含Al-Si-Ni的低碳钢耐腐蚀行为

摘要

耐候钢是指在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢，广泛应用于车辆、桥梁和集装箱等钢结构。大气腐蚀是造成这些钢结构损坏的原因之一。世界上每年约有1/6年产量的钢材因大气腐蚀而损耗。开发耐大气腐蚀性能优良的钢种，对于延长钢材的使用寿命、减少维修、节约合金资源等均具有重要的意义。近年来，通过在钢中添加Al、Si等元素来改善钢材耐候性的研究引起了国内外的广泛关注。
　　 依据耐候钢成分设计原理，采用在工业纯铁中加入Al、Si、Cu、P、Cr或Ni等合金元素，尝试用Al和Si来取代或部分取代昂贵的金属元素Ni，通过冶炼、锻造和轧制，制备了4种含Al-Si和Al-Si-Ni的实验钢。然后对实验钢和Q235对比钢进行浸渍干湿循环加速腐蚀实验测定其年蚀率；应用OM和EPMA观察腐蚀产物的表面形貌和断面元素分布；运用XRD测量腐蚀产物的物相组成；采用电化学方法测定了浸渍干湿循环加速腐蚀24h、72h、120h后试样锈层的极化曲线和交流阻抗值。通过上述研究，揭示Al、Si、Ni、Cu、Cr等合金元素在实验钢锈层中的作用，探讨锈层对基体的保护机理。课题获得的主要结论如下：
　　 (1)A1-Si和Al-Si-Ni实验钢的力学性能均优于Q235。Al-Si实验钢中2＃钢的抗拉强度达到505MPa，屈服强度为373.33MPa，分别是Q235的1.35倍和1.16倍；Al-Si-Ni实验钢中3#钢的屈服强度和抗弯强度分别是Q235的1.18倍和1.48倍。
　　 (2)浸渍干湿循环加速腐蚀实验结果表明：实验初期实验钢与Q235的年腐蚀率都较高，超过一定时间后年蚀率逐渐降低。腐蚀120h后，Al-Si实验钢中2#钢的年蚀率较Al-Si-Ni实验钢中3#钢的年蚀率低0.145mm/a，Q235的年蚀率是2#钢的1.96倍，是3#钢的1.78倍。
　　 (3)由X射线衍射分析结果可知：在加速腐蚀120h后实验钢腐蚀产物均含有FeOOH、γ-FeOOH、α-FeOOH、γ-Fe2O3、Fe3O4等Fe的氧化物。1#钢中以FeOOH和α-FeOOH为主；2#、3#钢主要以Fe3O4和α-FeOOH为主；Q235以Fe3O4和γ-FeOOH为主，γ-Fe2O3含量较高。1#、2#和3#钢的锈层中都含有较多的稳定性好的α-FeOOH,对提高耐蚀性有利。
　　 (4)电子探针微区分析结果表明：实验钢锈层中均有明显的Cu、Cr的富集，呈层状，Si和Al也有富集，但未发现P的富集。在Al-Si-Ni实验钢的锈层中还有少量的Ni富集。这些合金元素的富集，使紧靠着基体的内锈层更致密，具有保护性。Q235钢锈层中没有合金元素的富集。
　　 (5)对测定的极化曲线进行了Tafel拟合得出：在4个时间点实验钢的开路电位都高于Q235，腐蚀电流都小于Q235。在Al-Si实验钢中1#钢的腐蚀电流小于2#钢；Al-Si-Ni系实验钢中，在腐蚀前、腐蚀24h和72h后3#钢的腐蚀电流小于4#钢，腐蚀120h后4#钢的腐蚀电流小于3#钢。对测得的交流阻抗拟合得出：在腐蚀前和腐蚀后实验钢的交流阻抗值都大于Q235，Al-Si实验钢中2#钢的交流阻抗值大于1#钢；在Al-Si-Ni实验钢中腐蚀前和腐蚀24h时3#钢的交流阻抗值大于4#钢，在腐蚀72h后4#钢的交流阻抗值大于3#钢。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 大气腐蚀

1.2 耐候钢的发展历程

1.2.1 国外耐候钢的发展

1.2.2 国内耐候钢的发展

1.3 本课题的背录和意义

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 文献综述

2.1 耐候钢

2.1.1 合金元素对耐候钢大气腐蚀的影响

2.1.2 耐候钢表面保护性锈层

2.2 经济耐候钢

2.3 超级钢

2.4 双相耐候钢

2.5 文献评述

第3章 实验方法

3.1 实验用钢及样品制备

3.1.1 实验用钢

3.1.2 试样制备

3.2 周浸循环腐蚀实验方法及参数设定

3.3 腐蚀试样处理及腐蚀失重测定

3.4 腐蚀产物的物相测定

3.5 腐蚀产物的形貌观察

3.6 锈层横截面的成分分析

3.7 电化学实验测定

3.7.1 极化现象

3.7.2 交流阻抗及等效电路

第4章 实验结果与分析

4.1 Al-Si实验钢实验结果分析

4.1.1 Al-Si实验钢力学性能

4.1.2 Al-Si实验钢的组织

4.1.3 Al-Si实验钢加速腐蚀实验结果

4.1.4 Al-Si实验钢腐蚀产物的物相

4.1.5 Al-Si腐蚀产物的宏观形貌

4.1.6 Al-Si实验钢的电子探针分析

4.1.7 Al-Si实验钢极化曲线的测定

4.1.8 Al-Si实验钢交流阻抗的测量

4.2 Al-Si-Ni实验钢实验结果分析

4.2.1 Al-Si-Ni实验钢的力学性能

4.2.2 Al-Si-Ni实验钢的组织

4.2.3 Al-Si-Ni实验钢的加速腐蚀实验结果

4.2.4 Al-Si-Ni实验钢腐蚀产物的物相

4.2.5 Al-Si-Ni实验钢腐蚀产物的宏观形貌

4.2.6 Al-Si-Ni实验钢电子探针分析

4.2.7 Al-Si-Ni实验钢极化曲线的测定

4.2.8 Al-Si-Ni实验钢腐蚀交流阻抗的测量拟合

4.3 Al-Si和Al-Si-Ni实验钢比较

第5章 结论

参考文献

致谢

作者简介

论文包含图、表、公式及文献