工程材料的侵蚀评判.docx

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工程材料的侵蚀评判

工程材料的侵蚀评判

材料由于环境的作用而引发的破坏和变质被称为侵蚀。

从侵蚀的概念能够看出，侵蚀由材料和环境量的因素决定。

随着科学的进展，新材料不断的显现；随着人类活动范围的增大，材料会不断碰到新的工作环境。

新材料和新环境的彼此作用决定着材料永久会显现新的侵蚀问题，侵蚀学科将会不断地进展。

材料的侵蚀给国民经济带来庞大的损失。

据统计，中国每一年由于侵蚀所造成的损失大约占国民生产总值的5%，超过了所有自然灾害所造成损失的总和[1]。

世界各国对侵蚀问题都给予了高度的重视，开展了大量地侵蚀与防护研究工作，在过去的20连年中，侵蚀与防护研究迅猛的进展。

这从每一年出版的与侵蚀防护相关的学术论文数量上就可见一斑，这说明当前国内外的侵蚀与防护研究是日趋活跃的，侵蚀学科也是充满活力的。

1.1材料耐侵蚀性能的评判方式

工程材料在利历时，必然要考虑材料在相应工况环境下的耐蚀能力。

也确实是说，材料在此环境下是不是会发生严峻的侵蚀，从而致使工程结构的失效。

因此，如何评判在工况环境下，材料表面侵蚀的形态、侵蚀的速度就显得超级具有现实的工程意义。

归纳起来，工程材料的耐侵蚀性能的评判方式能够分为三大类：

重量法、表面观观点和电化学测试法。

1.1.1重量法

重量法是材料耐蚀能力的研究中最为大体，同时也是最为有效可信的定量评判方式。

尽管重量法具有无法研究材料侵蚀机理的缺点，可是通过测量材料在侵蚀前后重量的转变，能够较为准确、可信的表征材料的耐蚀性能。

也正因为如此，它一直在侵蚀研究中普遍利用，是许多电化学的、物理的、化学的现代分析评判方式鉴定比较的基础。

重量法分为增重法和失重法两种，他们都是以试样侵蚀前后的重量差来表征侵蚀速度的。

前者是在侵蚀实验后连同全数侵蚀产物一路称重试样，后者那么是清除全数侵蚀产物后称重试样。

当采纳重量法评判工程材料的耐蚀能力时，应当考虑侵蚀产物在侵蚀进程中是不是容易脱落、侵蚀产物的厚度及致密性等因素后，在决定选取哪一种方式对材料的耐蚀性能进行表征。

关于材料的侵蚀产物疏松、容易脱落且易于清除的情形，通常能够考虑采纳失重法。

例如，通过盐雾实验评判不同镁合金的耐蚀性能时，就通常采纳失重法，图4[2]。

图4不同镁合金盐雾试验后失重结果

图5Ni–30Cr–8Al–铸态合金、溅射涂层、渗铝涂层在（a）1000℃高温氧化增重动力学曲线（b）Na2SO4+25%wtNaCl热腐蚀增重动力学曲线

而关于材料的侵蚀产物致密、附着力好且难于清除的情形，例如材料的高温侵蚀，通常能够考虑采纳增重法图5[3]。

而评判镍基690合金表面粗糙度对其侵蚀性能的阻碍时，也能够采纳增重法进行评判[4]，图6。

为了使各次不同实验及不同种类材料的数据能够相互较较，必需采纳电位面积上的重量转变为表示单位，及平均侵蚀速度，如。

依照金属材料的密度又能够把它换算成单位时刻内的平均侵蚀深度，如m/a。

这两类的速度之间的换算公式为：

式中A-按重量计算的侵蚀速度，；

B-按深度计算的侵蚀速度，mm/a；

ρ-金属材料密度，。

从侵蚀实验前后的试样重量转变计算侵蚀速度V（mm/a），公式为：

式中ΔW-试样失重，g；

ρ-金属材料密度，；

A-试样面积，cm2；

t-实验周期，h。

失重法的关键操作之一确实是完全清除侵蚀产物，而又不损伤基体金属。

采纳失重法对材料进行侵蚀性能评判时，由于不同的研究者会采纳不同的试样尺寸、侵蚀介质和实验温度，致使所取得的数据很难具有可比性。

因此，为了解决那个问题，人们标准了一种标准的侵蚀实验方式—盐雾侵蚀实验。

目前，工业界普遍通过盐雾实验并结合失重测试来表征材料的耐侵蚀性能。

依照ASTMB117的要求，试样以15-30度的倾角放置，采纳5%的NaCl溶液进行雾化喷雾，实验温度35℃。

盐雾实验要求盐雾箱内的容积要足够大，不得将盐雾直接喷射到实验的表面。

例如，能够通过对照发生侵蚀的盐雾实验时刻，来评判材料的耐侵蚀性能。

工业上把发生可用肉眼发觉到的侵蚀的时刻概念为材料的盐雾侵蚀寿命。

几种镀锌镀铝涂层在不到72小时的时刻内就发生了可用肉眼发觉到的侵蚀，盐雾侵蚀寿命很低，而纳米复合涂层的盐雾实验侵蚀寿命那么达到了480小时，那个结果说明纳米复合涂层显著地提高了材料的耐侵蚀能力（图7）。

图7几种材料的盐雾腐蚀寿命.

1.1.2表面观观点

1.1.2.1宏观观看

确实是对材料在侵蚀前后及去除侵蚀产物前后的形态做肉眼分析，还应该注意侵蚀产物的形态和散布，和他们的厚度、颜色、致密度和附着性；同时还应该注意侵蚀介质中的转变，包括溶液的颜色，侵蚀产物在溶液中的形态、颜色、类型和数量等。

尽管这种观看是很粗糙的，但任何精细的侵蚀研究都辅以这种方式[5,6]。

1.1.2.2显微观测

确实是对受侵蚀的试样进行金相检查或断口分析，或用扫描电镜、透射电镜、电子探针等做微观组织结构和相成份的分析，据此可研究微细的侵蚀特点和侵蚀动力学。

一些工程材料中，常见侵蚀形态的显微形貌如下图。

对受侵蚀的试样进行显微观看时，需要注意的几点是：

第一，在观看表面形貌时，专门是一些局部侵蚀的形貌时，必然要注意侵蚀截面形貌的观看。

这是因为局部侵蚀可能在材料表面所造成的侵蚀并非很显著，而在材料的内部进展。

不锈钢等材料的点蚀确实是一例[7]，图10。

再比如，在评判材料的晶间侵蚀[8]（图11）和应力侵蚀开裂[9]（图12）时，都需要专门注意截面形貌的观看。

图11AA2024-T3铝合金在不同电位条件下发生晶间腐蚀的截面形貌

图12690合金在预变形作用下发生严重的应力腐蚀开裂的截面形貌

第二，在观看材料的氧化膜截面形貌时，要注意采纳扫描电子显微镜的背散射模式进行观看。

扫描电镜在侵蚀形貌观看时，通常有两种工作模式，一种是二次电子相模式，一种是背散射模式。

二次电子相通过测试二次电子，来取得试样表面的形貌，而背散射模式那么能够通过测试背散射电子，取得试样表面元素散布的情形。

照片中的膜层亮度越高，说明背散射电子强度越高，该处物质的原子序数越大。

通过背散射模式观看侵蚀试样氧化膜界面的形貌，并结合EDS能谱的结果，能够很容易地分辨出氧化膜内各元素的散布，从而判定出氧化膜是单层结构仍是多层结构，图13。

图13高温合金经过900℃高温氧化后的氧化膜截面形貌.

再比如，通过背散射模式观看AZ91D镁合金表面化学转化膜的截面形貌，能够发觉通过载波钝化处置的镁合金锡酸盐化学转化膜呈现双层结构。

内层的亮度较高，说明内层膜层的原子序数较大；而外层较暗，说明外层膜层的原子序数较小。

与之相对照的，通过浸泡处置的镁合金锡酸盐化学转化膜在背散射模式下没有亮度的转变，说明现在化学转化膜大体上由一层膜层组成[10]，图14。

图14AZ91D镁合金锡酸盐化学转化膜截面形貌的观察（a）载波钝化（b）浸泡处理.

第三，当材料表面覆盖着较厚的侵蚀产物时，进行观看侵蚀形貌时必然要注意将掏出侵蚀产物前后的形貌进行综合对照，才能取得准确的结论。

两种材料在未去除侵蚀产物之前形貌相同，去除侵蚀产物后侵蚀形态可能会截然不同。

例如，316L不锈钢在80℃Na2SO4和NaCl混合溶液中侵蚀4小时后的侵蚀形貌同ZE41镁合金在NaCl溶液中侵蚀12小时的形貌大体相同，侵蚀产物都呈现龟裂状。

可是，去除侵蚀产物后发觉，二者的侵蚀形态截然不同：

316L不锈钢80℃Na2SO4和NaCl混合溶液中发生的是均匀侵蚀，而ZE41发生的那么是点蚀[11]，图15，16。

1.1.3电化学测试法

电化学测试方式是一种能够快速、准确地用于研究材料侵蚀的现代研究方式。

由于材料的侵蚀大多数属于电化学侵蚀，因此电化学测试方式在侵蚀中应用的超级普遍。

与重量法和表面观观点相较，电化学测试方式不但能够研究材料的侵蚀速度，还能够深切地研究材料的侵蚀机理。

电化学测试方式通过近50年的进展，按外加信号分类大致能够分为直流测试和交流测试；按体系状态分类能够分为稳态测试和暂态测试。

直流测试包括动电位极化曲线、线性极化法、循环极化法、循环伏安法、恒电流/恒电位法、等等；而交流测试那么包括阻抗测试和电容测试。

关于稳态测试方式，通常包括动电位极化曲线、线性极化法、循环极化法、循环伏安法、电化学阻抗谱；而暂态测试包括恒电流/恒电位法、电流阶跃/电位阶跃法和电化学噪声法。

在诸多的电化学测试方式中，动电位极化曲线法和循环极化法是最大体，也是最经常使用的方式。

从上一节的内容能够得知，依照材料的侵蚀电化学行为，能够将材料分为两大类：

活性溶解材料和钝性材料。

关于不同种类的材料，在评判其耐蚀性能时要采纳不同的标准。

关于活性溶解行为的材料（镁合金、碳钢、低合金钢等）来讲，仅仅采纳侵蚀电位（Ecorr）的高低来评判材料的侵蚀性能是不对的。

这种错误的熟悉来源于仅仅关注了材料侵蚀的热力学趋势，而忽略了材料的侵蚀动力学特点。

在评判活性溶解材料的耐蚀能力时，首要的参数是侵蚀电流（icorr），侵蚀电流越小，材料的耐蚀性能越好，这是因为侵蚀电流是由材料的溶解所造成的。

AZ91E和MEZ两种镁合金的极化曲线如图17所示[12]，从图中能够看出：

尽管MEZ合金的侵蚀电位远远低于AZ91E合金，可是考虑到MEZ合金的侵蚀电流要明显小于AZ91E合金，因此MEZ合金的耐蚀性能应当高于AZ91E合金，这一点从盐雾侵蚀失重和金相观看结果中都取得了证明。

图17AZ91E和MEZ两种镁合金的极化曲线

只要当两种材料的侵蚀电流大体相同时，侵蚀电位才是一个需要考虑的参数，侵蚀电位越高，材料的耐蚀性能越好。

举一个例子能够有助于更好的明白得这句话，图18：

当电位为a时，纯镁处在侵蚀电位，纯镁发生侵蚀；而AZ91D镁合金那么处在阴极状态，没有发生侵蚀。

当电位为b时，纯镁处在阳极电位而发生严峻的侵蚀；与之对照，AZ91D镁合金那么还处在阴极状态，没有发生侵蚀。

当电位为c时，纯镁和AZ91D镁合金都处在阳极电位下，可是AZ91D镁合金的阳极电流那么明显小于纯镁，现在AZ91D的侵蚀速度低于纯镁。

从上述的三种典型的情形来看，AZ91D合金在各个电位下其溶解电流都小于纯镁，因此能够判定AZ91D合金的耐蚀能力优于纯镁。

综合上面的论述，能够对活性溶解材料耐蚀性能的评判标准做一下总结：

●第一要看侵蚀电流的大小，侵蚀电流越小，材料的耐蚀性能越好；

●当材料的侵蚀电流相差不大时，侵蚀电位越高，材料的耐蚀性能越好。

关于钝性材料（铝合金、钛合金、不锈钢、镍合金、锆合金）来讲，在评判此类材料的耐蚀性能时，应当评判材料钝化区的性能，而不是去比较材料的侵蚀电流和侵蚀电位。

这是因为由于材料能够钝化，因此在工程应用进程中，人们都会将这些材料做钝化处置后才利用。

通过动电位极化曲线能够取得两个表征材料侵蚀性能的参数：

击破电位Eb和维钝电流ipass。

击破电位越高材料的耐蚀性能越好；维钝电流越低材料的耐蚀性能越好。

例如，在0.1MH3BO3+0.025MNa2B4O7溶液中（图19），纳米孪晶镍与铸态纯镍相较，击破电位升高，维钝电流减小，通过纳米孪晶后，镍的耐蚀能力取得了明显的提高[13]。

再比如，通过载波钝化处置以后，A890双相不锈钢的击破电位转变不大，可是维钝电流却显著下降，这说明载波后的双相不锈钢耐蚀能力明显增强[14]，图20。

图20A890双相不锈钢经过载波钝化处理后的极化曲线

在评判工程材料的耐蚀能力时，有如此一种超级困扰的现象是常常碰到的，如图21所示。

1Cr17Ni2不锈钢的击破电位低于1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，可是1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢的维钝电流却高于1Cr17Ni2不锈钢。

依照上面介绍的评判标准，很难判定那种材料的耐蚀性能更好。

图211Cr17Ni2不锈钢和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢的极化曲线

因此，需要引入评判钝性材料耐蚀性能的第三个标准，爱惜电位Ep。

爱惜电位通过测试循环极化曲线取得，用于表征材料在发生点蚀以后的自钝化、自修补能力。

依照ASTM循环极化曲线的测试标准，扫描电位从相对开路电位（OCP）-300mV开始，至电流密度达到时，开始负方向电位扫描，直至电位达到相对开路电位（OCP）-300mV时终止，扫描速度1mV/s。

负方向扫描曲线与阳极极化曲线的交点即为爱惜电位。

1Cr17Ni2不锈钢和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢的循环极化曲线如图22所示，能够发觉1Cr17Ni2不锈钢的负方向扫描曲线与阳极极化曲线相交，而1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢的负方向扫描曲线那么与阴极极化曲线相交，这说明1Cr17Ni2不锈钢具有爱惜电位，而1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢那么没有。

也确实是说，1Cr17Ni2不锈钢在点蚀发生后，当电位下降时能够修复点蚀蚀孔，使之发生再钝化；而1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢发生点蚀以后，点蚀会不断地进展，不能修复。

结合循环极化的结果，能够判定：

尽管1Cr17Ni2不锈钢的击破电位低于1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，由于1Cr17Ni2不锈钢具有爱惜电位，1Cr17Ni2不锈钢耐

蚀性能优于1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢。

总结上面的论述，如何评判钝性材料的耐蚀性能有着三个评判标准：

●击破电位越高，材料的耐蚀性能越好；

●维钝电流越小，材料的耐蚀性能越好；

●爱惜电位越高，材料的耐蚀性能越好；

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