Cr和Ni对低碳合金钢微观结构和耐蚀性的影响_王丹.pdf
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1、 和 对低碳合金钢微观结构和耐蚀性的影响王 丹,钟庆东(上海工程技术大学高等职业技术学院,上海;上海大学材料科学与工程学院,上海)摘 要 为探究 和 含量对低碳合金钢组织和性能的叠加促进效应,通过、硬度测试、电化学测试、浸泡试验及 测试等方法研究了 和 含量对低碳合金钢微观结构及其在模拟海水(溶液)中耐蚀性的影响。结果表明:同时增加 和 含量能显著促进钢中形成更多尺寸细小的碳化物,进而促进晶粒尺寸减小、马氏体组织细化及增加硬度;同时增加钢中 和 的含量对钢在模拟海水环境中热力学稳定性、动力学稳定性、抵抗腐蚀损伤能力的提升均大于单独增加 或 含量的情况;增加钢中 的含量能提高、在腐蚀产物中的占比
2、,增加钢中 的含量能提高腐蚀产物中、的占比,且同时增加钢中的 和 含量对提高、等占比的促进效果高于单独增加 或 含量的情况;、越多,腐蚀产物致密性越高,对基体的保护性越好,钢的耐蚀性越高。同时增加钢中的 和 含量对低碳合金钢微观结构和耐蚀性存在叠加促进效应。关键词;低碳合金钢;微观结构;耐蚀性;叠加促进效应中图分类号 文献标识码 :文章编号(),(,;,):,(),:;收稿日期 基金项目 上海工程技术大学高职学院科研基金重点项目()资助 通信作者 王 丹(),硕士,讲师,主要研究方向为金属材料腐蚀与防护,电话:,:前 言合金化是优化钢材料的微结构和耐蚀性的重要手段之一。和 合金化提高钢的耐蚀性
3、是钢材料领域的研究热点之一。等研究发现在模拟混凝土环境中试验钢添加(质量分数,下同)时,试验钢表面形成具有 型半导体性质的氧化膜,能在氧化膜中富集,从而显著降低试验钢的腐蚀速率。程多云等指出添加 元素能使高镍钢表面的锈层更致密,降低其在海洋大气环境中的腐蚀速率,对 的抵抗作用更强。周学俊等发现镍铜质量比与硅含量对试验钢的耐腐蚀性存在一定的交互作用,硅的质量分 数为,镍铜质量比为 时,试验钢的耐蚀性最好。等研究证明添加 元素能使钢表面形成富含 氧化物 氢氧化物的钝化膜,且 改性钢的外表面主要存在。等研究发现铬钢在高压饱和 盐水中的耐蚀性在腐蚀初期和 腐蚀测试后表现出差异性,腐蚀初期材料的耐蚀性随
4、着 含量的增加而增加,当 的腐蚀试验结束后,钢与含铬钢表面腐蚀层成分的差异反而导致含铬钢的腐蚀速率和腐蚀程度比 的更高。等研究发现 元素能促进 的转变,而掺入 的(,)和 形成的直径为 左右的球形颗粒能提高锈层的致密性,同时 能促进 的富集,在内部锈层中形成。等指出同时添加、的低碳合金钢在 环境中经过 次干湿循环后能形成双锈层,其中 分布在内锈层,均匀地分布在整个锈层中,锈层中不含。由以上文献的研究结论推断,同时添加 和 对提高钢的耐蚀性很可能存在叠加效应。本课题组在前期研究,中发现,当向钢中单独添加 或 时均能优化钢的微观结构并提升钢在 环境中的耐蚀性;本工作通过观察金相组织、物相分析、硬度
5、测试、电化学测试、浸泡试验、分析等多种方法研究了 种 和 含量不同的低碳合金钢的微观结构及其在 环境中的耐蚀性,探索了同时添加 和 对低碳合金钢的微观结构和耐蚀性的影响。试 验 试验材料针对 元素和 元素的含量,在本课题组前期的单因素研究,的基础上,进行 因素 水平正交试验,设计出 种钢成分。试验所使用的 种不同成分的钢由真空电弧熔炼炉炼制,钢锭直径 ,各试样经 型直读光谱测定的化学成分如表 所示。通过线切割工艺截取铸态钢锭截面中心区域钢制成试样,试样尺寸为 。表 试样的化学成分(质量分数)()试样 余量 余量 余量 余量 形貌、物相结构和显微硬度测试通过 型光学显微镜观察 种钢的金相形貌,通
6、过 型扫描电子显微镜观察 种钢的微观结构和微观腐蚀形貌。使用 号水磨砂纸对试样进行打磨后使用粒度为 的抛光剂对试样进行机械抛光,最后使用体积分数为 的硝酸酒精溶液腐蚀试样后待用。试样的物相结构由 型 射线衍射仪()检测,测试选用 靶,扫描范围 ,扫描速率为(),并利用谢乐公式式()计算不同钢中的典型碳化物的尺寸:()()式中:表示碳化物的尺寸;为常数,本工作中取;为 射线波长,本工作中取 ;表示衍射峰半高宽度;表示衍射角。采用 型维氏硬度计测试试样的显微硬度。电化学测试将尺寸为 的试样通过导电胶与铜线黏合,通过环氧树脂封装后用 砂纸(号)研磨试样尺寸为 的测试表面,然后用酒精清洗并用凉风吹干试
7、样。电化学测试采用传统的三电极系统,以铂电极为对电极,饱和甘汞电极()为参比电极,暴露面积为 的试样为工作电极。极化测试的扫描速率为 ,电位的扫描范围为()。电化学阻抗谱分析()的频率范围为(),振幅为 ,用 软件对 结果进行拟合。本工作中采用(质量分数,下同)模拟海水溶液作为测试溶液,温度为室温,本工作中使用的所有溶液均由去离子水和分析纯试剂制备。浸泡试验为了观察 种钢的宏观腐蚀行为,将尺寸为 的试样在 溶液中开展为期 的浸泡试验。浸泡前,将试样通过 号的水磨砂纸依次打磨后待测。腐蚀过程中间隔 拍摄试样的宏观形貌,后通过扫描电子显微镜()观察各试样的腐蚀产物的微观形貌,以及经流水冲洗并用毛刷
8、清理腐蚀产物后试样表面的微观腐蚀形貌。为了明确 种钢的 溶液界面发生的电化学反应随时间的变化,测试 种钢在 溶液中浸泡 后的极化曲线。腐蚀产物分析通过 型 射线光电子能谱()和 型 射线衍射仪()分析各试验钢在 溶液中浸泡 后的腐蚀产物。射线光电子能谱激发源是 的单色,在 的真空度,通过能量为 的条件下完成测试,测试结果用 的 峰校准光谱,由 背景相减后,用 软件进行分峰。测试选用 靶,扫描范围为,扫描速率为()。结果与讨论 内部形貌和结构分析试样 的金相形貌和微观 形貌如图、所示。图、中的“”代表马氏体。图,显示了各试样的金相形貌,对比图、发现,当 含量相同时,含量越高试样的晶粒尺寸越细小;
9、对比图、发现,当 含量相同时,含量越高试样的晶粒尺寸亦越小;对比图、发现,和 含量同时增加,试样的晶粒尺寸的减小最显著。由划线法计算各试样的晶粒尺寸,可得 的晶粒尺寸为 ,为 ,为 ,为。图,及 显示了各试样的微观 形貌,对比可知,种试样的组织均为马氏体组织,图、中马氏体板条均匀致密、碳化物在板条间弥散分布;图、中马氏体板条粗大,近似块状、碳化物分布不均。这是因为钢中的 和 含量越多,晶粒和组织长大时的阻碍作用越明显,其中 含量越多形成的图 试样 的金相形貌和微观 形貌 图 试样 的金相形貌和微观 形貌 碳化物越多,阻碍晶粒长大的效果越显著,而 元素是非碳化形成元素,通过促进 元素和 的溶解来
10、改善晶内马氏体组织。综上可知,当含 和 最高时,试样的晶粒尺寸最小,马氏体组织最细小,次之,第三,最差。以上结果说明,和 含量均增加时,改善试样晶粒尺寸和组织的效果高于单独增加 或。物相分析图 为试样的 谱。将图 中的衍射峰与 固溶体、元素和 元素的标准卡进行对比可知,试样中()、()、()和()晶面为体心立方()的 固溶体,各试样中的碳化物主要是 和,且当试样中 含量增加、含量增加及 和 含量同时增加时,各相衍射峰的强度均增强,表明各物相的相对含量增加。钢中碳化物 的相对含量增多、尺寸减小,更有利于晶粒和组织的细化,根据式()计算得到 种试样中 的尺寸如下:为 ,为 ,为 ,为,和 含量均增
11、加时,试样中 的尺寸低于单独增加 或 的试样。可见,试样中 含量的增加为 的形成提供了更多原材料,而 含量的增加促进了 的形成,当试样中 和 含量均增加时,碳化物 的尺寸显著降低、相对含量显著增加。图 试样的 谱 种试样的硬度如表 所示。由表 可知,种试样的硬度排序为,结合表 和图、分析可知,含量或 含量单独增加时,试样的晶粒尺寸减小,马氏体组织细化,使试样的硬度增加;当 含量和 含量同时增加时,试样的硬度最高。综合分析可知,和 含量均增加时,试样中各物相的相对含量、硬度均高于单独增加 或 的试样。表 种试样的硬度 试样硬度 电化学性能 种钢在 溶液中的开路电位和浸泡 后的极化曲线如图 所示。
12、由图 可知,和 含量最高的 试样的开路电位值最大,对比可知,增加 或增加 均能提高试样的开路电位,且在 含量较低时增加,试样的开路电位降低,说明试样的开路电位受 和 的共同影响。由图 可知,的自腐蚀电位最大,自腐蚀电流密度最小。自腐蚀电位是反映材料腐蚀趋势的热力学参数,自腐蚀电流密度是反映材料腐蚀反应快慢的动力学参数。通过 组平行测试取平均值后得到试样的极化曲线拟合参数如表 所示。表 显示各试样的极化电阻()排序为,对应的自腐蚀电流密度排序为,具有最大的极化电阻和最低的腐蚀速率,说明 和 对提高试验钢的电化学腐蚀热力学稳定性和腐蚀动力学稳定性有叠加促进的作用。图 种钢在 溶液中的开路电位和浸泡
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