Q235钢和不锈钢海水腐蚀机理研究

论文摘要

本文以天然海洋全浸区海水环境为基础,从材料性能、海洋环境两个角度,综合利用失重法、开路电位（OCP）、交流阻抗（EIS）、金相显微镜、扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）等检测手段,着眼于钢基体与腐蚀产物界面的角度,考虑腐蚀类型和腐蚀诱发、扩散、以及产物的影响探讨了两种组织Q235钢海水腐蚀的动力学和机理；同时结合点蚀电位测量、微生物培养等方法研究了海洋天然生物膜对Q235钢和不锈钢304、316L腐蚀行为的影响和控制,讨论了海水全浸区钢铁腐蚀抑制的现象。首次系统地将腐蚀界面与电化学测试相结合,研究了腐蚀扩散动力学。结果表明,按影响因素不同,腐蚀分为三个阶段,渗碳体与铁素体电偶作用为腐蚀过程最重要的推动力,由于杂散分布的球状渗碳体与铁素体的电偶作用更大,Q235钢正火组织抗腐蚀性能优于退火组织。两者第一阶段的驱动力还有晶界,第三阶段变成了铁锈的电偶作用。退火组织中,腐蚀扩散主要沿晶界进行,尤其是小晶粒和细长晶粒,腐蚀界面小波峰之间的跨度在30-40μm,表面形成20-30μm尺寸的凹坑,腐蚀沿小晶粒晶界扩散更快。正火组织腐蚀除了沿晶界扩散,还沿珠光体扩散,界面形成长约60μm,深15-20μm的小圆弧,与珠光体团尺寸相符,产生更多的局部腐蚀。珠光体腐蚀区域氧含量明显高于其它区域,达到68%,珠光体更易被腐蚀。通过系统观察和分析两种组织铁锈的形成和转化,发现铁锈加速了Q235钢腐蚀,尤其内锈层。完整除锈后表面铁素体增多,基体抗腐蚀性能增加。两种组织Q235钢锈层都是单独形核,退火组织6个小时形成1μm不致密独立球状体,与渗碳体的弥散分布相符,部分球状体10小时长大成10μm聚集体,45天后变成10μm致密的球状体,90天内锈层也是单独形核,裂纹围成40-50μm的单独体,其上有10-20μm的形核核心,由45天锈层中大球状体转变形成。正火组织6小时锈层有两种形貌：形成核心约为0.3μm,放射出约1μm的圆形和核心约0.5μm并呈扇形向外扩展2μm的团絮状,这与珠光体分布有关,45天出现均匀的内锈层,外锈层已完全变成致密的团絮状。全面地将晶界、夹杂物、晶粒形态、渗碳体电偶作用与电化学试验结合,发现初期氧气充足时,晶界和渗碳体为主要的驱动力。Q235钢中硅酸盐夹杂物能引起明显的点蚀,初期15-20μm尺寸的夹杂物能引起50-60μm尺寸的点蚀坑,明显大于氧化铝、钙酸盐夹杂物引起的5μm尺寸点蚀坑,复合夹杂物影响更大。小晶粒和细长晶粒先被腐蚀,1个月后,氧气含量降低,晶界作用减弱,腐蚀的驱动力为夹杂物、渗碳体和铁锈,尤其是夹杂物。腐蚀趋向于大晶粒内扩散。生物膜含有多种细菌（SOB、SRB）。通过比对试验发现Q235钢表面的天然生物膜抑制了Q235钢的好氧腐蚀速率,促进了厌氧腐蚀的产生。浸泡期间,天然海水试样的Rp（极化电阻）1-100天维持在1000-1100Ω·cm2,100天后急剧下降到600Ω·cm2,内锈层硫含量达到9.63%,出现厌氧腐蚀；而灭菌试样的Rp基本保持在600-700Ω·cm2,灭菌环境中Q235钢腐蚀速率明显高于天然海水,是天然海水的1.4倍,说明生物膜是海洋全浸区钢铁腐蚀抑制的一个重要原因。青岛海域天然海水中,316L不锈钢点蚀电位为0.551V；304不锈钢为0.249V,两者差0.3V。浸泡后,316L不锈钢抗腐蚀性能增加,而304不锈钢下降,在阻抗高频区域,第三天,316L不锈钢的Z值大概是304的1.62倍,35天后扩大到4.25倍。304不锈钢氧化铝夹杂物诱发5μm的点蚀。浸泡6个月后,316L不锈钢基体铬、镍、钼／铁比上升,而锰元素消失,这些都提高了它的抗腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海水环境中钢铁的腐蚀规律
• 1.3 钢铁海洋腐蚀的影响因素
• 1.3.1 材料因素影响下钢铁海水腐蚀
• 1.3.2 海洋环境影响下钢铁的腐蚀与微生物腐蚀
• 1.4 钢铁海洋腐蚀的研究技术
• 1.4.1 电化学分析技术
• 1.4.2 表面分析技术（形貌和微观组织研究）
• 1.4.3 现代生物学技术
• 1.5 钢铁海洋腐蚀的防护
• 1.5.1 材料的选择与改性
• 1.5.2 涂料及电化学防护
• 1.5.3 环境因子控制
• 1.6 论文的研究背景和主要研究内容
• 1.6.1 论文的研究背景和意义
• 1.6.2 论文主要的研究内容
• 第二章 试验材料与方法
• 2.1 两种金相组织Q235钢海水腐蚀行为研究
• 2.1.1 实验材料及制备
• 2.1.2 试验介质
• 2.1.3 测试及分析方法
• 2.2 海洋全浸区生物膜影响下碳钢和不锈钢腐蚀研究
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 天然/灭菌试验介质
• 2.2.3 微生物培养及鉴定分析
• 2.2.4 试验测试及分析方法
• 第三章 两种金相组织Q235钢天然海水中腐蚀行为研究
• 3.1 失重法对两种组织Q235钢腐蚀速度测试
• 3.2 两种组织Q235钢电化学阻抗谱测试
• 3.2.1 两种组织Q235钢电化学阻抗对比
• 3.2.2 两种组织Q235钢锈层对腐蚀的影响
• 3.3 两种组织Q235钢不同浸泡时期锈层和腐蚀形貌观察
• 3.4 两种组织Q235钢不同腐蚀时期界面形貌与组织分析
• 3.4.1 两种组织界面金相形貌与组织分析
• 3.4.2 两种组织腐蚀界面扫描电镜形貌
• 3.4.3 两种组织腐蚀界面成分分析
• 3.4.4 腐蚀界面、腐蚀形貌与电化学综合分析
• 3.5 退火状态Q235钢初期腐蚀扩散机理的研究
• 3.5.1 Q235钢倾斜面金相观察结果
• 3.5.2 Q235钢倾斜面点蚀检测结果与分析
• 3.5.3 Q235钢腐蚀平面形貌观察
• 3.5.4 Q235钢浸泡一个月内电化学测试
• 3.5.5 综合讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 海洋全浸区生物膜影响下钢铁腐蚀行为研究
• 4.1 失重法对天然/灭菌海水中Q235钢腐蚀速度测试
• 4.2 天然和灭菌海水中Q235钢开路电位特征与分析
• 4.3 天然和灭菌海水中Q235钢阻抗结果与分析
• 4.3.1 天然海水中Q235钢阻抗
• 4.3.2 灭菌海水中Q235钢阻抗
• 4.3.4 综合讨论
• 4.4 微生物培养结果与分析
• 4.4.1 SOB培养结果及分析
• 4.4.2 其它好氧细菌培养结果及分析
• 4.4.3 SRB培养结果及分析
• 4.5 天然海水浸泡不同时间Q235钢锈层观察与分析
• 4.5.1 Q235钢锈层形貌观察
• 4.5.2 Q235钢锈层成分分析
• 4.6 海洋生物膜形貌观察和316L不锈钢耐蚀性研究
• 4.6.1 316L不锈钢表面生物膜观察
• 4.6.2 316L不锈钢耐蚀性研究
• 4.7 海水中304不锈钢耐腐蚀性及合金元素对不锈钢耐腐蚀性的影响
• 4.7.1 304不锈钢耐海水腐蚀性能研究
• 4.7.2 碳、钼等元素对不锈钢耐腐蚀性的影响
• 4.7.3 讨论与分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情祝表