西南地区典型大气环境下耐候钢的腐蚀行为研究.pdf
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1、高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月Vol.2 No.3June 2 0 2 3西南地区典型大气环境下耐候钢的腐蚀行为研究尹程辉1,2,余强3,梁亮3,陈俊航1,2,胡智浩1,2,李曌亮1,2,肖葵1,2,4,董超芳1,2,李晓刚1,2(1.国家材料腐蚀与防护科学数据中心,北京 100083;2.北京科技大学 新材料技术研究院,北京 100083;3.湖南华菱涟源钢铁有限公司 钢铁研究院,湖南 娄底 417000;4.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁 鞍山 114021)摘要
2、:耐候钢目前在多个领域已得到应用,其在多个地区的腐蚀行为已得到较多的研究,但在西南地区环境下的腐蚀行为研究较少。通过大气环境暴露试验,讨论了Q345qENH耐候钢和Q345qD桥梁钢在成都、雅江、理塘、拉萨大气环境下1年自然暴晒试验后的腐蚀行为,采用了腐蚀动力学、SEM/EDS、XRD等手段检测并分析了Cu、Cr、Ni等合金元素对钢的耐蚀性的影响。结果表明:提高较少合金元素含量可以提高钢的耐蚀性,并促成其生成有利的腐蚀产物保护基体。关键词:大气腐蚀;耐候钢;耐蚀性中图分类号:TG142.13 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.002耐候钢
3、目前在多个领域已得到应用1,其在多个地区的腐蚀行为已得到较多的研究,但在我国西南地区环境下的腐蚀行为研究较少。由于我国西南地区的特殊环境特点,在工程建设中需要考虑保护当地的环境,因此将大量采用耐候钢来满足其特殊环境桥梁的使用要求。目前耐候钢的腐蚀行为研究已被大量报道2-9,但关于耐候钢在中国西南地区腐蚀研究的报道极少,因此积累Q345qENH耐候钢在中国西南地区典型环境中的腐蚀数据对于了解其在该环境下的腐蚀规律具有重要的意义。选取了Q345qENH耐候钢以及对比材料Q345qD桥梁钢,将2种材料投放在成都、雅江、理塘、拉萨4个地区进行大气环境暴露试验,研究其大气腐蚀规律和合金元素对腐蚀的影响。
4、1 试验材料与方法 我国西南地区环境具有高寒、高原气候、强紫外线、极度干燥、大温差等复杂多变的特点,对桥梁钢关键部件的防腐提出了更高的要求10。根据环境特点的不同,中国西南地区的环境可划分为西藏区域和四川区域。西藏区域环境总体特点为:日照时间长、辐射强烈、气温低、温差大、干湿分明、夜间雨量较大、冬季与春季较为干燥、多大风,并且海拔高,气压低11-12。四川区域环境总体特点为:降水量较多,但冬干、春旱、夏涝、秋雨,年内降水量分配不均,70%左右的雨量主要集中分布在每年6月初10月。同时,2016年,四川省内各市的雨水全年 pH值在 5.097.54波动,酸雨 pH值均为4.82,频率可达到11.
5、3%13-15。大气暴露试验地点选择在中国西南地区的4个典型区域,分别为成都、雅江、理塘、拉萨。同时,对4个地区2018年全年气象数据进行整理分析,气温、相对湿度月平均变化见图1,气温的月变化呈现单峰变化,月最高气温集中在 7、8 月,最低气温在 12 月至次年2月。相对湿度的月变化也几乎呈现单峰变化,其中成都地区的相对湿度最大,拉萨地区相对湿度最小;拉萨地区全年平均气温为 7.3、年平均相对湿度为41.5%;理塘地区全年平均气温为5.0、年平均相对湿度为52.0%;雅江地区全年平均气温为11.1、年平均相对湿度为 54.3%;成都地区年平均气温为17.2,年平均相对湿度为80.8%。试验材料
6、为华菱钢铁集团生产的Q345qENH耐候钢以及Q345qD桥梁钢,化学成分见表1。采用线切割的方式,切割为尺寸 100 mm50 mm(35)mm 的试样。试样表面的粗糙度为3.2 m,对试样进行打孔、除油、称重、测量尺寸。文章编号:2097-0846(2023)03000809收稿日期:20230116;修回日期:20230223第一作者:尹程辉(1996),男,硕士研究生。E-mail:第 3 期尹程辉等:西南地区典型大气环境下耐候钢的腐蚀行为研究试验分4个周期,分别为3个月、6个月、9个月、12个月。试验结束后,采用佳能相机对其宏观腐蚀形貌进行拍照分析,采用扫描电镜(SEM)对试样表面的
7、腐蚀产物进行观察,采用X射线衍射仪(XRD)对腐蚀产物进行物相分析,采用Co靶材,扫描角度为1090。腐蚀试样参照GB/T 165452015 金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的去除 标准进行除锈。2 结果与讨论 2.1宏观腐蚀形貌表2为4个地区大气环境下2种钢4个周期试验后的腐蚀宏观形貌,由表中的图样可以看到,成都地区的腐蚀最为严重,其次为雅江,拉萨次之,理塘腐蚀程度最低。成都地区,在暴露试验3个月后,2种钢均产生红褐色的腐蚀产物,Q345qENH耐候钢随着暴露试验时间的增加,锈层逐渐变得均匀,颜色逐渐变深,暴露试验9个月之后,早期所形成的河流状腐蚀产物逐步转变为致密的均匀腐蚀产物层。Q
8、345qD桥梁钢尽管腐蚀产物的颜色逐步变深,但表面起伏较大,可以观察到有较多的沟壑,其表面腐蚀产物并不均匀,在试样的下方位置腐蚀更为严重,腐蚀产物十分疏松,颜色相较于Q345qENH耐候钢偏红。雅江地区Q345qENH耐候钢 的 腐 蚀 程 度 明 显 弱 于 Q345qD 桥 梁 钢,其 中Q345qENH耐候钢在自然暴露试验后腐蚀产物仅散点状分布于样品表面,随着试验时间的延长腐蚀程度逐渐加重,但并没有形成能够覆盖基体表面的腐蚀产物层;Q345qD桥梁钢则在3个月时便被基体生成的腐蚀产物所覆盖,并且随着试验时间的延长这种现象不断加重。理塘地区Q345qENH耐候钢的腐蚀程度也明显弱于Q345
9、qD桥梁钢,其中Q345qENH耐候钢在自然暴露3个月后腐蚀产物较少甚至可以看出金属光泽,随着试验时间的延长腐蚀程度逐渐加重,试验进行9个月、12个月后试样表面仍旧没有被腐蚀产物所覆盖,仅出现散点状的腐蚀产物,Q345qD桥梁钢在3个月时基 体 生 成 的 腐 蚀 产 物 虽 然 也 较 少,但 相 较 于Q345qENH明显增多,并且随着试验时间的延长这种现象不断加重。试验进行9个月、12个月时Q345qD桥梁钢表面产生的腐蚀产物几乎覆盖了基体,但其生成的腐蚀产物十分不均匀,试样中心以及靠下位置明显123456789 10 11 12-505101520 温度 相对湿度月份(a)成都(c)理
10、塘(d)拉萨(b)雅江温度/1020304050607080相对湿度/%123456789 10 11 12-505101520 温度 相对湿度月份温度/1020304050607080相对湿度/%123456789 10 11 1205101520 温度 相对湿度月份温度/102030405060708090相对湿度/%123456789 10 11 12051015202530 温度 相对湿度月份温度/102030405060708090100相对湿度/%图12018年4个地区气温以及相对湿度变化图表1研究材料的化学成分(质量分数)单位:%试验材料Q345qENHQ345qDAl2.465
11、 03.181 9Cr34.217 32.708 8Cu25.519 02.549 4Mg0.063 30.076 9Mn107.589 9112.568 0Ni22.108 31.158 9P1.378 71.446 8Si5.860 96.128 9S0.160.60Fe余量余量9高速铁路新材料第 2 卷比上方位置严重,腐蚀产物较为疏松,可以看到集中发生腐蚀的区域所产生的腐蚀产物存在较多空隙。拉萨地区 2种钢的腐蚀产物均为红褐色,Q345qENH 耐候钢 的 腐 蚀 程 度 明 显 弱 于 Q345qD 桥 梁 钢,其 中Q345qENH耐候钢在自然暴露3个月后腐蚀产物仅散点状分布于样品表
12、面,随着试验时间的延长腐蚀程度逐渐加重,试验进行9 个月后试样表面仍旧没有被腐蚀产物所覆盖,Q345qD 桥梁钢则在 3 个月时便被基体生成的腐蚀产物所覆盖,并且随着试验时间的延长这种现象不断加重,从表 2 中的图样可以看出,Q345qD桥梁钢表面所产生的腐蚀产物并不均匀,十分疏松,颜色偏红;Q345qENH耐候钢腐蚀产物较少但可以发现腐蚀发生较为均匀,产物较为细腻,颜色偏深。2.2腐蚀动力学分析图2和图3分别为Q345qENH耐候钢和Q345qD桥梁钢在4个地区大气环境暴露试验不同时间后的腐蚀失重曲线以及腐蚀速率曲线。由图3可以看出,2种钢在成都地区均随着试验时间的延长腐蚀速率不断下降,并且
13、Q345qENH耐候钢的腐蚀速率下降趋势更明显;在其他3个地区中Q345qENH在6个月时腐蚀速率达到峰值随后不断下降,而Q345qD桥梁钢则整体呈上升趋势;2种钢对比来看,Q345qENH耐候钢得益于有利的合金元素Cr、Ni等含量的提高,同一地区下的耐蚀性要明显优于Q345qD桥梁钢。基于方程a=Atn,得到了图2中2种耐候钢的腐蚀动力学拟合曲线。a是单位面积的腐蚀失重,g/m2;t 是试验时间,月;A,n是常数,n值常作为腐蚀速率或锈层保护性好坏的参数。R2是幂函数拟合相关系数。由表3、表4可知,2种钢的失重拟合曲线的R2均大于0.96,曲线拟合相关性较好。2种钢的n值在成都地区n1,同时
14、 Q345qENH 耐候钢在拉萨地区 n1,这可能是由于腐蚀因素较弱,2种钢的腐蚀仍旧处于初期阶段所导致的;对比成都地区2种钢的n值,Q345qENH耐候钢的n值更小,这说明其锈层保护性更好。表24个地区大气环境下2种钢的腐蚀宏观形貌地区成都雅江理塘拉萨Q345qENH耐候钢3个月 6个月 9个月 12个月 Q345qD桥梁钢3个月 6个月 9个月 12个月 36912020406080100120140160180200220 成都 雅江 理塘 拉萨 成都拟合曲线 雅江拟合曲线 理塘拟合曲线 拉萨拟合曲线失重/(gm-2)失重/(gm-2)时间/月(a)Q345qENH耐候钢(b)Q345q
15、D桥梁钢时间/月36912020406080100120140160180200220 成都 雅江 理塘 拉萨 成都拟合曲线 雅江拟合曲线 理塘拟合曲线 拉萨拟合曲线图22种钢在4个地区的大气环境暴露试验不同时间后腐蚀失重曲线10第 3 期尹程辉等:西南地区典型大气环境下耐候钢的腐蚀行为研究2.3微观腐蚀形貌2.3.1成都地区从图4(a)可以看出3个月时,成都地区的Q345qENH试样表面覆盖大量的团簇状腐蚀产物,但是其腐蚀产物起伏较大,并不均匀;图4(b)所示6个月暴露试验后,试样表面的腐蚀产物增厚、缝隙和孔洞变少,并且出现了双锈层结构;图4(c)和图4(d)所示9个月至12个月,腐蚀产物逐
16、渐致密,锈层的缝隙和裂纹逐渐减少,其保护性得到显著提升。从图5(a)可以看出3个月时,Q345qD桥梁钢试样表面覆盖大量腐蚀产物,并出现很多的空隙和较大尺寸的裂纹;图5(b)所示6个月暴露试验后,腐蚀产物进一步增多,出现了双锈层结构,表面腐蚀产物不均匀;图5(c)所示9个月暴露试验后,锈层表面的裂纹和空隙依旧存在;图5(d)所示暴露试验12个月时,虽然腐蚀产物进一步增多,但是其致密性和均匀性并未得到改善。表5、表6分别为Q3459ENH耐候钢、Q3459D桥梁钢在成都大气环境暴露试验不同时间腐蚀产物的EDS分析结果。36912051015202530时间/月时间/月 成都 雅江 理塘 拉萨36
17、912051015202530 成都 雅江 理塘 拉萨失重速率/(gm-2)h-1(a)Q345qENH耐候钢(b)Q345qD桥梁钢失重速率/(gm-2)h-1图32种钢在4个地区的大气环境暴露试验不同时间后腐蚀失重速率图5Q345qD桥梁钢在成都大气环境暴露试验不同时间腐蚀产物微观形貌图表5Q345qENH耐候钢在成都大气环境暴露试验不同时间腐蚀产物的EDS分析结果时间3个月6个月9个月12个月质量分数/%Fe51.3056.7168.7675.50O23.2725.0119.9820.0C5.944.259.013.10Mn9.011.680.400.50其他元素余量余量余量余量表3Q3
18、45qENH耐候钢在4个地区的大气环境暴露试验后拟合公式中的相关参数地区成都雅江理塘拉萨A20.971 815.198 310.613 880.938 27n0.887 021.262 711.047 080.938 27R20.977 150.985 980.981 540.978 67表4Q345qD桥梁钢在4个地区的大气环境暴露试验后拟合公式中的相关参数地区成都雅江理塘拉萨A20.295 465.298 041.388 283.827 00n0.949 281.299 701.147 831.410 37R20.978 980.986 600.983 800.988 27图4Q345qE
19、NH耐候钢在成都大气环境暴露试验不同时间腐蚀产物微观形貌图11高速铁路新材料第 2 卷2.3.2雅江地区从图6(a)可以看出3个月时,雅江地区的Q345qENH耐候钢试样表面便被大量的团簇状腐蚀产物所包裹,但是其腐蚀产物之间连接并不紧密,不均匀;图6(b)所示6个月时,试样表面的腐蚀产物增多,出现了双锈层结构,但起伏较大;图6(c)所示9个月时,腐蚀产物逐渐致密,锈层的缝隙和裂纹逐渐减少,其保护性得到一定提升;图6(d)所示12个月时,腐蚀产物进一步增多,出现了破碎的现象,说明在这一阶段所形成的锈层保护性较差。从图 7(a)可以看出,雅江地点的 Q345qD桥梁钢试样3个月时,基体被大量腐蚀产
20、物所包裹,但同时出现很多的空隙和较大尺寸的裂纹;图7(b)所示6个月时,腐蚀产物进一步增多,起伏很大,腐蚀产物很不均匀;图7(c)所示9个月时其表面的腐蚀产物状态并未得到改善,裂纹和空隙依旧存在;图7(d)所示12个月时虽然腐蚀产物进一步增多,但是其致密性和均匀性并未得到改善。表7、表8分别为Q345qENH耐候钢、Q345qD桥梁钢在雅江大气环境暴露试验不同时间腐蚀产物的EDS分析结果。2.3.3理塘地区从图8(a)和图8(b)可以看出3个月至6个月时,Q345qENH耐候钢试样表面的腐蚀产物较少,还能观测到基体的存在;图8(c)所示9个月时,随着腐蚀产物的增多,基体被腐蚀产物包裹住,但依旧
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