，干燥时间6 h 腐蚀时f a 】：3 0 周期( 1 0 犬) ( 3 ) 测试方法 失重法足根抓试样n ：腐蚀6 玎后的霞肇变化柬测定腐蚀速度的。为了使各次不同实验 及不同试样的数掘能够棚比较，必须采用单位时| 日j 内单位面积上的质量变化作为表征 单位，即平均腐蚀速度。失蓖法的平均腐蚀速度v ( g m 2 h ) 的计算公式为： 矿= w o _ - 一w , ( 3 - 1 ) 么f 式中彳一试样面积，m 2 ： ，_ 实验周! f 1 。h ； 驴试十f 原始醺最，g ； 肌一腐蚀。实验后f i 带腐蚀产物的试样霞量。g 。 将平均腐蚀速度换算成币f 证时问的一均侵蚀深度b ( m m a ) ，即年蚀率： b = 8 7 6 v p( 3 - 2 ) 式中伊一按深度计算的年蚀率，m m a ； 卜按重量计算的腐蚀速度，g m 2 h ： p 一会属材料的密度，眺m 3 。 ( 4 ) 实验过程 首先采用电了大i f 将于燥后的腐蚀试样称蘑，然后将试样悬挂在腐蚀介质中进行加 速腐蚀。试样n 勺浸入深度4 i 小j i2 c m 。实验结束时，将腐蚀试样取出，迅速清洗后放入 干燥l m q l ，十燥2 4 h 之后采川i nf 天1 t 称零。 随着腐蚀时m 的延 = ，试样表面的锈层经历了从无到有，并逐步生长的过程，这也 表明腐蚀情况在逐步地力l l 剧。图3 3 是用数码相机拍摄的相同试样在不同腐蚀时间下的 19 东北大学硕士学位论文 第3 章实验方法与研究方案 锈层表面形貌和不同试样在相i 司腐蚀时i - 日j 下的锈层表面形貌对比的照片。 在腐蚀丌始的时候，试样表面出现细小均匀的锈斑，随着腐蚀时间的延长，锈斑开 始变得粗大，并出现泡状突起，表明了腐蚀情况的加剧，直到最后腐蚀结束的时候，泡 状突起丌始： 现破裂，根据耐候钢锈层的相关理论，这属于耐候钢外锈层的脱落现象。 ( a ) 2 4 h ( b ) 9 6 h 【c ) 1 6 8 h ( d ) 2 4 0 h 图3 3 试样在不同腐蚀时期的锈层表面形貌 f i g 3 3s t , t r a c et o p o g r a p h yo f r u s t ys c a l eo f t h et e s ts a m p l e d u r i n gd i f f e r e n tc o r r o s i o ns t a g e 为保证腐蚀火晕实验的测试精度，腐蚀试样的清洗过程设计如下：先轻刷试样，以 去除附着不牢固的块状腐蚀产物，然后将试样浸入规定的清洗液中，l o m i n 后再次从溶 液中驳 i 轻刷，雨复几次以去除附着， ：固的腐蚀产物；最后轻刷试样，以去除松动的腐 蚀产物。实验采用的清洗液为5 0 0 m 1 分析纯赫酸+ 5 0 0 m l 去离子水+ 3 5 9 缓蚀剂。 2 0 东北大学硕士学位论文第3 章实验方法与研究方案 3 3 2 电化学实验 ( 1 ) 试样加【 对于电化学试样。在使用砂纸对其四个侧面进行打磨之后，采用丙酮和乙醇进行清 洗，然后利用锡焊将铜丝焊接在一个1 0 m m x1 0 m m 面一i t ，将试样用环氧树脂镶嵌，自 凝2 4 h 后，再进jj 二打睽，许抛光：。纯实验之f j i 再次用丙酮和乙醇对试样进行超声波清洗。 ( 2 ) 实验原删 极化曲线就足表矩椒蚀速度= j 原动力之问关系的电流一电位曲线，包括恒定电位下 的电流一时i 日j 曲线及恒定电流下的电位一时问曲线。对于电化学本质的腐蚀过程，根据 法拉第定律，可用电流柬表示腐蚀速度：而极化电位则是控制腐蚀反应的原动力。利用 t a f e l 外推法对所测极化曲线进行拟合，可以求出试样的自腐蚀电流密度i c o n 和自腐蚀 电位e c o r r ，通过这嵝参数的测量可以判定b 4 5 0 n b r e 钢的耐大气腐蚀性能。 交流阻抗方法足用小幅度订i 弦交流信号扰动电解池，通过观察体系在稳念时对扰动 的跟随情况，来研究电极反f 澎过程，同时测量电极的阻抗，来判定材料耐腐蚀性能的一 种电化学研究方法。，】我们将r 乜极过稃以电阻( r ) 和电容( c ) 网络组成的电化学等效电 路来表示，| 大l 此交流m 抗技术。奂质 ：匙研究r c 电路在交流电作用下的特点和应用。 在本次实验i i 使用1 2 6 0 + l2 8 7 电化学仪( 英罔s o l a r t r o n 公司) 测定b 4 5 0 n b r 钢的极化 曲线和交流阻抗谱，阻抗数葫控制和处理软件分别为z p l o t 和z v i e w ，极化曲线数据控制 和处理软件分别为c o r r w a r e s u c o r r v i e w 。电化学实验的具体条件如表3 2 所示： 表3 2 电化学实验条什 t a b l e3 2t h ec o n d i t i o no f e l e c t r i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t 参比电极：饱利甘汞电极( s c e ) 实验溶液：0 0 i m o l i 。n a h s 0 1 + 0 0 0 1 m o l l n a c i 溶液 实验湍度：宇温 i f 1 i 也微：株钭q ( ：；) 实验装置 电化学实验采用传统的电极系统，由处理好的试样为工作电极，铂片为对电极， 饱和甘汞电极( s c e ) 为参比电极。具体如示意图3 4 所示。图中i 迮为参比电极连接触点， w e 为工作电极连接触点，c e 为对电极连接触点，a 为对电极( 铂片) ，b 为工作电极( 试样) ， c 为鲁令毛细管，d 为盐桥，e 为参比电极。 2 】- ，l - 东北大学硕士学位论文第3 章实验方法与研究方案 l 划3 4i 也化学实验装置示意图 f i g 3 4d e v i c eo fe l e c t r i cc h e m i s 时e x p e r i m e n t 3 3 2 1 极化曲线的作用及分析方法 通过电流时原电池两极问电位差减小，并引起电池工作电流降低的现象，称为原电 池的极化作用。根据i s 0 8 0 4 4 规定，电极电位相对于基准值的变化，称电极的极化。通 过电流时，阳极电位向币方向移动的现象称为阳极极化，阴极电位向负方向移动的现象 称为阴极极化。极化曲线是表示电极电位和电流之i 日j 的关系的曲线，阳极电位和电流关 ； 系的曲线称为阳极极化曲线，i f l 极l u 位和电流之l 日关系的曲线成为阴极极化曲线。 通过对比极化l h l 线r i i 的门腐蚀f 乜位以及相同电位下不同曲线的极化电流就可以获 知一i 闻材料的耐蚀悱。e j 腐蚀电位表钲了材料发生腐蚀的倾向，材料在中性和酸性环境 中易发! l 析氧反应，此时构成的电池反应为： 阳极：凡一2 口一凡2 + 阴极：2 h + + 2 e 哼， 此反应的a g 。= - z f ( 彳：一哆，厶) 以上各式中各符号所代表的物理意义为： z 一传递电荷数； f 一法拉第常数： e ，一阴极1 1 三位； 东北大学硕士学位论文第3 章实验方法与研究方案 e 矿，一田i 极l 乜仉 在标准状念fe ， = 0 ，吲此g u = z 脏胪，此时e 越趋向于负值，a g o 也 h i r 2 就越趋向于负值。此材料发，腐蚀反应的倾向越大。 在很多情况fe ，0 ，f 目对于相同环境下不同材料的耐蚀性，因其阴极反应是 相同的，因此仍然可以通过考察e 来判断不同材料的腐蚀倾向。 在强极化区( 也叫t a f e l 区) ，极化电流和过电位存在t a f e l 关系【4 9 1 ： 7 7 。= a c + b 。l g i 。 ( 3 3 ) ，7 订= a + b 口i g i 口( 3 - 4 ) 式中： a ，= 一2 3 r tl gf 一口i 刀f ( 3 5 ) 6 。= 2 3 r t a i 门f ( 3 6 ) a d = 一2 3 r ti gi c o r r 厦n f ( 3 7 ) b 盯= 2 3 r t 2 ，2 f ( 3 8 ) 以上各式中各符号所代表的物理意义为： 玑，r ，一阴极，阳极过f 也化； f f 。一1 5 j j 极t | 5 h 极极化电流： 6 一九一阴极，阳极t a t e l 斜率； 口卜：一阴，阳极反应传递系数； 尺一理想气体常数： 丁一绝对温度。 利用以上原理，并使用相关软件可以求出以下参数i c o r r 自腐蚀电流密度，e c o r r 垂i 蚀电位，b a ；h 极t a f e l 系： 率，b c 阴极t a f e l 斜率。