高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究北京科技大學楊善武1高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第1頁!內容背景發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路典型材料的大氣腐蝕行為與環境因素的影響碳含量與顯微組織的影響研究結果的總結2高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第2頁!背景沿海地區經濟發達，鋼結構廣泛應用鋼的強度提高后，構件截面積減小，腐蝕問題更為突出沿海大氣中攜帶的NaCl顆粒易于在鋼構件表面潮解，增加電解液的導電率，破壞鋼的表面鈍化，導致最嚴重的大氣腐蝕對于高強度耐候鋼，為了保證低溫韌性，必須降低對耐候性貢獻極大的P的含量晶粒細化、時效析出等強化措施可能對耐候性產生影響3高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第3頁!鋼的大氣腐蝕的熱力學與動力學熱力學趨勢：鋼的大氣腐蝕必然發生。動力學過程：通過適當的成分設計與組織控制，可以延緩腐蝕進程。提高鋼的熱力學穩定性并非減小其大氣腐蝕速率的有效措施。4高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第4頁!Evans模型修改后的Evans模型陽極反應：Fe→Fe2＋＋2e陰極反應：6FeOOH＋2e→2Fe3O4＋2H2O＋2OH－陰極反應物質的再生：3Fe3O4+（3/4）O2+（9/2）H2O→9FeOOH陰極反應：2γ-FeOOH+2e+2H+→2{Fe·OH·OH}陰極反應物質的再生：2{Fe·OH·OH}+1/2O2→2γ-FeOOH+H2O5高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第5頁!大氣腐蝕的平均深度隨時間的變化規律D=Atn上式中D為平均腐蝕深度，t為以年為單位的時間，A、n為取決于材料與環境的常數若上式成立，則有LogD=LogA+nLogt即腐蝕深度的對數與時間的對數間成線性關系平均腐蝕速率為dD/dt=nAtn-1由此看出，若n<1,則腐蝕速率隨時間延長而下降6高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第6頁!發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路鋼在沿海大氣中的腐蝕本質上是一種電極反應過程。電極反應進程的快慢，依賴于電極間的電位差。如果通過適當設計鋼的成分與制造加工工藝，使鋼的成分與結構盡可能均勻化，則可以減少樣品內部各區域之間的電位差，抑制電極反應進程，從而降低腐蝕速率。7高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第7頁!發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路在各類結構鋼中，以貝氏體鋼的強度對碳含量的依賴最低。碳濃度達到在貝氏體中的溶解度限（0.02wt%）后，繼續增加碳含量不會導致貝氏體強度的上升，而只會招致富碳的第二相，如殘留奧氏體或滲碳體等的出現。因此，降低貝氏體鋼的碳含量有利于提高其組織結構與成分分布的均勻性，對其韌性和焊接性能也有利，同時不會損害其強度。另外，鋼的成分分布的不均勻性很大程度上還來自于在奧氏體轉變過程中，先、后形成的新相之間的成分差別。由于貝氏體相變在較低溫度進行，此時合金元素的擴散速度較低，長程擴散基本可以忽略，因此各貝氏體板條形成次序的不同不會導致明顯的成分差別。8高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第8頁!發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路沿海大氣對鋼鐵材料的主要危害來自局部腐蝕。在實際服役條件下，耐候鋼一般要承受載荷，因此某一局部腐蝕的過度發展有可能招致鋼結構整體的崩潰。提高鋼的結構、成分的均勻性，有利于抑制局部腐蝕。本工作的主要目標一是要降低鋼的平均腐蝕速率，二是要盡可能將局部腐蝕轉化為均勻腐蝕。9高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第9頁!回火不同時間的含銅裸鋼在0.5%NaCl電解液中侵蝕30分鐘測得的電化學阻抗譜Cu的析出對耐蝕性的影響10高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第10頁!實驗材料CSiMnSCuCrNiNbMoBAlP碳鋼0.0060.190.890.0360.00709CuPCrNi0.08150.4620.3990.01130.2860.5230.2770.0030.0220.086低碳貝氏體耐候鋼0.0280.381.50.0070.790.580.590.190.300.00170.0610.086

典型材料的大氣腐蝕行為與環境因素的影響11高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第11頁!實驗結果鋼基體電化學阻抗譜RsRctCPE碳鋼09CuPCrNi低碳貝氏體耐候鋼Polarizationresistance（ohm.cm2）403.5768.11187CS-碳鋼，CTS-09CuPCrNi,BW--低碳貝氏體耐候鋼Rs-溶液電阻，CPE-鋼基體與溶液的雙電層,Rct—機化阻抗12高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第12頁!帶銹試樣的電化學阻抗譜

R1R2R3C1C2ZD三種帶銹層鋼在0.5mass％NaCl溶液中的Nyquist圖（A）碳鋼，（B）09CuPCrNi，（C）低碳貝氏體耐候鋼帶銹層的鋼試樣在NaCl溶液中的等效電路

R1:溶液電阻；R2:銹層電阻，R3:傳遞電阻；C1：銹層與溶液雙電層；C2：基體與溶液雙電層；ZD：擴散阻抗。13高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第13頁!青島、萬寧主要大氣氣象參數siteAverageTemperature(℃)AverageHumidity(％)Humidity＞80％(h/y)Precipitation(mm/y)Sunshine(h/y)Distancetosea(m)Qingdao12.571404964320785Wanning24.686673615632043350主要大氣腐蝕參數

siteClˉDeposition(mg/100cm2/d)SO2Deposition(mg/100cm2/d)NO2Content(mg/m3)H2SContent(mg/m3)RainpHClˉ(mg/m3)SO42-(mg/m3)Qingdao0.2500.7040.0380.0136.11104481654Wanning0.3870.0600.0050.0005.011229355214高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第14頁!d貝氏體耐候鋼裸鋼試樣和在青島腐蝕1年后帶銹層的試樣在鹽霧箱中的不同腐蝕行為表明在青島腐蝕一年后，貝氏體耐候鋼已經形成了保護性銹層15高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第15頁!腐蝕率可以用基于Faraday定律的Tafel外推法計算：V=W/(At)=(icorrN)/F

其中：V是腐蝕率，W是失重量，A是試樣的表面積，t是腐蝕時間，icor是腐蝕電流，N金屬原子量與金屬價的比值，F是Faraday常數。腐蝕速率正比于腐蝕電流，腐蝕電流從極化曲線計算得到，

icorr(mA/cm2)QingdaoSkywardside9.933×10-3Groundwardside14.01×10-3WanningSkywardside30.16×10-3Groundwardside19.72×10-316高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第16頁!銹層的相組成

低碳貝氏體耐候鋼在青島和萬寧暴曬一年半的銹層XRD及各個銹相所占百分比。（A）青島陽面，（B）青島陰面，（C）萬寧陽面，（D）萬寧陰面，（E）各個銹相所占百分比在青島銹層，（F）各個銹相所占百分比在萬寧銹層.17高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第17頁!在青島和萬寧曝曬一年形成的銹層的孔隙結構

當銹層由小顆粒組成且孔隙較小時N2吸附量較大。由小顆粒組成的聚合物擁有大的比表面積。在青島和萬寧形成的銹層的SA(n)分別為97.8040m2/g和75.3436m2/g。在青島和萬寧形成的銹層的平均孔隙寬度分別約為40nm和44nm。18高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第18頁!銹層孔隙模型假設銹顆粒是按簡立方排列，銹顆粒相互緊貼。銹顆粒圍成的孔隙半徑為r。

比表面積：每克物質所具有的表面積(m2/g)，用S表示。設銹由球狀銹顆粒組成，半徑為R，每A克銹含有n個球狀銹顆粒，銹密度為。RrRRRRKelvin公式p:實際氣壓p0:飽和蒸氣壓rc:毛細管凝結臨界半徑γ:表面張力系數Vm:摩爾體積R:普適氣體常數T:溫度19高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第19頁!三類典型環境中

低碳貝氏體鋼的腐蝕行為周浸加速實驗失重分析協同作用20高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第20頁!三類典型環境中

低碳貝氏體鋼的腐蝕行為周浸加速實驗力學性能-抗拉強度21高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第21頁!三類典型環境中

低碳貝氏體鋼的腐蝕行為周浸加速實驗射線衍射分析X22高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第22頁!三類典型環境中

低碳貝氏體鋼的腐蝕行為周浸加速實驗電化學分析23高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第23頁!腐蝕深度隨周浸時間變化曲線----冷卻速率的影響24高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第24頁!腐蝕深度隨周浸時間變化曲線----碳含量的影響25高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第25頁!試樣單位面積失重隨腐蝕時間變化趨勢----自然曝曬26高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第26頁!銹層自修復能力研究

實驗方法和結果在恒溫恒濕箱中滴鹽水方法腐蝕15天的電化學試樣，用刻刀在銹層刻出四種缺陷，再跟蹤作EIS，分析銹層電阻的變化。碳鋼(A)和低碳貝氏體耐候鋼(B)的完整銹層的電化學阻抗譜

27高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第27頁!損傷試樣電化學測量損傷對低碳貝氏體

繼續腐蝕行為的影響

修復試驗Ⅰ-銹層損傷程度Repairratio=28高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第28頁!研究結果的總結通過控制碳含量和顯微組織，可以顯著提高低合金鋼的耐候性能，并兼顧綜合力學性能顯微組織直接決定鋼的初期腐蝕行為，并進而影響鋼的長期腐蝕性能銹層致密程度是決定銹層保護性能的最主要因素環境因素對鋼的腐蝕行為有重要影響，發展南、北兩個系列的耐候鋼是一個經濟化的方案29高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第29頁!分別單獨添加Cu、Cr、Nb、P、Re對C-Mn-Si鋼的耐蝕性能的影響，結果來自在0.5wt%NaCl水溶液中的周浸實驗30高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第30頁!大氣腐蝕的基本特征鋼的大氣腐蝕本質上是一個（薄液膜下的）電化學過程。腐蝕過程中發生失去電子的陽極過程和得到電子的陰極過程，造成極化，產生腐蝕電流。為形成腐蝕電流的閉合回路，需要有電解液存在。而腐蝕過程要得以持續進行，必須同時發生去極化過程。31高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第31頁!耐候鋼與不銹鋼在抗腐蝕原理上的異同相同之處：均利用在鋼表面形成的腐蝕產物阻礙進一步腐蝕的發生。不同之處：由于對鐵的選擇性腐蝕，不銹鋼表面將形成鉻的富集層，并通過形成致密的鉻腐蝕產物膜阻斷進一步的腐蝕。而在耐候鋼的腐蝕過程中，雖然也可能發生銅、鉻的富集，但腐蝕銹層基本上是由鐵的腐蝕產物構成的。32高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第32頁!研究目標獲得屈服強度600MPa以上，具有優良的低溫韌性和焊接性能，耐候性優于CORTEN-A的耐沿海大氣腐蝕原型鋼。明確顯微組織和環境因素對耐候鋼在沿海大氣中腐蝕行為的影響，澄清大氣腐蝕在顯微組織中發生發展與銹層形成、演化的微觀機制。33高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第33頁!發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路在鋼中所含各主要元素中，碳的分布是最不均勻的，表現為它在鐵素體、奧氏體和滲碳體中含量的極大差別。超過鐵素體溶解度的過量碳的存在也是鋼中多相共存的主要原因。因此，降低鋼中碳含量至鐵素體的溶碳限以下是提高鋼的成分、結構均勻性的最有效手段。但是，碳含量的降低會導致鋼的強度的降低，必須通過其他強化措施予以彌補。34高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第34頁!發展高強韌耐沿海大氣腐蝕鋼的基本思路采用貝氏體作為新一代耐沿海大氣腐蝕鋼的主體組織的另一個原因是，傳統耐候鋼中常用元素Cu、Cr、Ni、Mo也是促進貝氏體轉變的元素，在鋼中碳含量大幅度降低的情況下，這些元素的作用更為突出。35高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第35頁!Cu的析出對耐蝕性的影響戶外噴淋加速腐蝕實驗36高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第36頁!Temperingtime,sHardness,Hv含銅鋼水淬樣品在500℃回火時的硬度變化，時效峰出現在1小時左右。37高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第37頁!鋼基體的極化曲線，利用塔菲爾外推法，根據Faraday定律就可以計算腐蝕速率：freecorrosionpotential（V）corrosioncurrent（μA/cm2）碳鋼-1.027122.709CuPCrNi-1.02997.81低碳貝氏體耐候鋼-1.02277.43CS-碳鋼，CTS-09CuPCrNi,BW--低碳貝氏體耐候鋼38高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第38頁!銹層的相組成

(A)碳鋼，(B)09CuPCrNi，(C)低碳貝氏體耐候鋼，(D)銹層中各相的質量分數CS-碳鋼，CTS-09CuPCrNi,BWS--低碳貝氏體耐候鋼39高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第39頁!銹層電阻R2隨腐蝕時間的變化

CarbonsteelCor-TensteelBainiticweatheringsteel12(day)20.41(ohm.cm2)28.25(ohm.cm2)30.1(ohm.cm2)20(day)78.94(ohm.cm2)94.56(ohm.cm2)117.1(ohm.cm2)28(day)118.1(ohm.cm2)138.7(ohm.cm2)158.0(ohm.cm2)40(day)201.4(ohm.cm2)224.6(ohm.cm2)253.6(ohm.cm2)40高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第40頁!低碳貝氏體耐候鋼在青島和萬寧暴曬一年半腐蝕失重低碳貝氏體耐候鋼在青島和萬寧暴曬一年的腐蝕失重

41高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第41頁!帶銹層試樣的極化曲線

低碳貝氏體耐候鋼在青島（A）和萬寧（B）暴曬一年半帶銹層試樣極化曲線

42高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第42頁!銹層的相組成

低碳貝氏體耐候鋼在青島（A）和萬寧（B）暴曬一年的銹層，各個銹相所占百分比（C）43高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第43頁!帶銹層試樣的電化學阻抗譜R1R2R3C1C2ZD在青島(A)和萬寧(B)暴曬一年半帶銹層試樣的電化學阻抗譜及銹層電阻

R2(ohm.cm2)QingdaoSkywardside1007Groundwardside663.1WanningSkywardside336.1Groundwardside427.944高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第44頁!在青島和萬寧曝曬一年半形成的銹層的孔隙結構SiteRustlayerSA(n)(m2/g)Adsorptionaverageporewidth(4V/AbyBET)(nm)QingdaoSkywardside110.252633.8338Groundwardside107.405336.7044WanningSkywardside94.769842.4302Groundwardside98.547739.517145高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第45頁!假設銹層由球狀銹顆粒組成，銹孔隙為細管狀。細管孔徑以平均孔徑為中間值。干/濕交替過程，銹孔隙會回擺式發生充滿水，促進銹顆粒長大。青島的降雨少、濕度低，陽面干得更快并可以保持更長時間的干狀態，陽面銹層比陰面銹層的顆粒生長得慢、顆粒小、致密。萬寧的降雨較多、濕度較高，和高溫的太陽照射的共同作用使陽面銹層比陰面銹層經歷更高的干/濕循環頻率，陽面銹層比陰面的銹顆粒增長得快、顆粒大、疏松。46高強度耐沿海大氣腐蝕貝氏體鋼的研究共56頁，您現在瀏覽的是第46頁!三類典型環境中

低碳貝氏體鋼的腐蝕