学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

碳钢和耐候钢在若干典型环境下的腐蚀行为研究

作　者: 夏妍
导　师: 张鉴清；曹发和
学　校: 浙江大学
专　业: 物理化学
关键词: 碳钢 耐候钢 薄液膜 扫描电化学显微镜 电化学阻抗谱 极化曲线 锈层
分类号: TG142.1
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
下　载: 5次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


钢铁材料由于其优良的性能而被应用于几乎所有的工业领域,成为最重要的结构材料。碳钢是钢铁材料的基础之一,它不仅广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和各种机械制造工业,而且在近代的石油化学工业、海洋开发等方面,也得到大量使用。然而,碳钢在强腐蚀介质、大气、海水、土壤中都不耐腐蚀,绝大多数酸、碱、盐的水溶液对碳钢均有很强的腐蚀性。钢铁的腐蚀造成的经济危害和社会危害巨大,且对钢铁材料的防护费用非常高昂。幸运的是,在碳钢中添加少量合金元素,可以得到价格低廉、耐蚀性能较好的耐候钢。目前,耐候钢的耐大气腐蚀性能已达到普通钢材的2-8倍,被广泛应用于建筑及交通运输领域。作为重要的工业材料,碳钢和耐候钢的腐蚀行为和防护的研究日益受到重视。本论文以碳钢和耐候钢为研究对象,采用微区电化学手段和多种宏观电化学手段,结合物理表征,对薄液膜下的耐候钢、锈层覆盖的钢以及人工钝化膜覆盖碳钢的腐蚀行为进行了详细的研究。本论文的主要研究工作内容和成果包括：采用电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS),阴极极化曲线,电化学噪声(Electrochemical Noise, EN)等电化学手段,结合扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS), X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman Spectrum)等考察了不同相对湿度(Relative Humidity, RH)和液膜厚度薄液膜下耐候钢的腐蚀行为。结果表明腐蚀初期液膜厚度为100μm时的腐蚀速率最大,其次是200μm和50μm,400μm液膜下腐蚀速率次之,本体溶液中最小。在100和50gm之间有一个电流密度极大值对应的液膜厚度。50gm液膜厚度下受阳极控制,其余液膜厚度下均受氧的扩散控制。腐蚀中后期,由于液膜厚度的减薄和锈层的生成,腐蚀行为变得复杂：对于50和100gm薄液膜,由于腐蚀初期的快速反应,腐蚀产物在电极表面堆积,腐蚀中后期受阳极控制,腐蚀速率下降；对于200μm薄液膜,在75%和85%RH下的腐蚀行为类似于50和100μm薄液膜,腐蚀中后期,腐蚀速率下降,在97%RH下,腐蚀速率持续上升,但因锈层致密度提高,上升幅度减小；对于400μm薄液膜和本体溶液中,氧的供应不足,锈层疏松多孔,腐蚀速率持续上升,腐蚀后期,液膜减薄到一定程度,氧的供应虽逐渐增多,但锈层逐渐加厚,腐蚀速率上升幅度减小。液膜厚度小于400gm时75%RH下锈层疏松多孔,85%和97%RH下相对较为致密,相对湿度和腐蚀试验时间对锈层的致密性有重要影响。应用微区电化学技术扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemistry Microscopy, SECM)和宏观电化学技术如EIS,阴极极化曲线,结合SEM/EDS和XRD物理表征,考察并比较了干湿循环条件中锈层下碳钢和耐候钢的腐蚀行为,发现实验初期,两种钢的腐蚀行为相似,形成的锈层降低了Fe阳极溶解速率,从而提高碳钢和耐候钢的耐蚀性能；后期形成的锈层由于其组成和结构特征的变化,两种钢的腐蚀速率均增加；不同的是耐候钢的腐蚀速率较碳钢大,且自身锈层还原也较碳钢强,有利于锈层的形成,从而有利于长期的防护,但耐候钢的锈层在短期内并没有很好的保护性。两种钢的锈层在于湿循环条件下均不够致密,呈疏松多孔状,其组成主要有晶态的γ-FeOOH, Fe3O4和y-Fe2O3等。在实验周期内,锈层处于非稳定状态,相同干湿循环条件下,耐候钢的锈层较碳钢厚,后期较碳钢锈层致密。采用SECM和宏观电化学手段EIS, Mott-Schottky测试,以及XPS、光学显微镜研究了不同电位下生成的碳钢钝化膜的电化学性质及耐蚀性,发现碳钢在硼酸缓冲溶液中生成的钝化膜对成膜电位有依赖性。随着成膜电位的正移,钝化膜表面电化学反应活性降低。宏观电化学分析表明随着成膜电位的正移,电化学反应电阻增大,点缺陷密度降低,膜的导电性降低。在NaCl溶液中,0.7V电位下的钝化膜溶解较均匀,与其多孔结构有关。0.3V电位下生成的钝化膜的腐蚀速率最小,而0.7V电位下的其次,这是由于后者的多孔结构以及在含Cl-溶液中失去了自修复功能导致。-0.1V电位下的钝化膜腐蚀速率最快,在NaCl溶液中迅速溶解,生成了保护性较强的腐蚀产物。利用COMSOL Multiphysics建立数学模型进行数值模拟,进而求得不同电位下生成的钝化膜与电解液界面的速率常数,并与Origin拟合结果进行比较,发现,两种方法拟合出的数值变化规律相同,但数量级有差别,这可能是因为我们的实验条件受限于Origin拟合公式的设定条件。但COMSOL可以更直观建立腐蚀空间模型,有利于获得更准确动力学参数。

全文目录


摘要  9-12
Abstract  12-15
第一章 绪论  15-60
  1.1 引言  15-16
  1.2 钢的大气腐蚀研究  16-24
    1.2.1 大气腐蚀的本质  16
    1.2.2 钢的大气腐蚀影响因素  16-20
      1.2.2.1 大气相对湿度和温度的影响  17-18
      1.2.2.2 Cl~-离子的影响  18-19
      1.2.2.3 SO_2或SO_4~(2-)的影响  19
      1.2.2.4 CO_2和HCO_3~-的影响  19
      1.2.2.5 两种或两种以上因素的共同作用  19-20
    1.2.3 钢的大气腐蚀研究方法进展  20-24
      1.2.3.1 现场暴露实验方法研究进展  20-21
      1.2.3.2 室内加速实验方法研究进展  21
      1.2.3.3 电化学方法研究进展  21-24
  1.3 锈层和钝化膜下钢腐蚀研究进展  24-29
    1.3.1 锈层下钢的腐蚀研究  24-26
    1.3.2 人工钝化膜下钢的腐蚀研究  26-29
  1.4 扫描电化学显微镜(SECM)简介  29-39
    1.4.1 基本原理  29-33
    1.4.2 SECM在金属腐蚀研究中的应用  33-39
      1.4.2.1 钢/铁的腐蚀  33-36
      1.4.2.2 铝的腐蚀  36-37
      1.4.2.3 钛的腐蚀  37
      1.4.2.4 铜的腐蚀  37-38
      1.4.2.5 其它金属的腐蚀  38-39
  1.5 COMSOL介绍及其在腐蚀研究中的应用  39-40
    1.5.1 COMSOL Multiphysics简介  39
    1.5.2 COMSOL Multiphysics在金属腐蚀中的应用  39-40
  1.6 本论文研究的目的及意义  40-42
  参考文献  42-60
第二章 实验部分  60-66
  2.1 实验材料  60-61
    2.1.1 实验所用钢铁材料  60
    2.1.2 实验所用化学试剂  60-61
  2.2 实验装置  61-63
    2.2.1 薄液膜实验装置  61-62
    2.2.2 SECM实验装置及电解池  62-63
  2.3 实验测试  63-64
    2.3.1 宏观电化学测试  63-64
    2.3.2 微区电化学测试  64
  2.4 物理表征  64-65
    2.4.1 表面形貌分析  64-65
    2.4.2 成分分析  65
  参考文献  65-66
第三章 薄液膜下耐候钢的腐蚀——原位电化学行为研究  66-89
  3.1 引言  66-67
  3.2 实验内容和方法  67-68
  3.3 实验结果和讨论  68-84
    3.3.1 阴极极化曲线测试  68-69
    3.3.2 开路电位测试  69-71
    3.3.3 EIS测试  71-74
    3.3.4 电化学噪声测试  74-84
  3.4 结论  84-85
  参考文献  85-89
第四章 薄液膜下耐候钢的腐蚀——离线腐蚀形貌和产物表征  89-105
  4.1 引言  89-90
  4.2 实验内容和方法  90
  4.3 实验结果与讨论  90-101
    4.3.1 腐蚀形貌与成分  90-99
    4.3.2 腐蚀机制  99-101
  4.4 本章小结  101-102
  参考文献  102-105
第五章 锈层下碳钢和耐候钢微区和宏观腐蚀电化学行为研究  105-123
  5.1 引言  105-106
  5.2 实验  106-107
  5.3 结果与讨论  107-119
    5.3.1 SECM微观测试  107-109
    5.3.2 宏观电化学测试  109-113
    5.3.3 物理表征  113-117
    5.3.4 反应机理  117-119
  5.4 本章小结  119-120
  参考文献  120-123
第六章 碳钢在硼酸缓冲溶液中钝化膜的生成及其对腐蚀行为的影响  123-146
  6.1 引言  123-124
  6.2 实验内容和方法  124-125
  6.3 实验结果和讨论  125-139
    6.3.1 膜的生成实验和性质研究  125-135
      6.3.1.1 钝化膜的生成  125-127
      6.3.1.2 XPS 测试  127-128
      6.3.1.3 M-S测试  128-130
      6.3.1.4 SECM测试  130-133
      6.3.1.5 EIS测试  133-135
    6.3.2 钝化膜的失效行为研究  135-139
  6.4 本章小结  139-141
  参考文献  141-146
第七章 基于COMSOL的腐蚀模型和动力学参数计算  146-156
  7.1 引言  146-147
  7.2 模型建立及参数设置  147-151
    7.2.1 理论介绍  147
    7.2.2 几何模型和Mash的建立  147-149
    7.2.3 稀溶液物质传输模型的建立  149-150
    7.2.4 模拟计算活性物质的分布和探针电流  150-151
  7.3 拟合结果分析  151-153
    7.3.1 不同基底速率常数(k_s)下的PAC模拟曲线  151-153
    7.3.2 不同电位下生成的钝化膜表面k_s的拟合  153
  7.4 结论  153-155
  参考文献  155-156
第八章 结论与展望  156-159
  8.1 结论  156-157
  8.2 展望  157-159
附录  159-160
致谢  160

相似论文

  1. CopC、BSA与Cu（Ⅱ）、Cu（Ⅰ）、Cd（Ⅱ）、Ag（Ⅰ）相互作用的电化学研究,O646
  2. 碳钢表面复合涂层的制备及在海水中的防腐性能研究,TG174.4
  3. REAC系统水相介质中碳钢的腐蚀行为研究,TE986
  4. 碳钢表面杂化膜的制备及防腐性能研究,TG174.4
  5. 微生物燃料电池的阻抗特性以及在生物阴极实现硝化的研究,TM911.4
  6. 敞开和闭塞关联液膜下碳钢的电化学腐蚀行为,TG172
  7. HVAF与HVOF铁基非晶涂层的结构与性能研究,TG174.4
  8. 铜/低密度聚乙烯纳米复合材料的骨架演变及辐射调控研究,TB383.1
  9. 激光熔覆直写标志牌粉末研制及熔覆质量预测,TG174.44
  10. 中央空调冷却水系统微生物腐蚀研究,TU831.4
  11. 光合作用过程研究的几种简单方法,Q945.11
  12. 金属及涂装体系在化工大气环境下腐蚀行为研究,TG172.3
  13. 紫铜表面MPTES薄膜的制备及耐腐蚀性能,TB383.2
  14. 扫描电化学显微镜和微滴法研究液/液界面上加速离子转移反应的过程,O643
  15. 过氧化氢定量释放及其与金属蛋白相互作用的SECM-SPR原位研究,R363
  16. 海水全浸下碳钢表面电化学状态分布特征研究,TG172.5
  17. B_4C复合材料的制备及耐海水腐蚀性能的研究,TG174.3
  18. 含Al-Si-Ni的低碳钢耐腐蚀行为,TG142.31
  19. 联合丝束电极技术和电化学阻抗技术研究有机涂层劣化过程,P734
  20. Ni-P/Ni-B镀层制备及性能研究,TG174.4
  21. 超级马氏体不锈钢腐蚀性能的影响因素研究,TG171

中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 钢 > 钢的组织与性能
© 2012 www.xueweilunwen.com