MnSi螺纹钢耐腐蚀性能研究.doc

天 津 理 工 大 学本科毕业论文任务书题目： 20MnSi螺纹钢耐蚀性能研究学生姓名 届 学院（系）材料科学与工程 专业 材料科学与工程 指导教师 职称 副教授 下达任务日期 2012.11.21 天津理工大学教务处制一、毕业论文内容及要求毕业论文内容：1、20MnSi试样切割成8mm2cm的试样。进行金相组织观察。2、研究试样在不同浸渍液中进行淬火处理。3、对淬火后的试样研究试样表面成分。4、采用电化学测试手段对淬火后试样进行耐蚀性能测试。采用大气腐蚀实验测试试样的腐蚀速度。毕业论文要求：1、查阅相关内容文献20篇以上，其中英文文献10篇以上，完成4000字调研报告。2、完成与论文内容相关的3500字翻译1篇。3、按时按要求保质保量的完成试验。规范地书写15000字毕业设计一篇。 20MnSi螺纹钢耐腐蚀性能研究摘 要锈蚀的钢筋外观，极大影响了企业的声誉、市场形象和产品的销路，给企业的发展带来一定的负面影响。针对该问题拟采用金相观察，XRD测试方法，电化学测试方法，交流阻抗测试方法，极化曲线测试方法，大气腐蚀测试方法研究钢筋表面耐蚀性，延缓钢筋的锈蚀。该技术工艺简单，不用调整生产流程，在保证生产连续性的前提下，提高钢筋表面的耐蚀性，应用性广泛，可提高企业的产品质量和市场竞争力【1】。采用金相观察参比标准图谱,可以看出金相组织对螺纹钢的性能有很大的影响。XRD测试方法对试样的表面进行成分分析。电化学测试方法在模拟雨水介质中20MnSi的耐腐蚀性能研究。交流阻抗测试方法求解物理模型中各个参数，从而估算有关的动力学参数。利用失重法测量大气腐蚀速率，从而得知螺纹钢在室温下如何储存和运输。极化曲线测试可用实验的方法测得，分析研究极化曲线，解释金属腐蚀的基本规律、揭示金属腐蚀机理和探讨控制腐蚀途径通过以上实验方法可以得知无论在20MnSi膜层表面形貌还是其成份组成，都能影响20MnSi螺纹钢的耐蚀性。从中可以知道如何提高螺纹钢的耐腐蚀性 。关键词：金相观察 XRD测试 电化学测试 交流阻抗测试 极化曲线测试 螺纹钢 大气腐蚀Study on the corrosion resistance of 20MnSi steelABSTRACT The corroded steel bar appearance, greatly affected the reputation of the enterprise, market image and product sales, brought some negative effects to the development of enterprises. Aiming at this problem, the metallographic observation, XRD test, electrochemical test methods, test methods of impedance, polarization curve test method, test method of atmospheric corrosion of rebar corrosion resistance, delay the corrosion of the reinforcing bar. The technique is simple, do not need toadjust the production process, in the precondition of ensuring the continuity of production, improve the corrosion resistance of steel surface, a wide range of applications, can improve the product quality and market competitiveness. Metallographic observation reference standard map, we can see a large effect on the performance of microstructure of steel. Composition analysis of surface XRD test methods of specimen. The electrochemical test method in the study of the corrosion resistance of 20MnSi rainwater medium simulation. Each parameter test method of AC impedance for solving the physical model, in order to estimate the kinetic parameters related to the. By using weight loss measurements of atmospheric corrosion rate, thus learned how to screw steel at room temperature storage and transportation.Methods of polarization curve test available test, analysis and Study on the polarization curve, explain the basic rules of metal corrosion, reveal the metal corrosion mechanism and corrosion control way ofThrough the above experimental method can be learned that regardless of the 20MnSi film surface morphology and composition, can affect the corrosion resistance of 20MnSi steel. From which we can know how to improve the rebar corrosion resistance.Key Words： metallographic observation XRD test The electrochemical test AC impedance test Polarization curve test deformed steel bars atmosphere corrosion目 录第一章 绪论11.1螺纹钢的历史11.2 螺纹钢的优缺点11.3 螺纹钢的应用现状21.4课题的选题意义21.5课题的研究内容3第二章 基础理论42.1螺纹钢的基础知识42.1.1螺纹钢的力学性能基础知识42.1.2螺纹钢的耐腐蚀性能基础知识42.2螺纹钢的大气腐蚀速度测定52.3螺纹钢的测试手段的基本原理52.3.1XRD测试的基本原理52.3.2电化学测试的基本原理6第三章 实验条件与方法83.1实验设备和辅助材料83.2实验过程83.2.1金相试样制备83.2.2XRD的实验过程83.2.3大气腐蚀的实验过程83.2.4在模拟雨水介质中20MnSi的耐腐蚀实验过程8第四章 实验结果与讨论104.1金相组织104.2 XRD的实验结果与讨论114.3大气腐蚀的实验结果与讨论134.4模拟雨水电化学的实验结果与讨论154.4.1交流阻抗图154.4.2极化曲线图16第五章 实验结论19参考文献20谢 辞21天津理工大学2013届本科毕业论文第一章 绪论1.1螺纹钢的历史 20世纪50年代我国钢产量很低，生产的钢筋品种有限，国有钢铁企业也只能生产3号光圆钢筋（I级钢筋）和5号螺纹钢筋，屈服强度标准值分别为235、275MPa；20世纪六七十年代开始研制16MnSi（后改为20MnSi，也称II级钢筋）和25MnSi（也称III级钢筋）2种低合金带肋钢筋，实际上研制成功并大量生产的是20MnSi钢筋，而25MnSi钢筋产量有限，两者屈服强度标准值分别为335、375MPa；同时研制并投入生产的还有44Mn2Si等带肋钢筋（也称IV级钢筋），主要用于经热处理或冷拉后的预应力钢筋【2】。20世纪五六十年代，我国正处于国民经济建设的高潮，钢筋供需矛盾较为突出，为发展冷加工生产，通过对低强度钢筋的冷轧、冷拔、冷据或冷拉等冷加工手段，使钢筋冷作硬化，在牺牲原钢筋塑性的条件下，获得较高的屈服强度。冷加工钢筋主要采用细直径盘条生产冷拔钢丝，其既用作预应力混凝土中、小型构件中的预应力钢筋，也部分用作某些钢筋混凝土构件中的受力钢筋和构造钢筋；另外，通过冷挟后的粗带肋钢筋，用作大、中型预应力混凝土构件中的预应力钢筋，部分用作钢筋混凝土构件中的配筋。20世纪八九十年代，小规格钢筋产量和规格不能满足工程建设需求，国内中小型企业针对这一形势，开始引进或自制冷轧带肋钢筋设备，轧机数量和产量达到了相当规模。此外，还生产了小规格、断面为矩形的冷轧扭钢筋用作钢筋混凝土楼板中的配筋，填补了原来热轧带肋钢筋没有小规格的空缺，为工程建设所需钢筋规格的配套起到了辅助作用。此外，在20世纪七八十年代所用的预应力钢筋，除为上述的冷拉钢筋、冷拔钢丝外，在大型工程结构中还采用了钢丝、钢绞线，其抗拉强度标准值不超过1670MPa。20世纪80年代开始研制，90年代正式投入生产的新一代热轧带肋钢筋有2种：一种是以微合金元素（V、Ti、Nb）为基础的HRB400钢筋，另一种是采用余热处理工艺生产的RRB400（KL400)钢筋（包括按英国BS标准生产的钢筋），使我国钢筋在化学成分上进行了更新换代；余热处理钢筋既可用于出口，也可为国内工程选用【3】。在同一时期，引进了相当数量的低松弛高强度钢绞线生产线，使这种高质量的预应力钢筋在公路、房屋、铁路及其他工程领域获得了广泛应用，推动了预应力混凝土结构的发展。从我国的钢筋发展史可以看出，我国钢筋的生产水平不断提高，普通钢筋从低碳钢、低合金钢向微合金钢发展；预应力钢筋从强度偏低、松弛较大向高强度、低松弛的钢绞线、钢丝发展；同时，冷加工钢筋的发展趋向是：冷拔钢丝、冷拉钢筋从广泛采用到被淘汰出局，而作为细直径的冷轧钢筋和冷轧扭钢筋，仍将是普通钢筋的一种补充，它们的存在与发展，取决于其产品质量、价格和售后服务，它们将通过市场机制与细直径的热轧带肋钢筋进行竞争【4】。1.2 螺纹钢的优缺点建材选择20MnSi螺纹钢有许多优点，高强度20MnSi纹钢筋更是广泛应用于大型水利工程、工业和民用建筑中的连续梁和大型框架结构，公路、铁路大中跨桥梁、核电站及地锚等工程。 建材选择20MnSi螺纹钢，主要有以下优点：经济：由于强度高，使用新级螺纹钢筋可比级螺纹钢筋节省钢材10-15%，因此可降低建筑工程的建设成本；强度高、韧性好：采用微合金化处理，屈服点在400Mpa以上，抗拉强度570Mpa以上，分别比级螺纹钢筋提高20%；抗震：含钒钢筋具有较高的抗弯度、时效性能，较高的低周疲劳性能，其抗震性能明显优于级螺纹钢筋；施工方便：采用新级螺纹钢筋增大了施工间隙，为施工方便及施工质量提供了保证【5】。易焊接：由于碳含量0.54%，焊接性能好，适应各种焊接方法，工艺简单方便。 高强度20MnSi螺纹钢筋是在整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的直条钢筋。该钢筋在任意截面处都拧上带有内螺纹的连接器进行连接或拧上带螺纹的螺帽进行锚固【6】。 高强度20MnSi螺纹钢筋广泛应用于大型水利工程、工业和民用建筑中的连续梁和大型框架结构，公路、铁路大中跨桥梁、核电站及地锚等工程。它具有连接、锚固简便，粘着力强，张拉锚固安全可靠，施工方便等优点，而且节约钢筋，减少构件面积和重量。提高抗震.抗裂性能。20MnSi螺纹钢也有一些缺点，比如：淬透性低，回火抗力差，强度较低，无特殊性能，耐腐蚀性能和抗高温氧化性能偏差。 1.3 螺纹钢的应用现状螺纹钢广泛用于房屋、桥梁、道路等土建工程建设。大从高速公路、铁路、桥梁、涵洞、隧道、防洪、水坝等公用设施，小到房屋建筑的基础、梁、柱、墙、板，螺纹钢都是不可或缺的结构材料。 随着我国城镇化程度的不断深入，基础设施建设、房地产的蓬勃发展对螺纹钢的需求强烈。钢筋混凝土结构仍然是当前及未来相当长时期内我国建筑的主要结构形式。因此，可以预期螺纹钢需求量和产量仍将保持较高水平【7】。 据统计，我国建筑业用钢量约占钢材消耗总量的50%左右。建筑业作为资源消耗量较大行业之一，要实现可持续发展，就必须调整建筑材料消耗结构，大力应用高强钢筋和高性能混凝土，走节约型发展道路。如果能够将目前使用的钢筋和混凝土提高一个强度等级，则可以给社会带来巨大节约。根据测算，如果能够按照规范的要求，将钢筋混凝土的主导受力钢筋强度提高到400-500N/mm2，则可以在目前用钢量的水平上节约10%左右。目前,控轧控冷新工艺不仅在钢材奥氏体形变结晶、强韧化机制、控轧控冷钢的组织及使用性能方面进行了大量研究工作,而且在工业性实验和生产上应用也取得了很大进展。控轧控冷工艺已广泛应用于中厚板、热轧板卷、棒线材、型铸及管铸的生产并开发出新钢种,获明显经济效益,但控轧控冷理论与实践,比如控轧对20MnSi组织性能影响及控冷工艺在不同设备工艺条件下的工业性试验和在生产上应用和效果的研究尚有很多工作要做8。中国科学院金属研究所科研人员研发了1种化学冷却工艺,优化了能够改善水冷螺纹钢表面氧化皮组成和处理液的结构化学配方,能显著提高热轧螺纹钢耐蚀性能。一系列的大气腐蚀评价试验均表明，该化学冷却螺纹钢的耐蚀性能明显好于水冷螺纹钢9。 1.4课题的选题意义20MnSi螺纹钢筋是我国目前工程建材中的一种常用材料,广泛地应用于工业与民用建筑,其性能好坏直接影响到工程混凝土的质量。20MnSi的性能主要取决于C、Mn、Si的含量.当C、Si、Mn含量过高时,金相组织中珠光体的含量就会增加,则材料强度增高的同时将导致脆性 增大,显著降低塑性和韧性.钢中的夹杂物主要由钢中的氧和脱氧产物的各类氧化物、硫化物夹杂和一些复合夹杂物如硅酸盐、锰酸盐类夹杂物构成.钢中非金属夹杂物多且偏聚,会造成局部应力集中,破坏金属基体的连续性,严重影响钢的塑性和韧性.严重的夹杂、偏析等往往是裂纹萌生的地方,是断裂的根源我国是螺纹钢生产大国，由于我国固定资产投资规模较大，螺纹钢基本上用于满足内需，其出口数量并不多【10】。近几年来，随着我国基础设施建设的发展，螺纹钢年产量都是保持以16.6%以上的速度增长，近年来，钢筋钢材的进口量很小，钢筋钢材的出口量相对比较大，且逐年快速上升，但是，净出口量占钢筋产量比例很低。目前市场上主要的处理方法是对螺纹钢表面做防锈处理，即在常温下对螺纹钢进行表面处理。常温防锈剂已经有一定的发展，但常温防锈剂仍有不尽人意的地方，它主要是在常温下对成品钢材进行处理，不能完全满足各种情况下的材料表面防锈要求，仍有许多场合需要用益防锈工艺来达到防腐蚀的目的。高温防锈剂是在钢材的生产过程中应用，直接对高温钢材表面进行处理，提高钢筋的常温耐腐蚀性能。本课题针对螺纹钢穿水冷却后极易生锈这一难题，结合螺纹钢生产工艺现状，采用模拟雨水电化实验过程、金相试样的实验过程、XRD的实验过程和大气腐蚀的实验过程，对20MnSi螺纹钢的力学性能和耐蚀性进行了研究，满足市场的需求，提高螺纹钢的生产质量。 1.5课题的研究内容1、试样切割成10mm10mm的试样。进行金相组织观察2、研究试样在不同浸渍液中进行淬火处理。3、对淬火后的试样用XRD表征试样表面的物相。4、采用电化学测试手段对淬火后试样进行耐蚀性能测试。主要测试极化曲线和交流阻抗。5、采用重量变化实验测试常温条件下的耐大气腐蚀性能。第二章 基础理论 2.1螺纹钢的基础知识2.1.1螺纹钢的力学性能基础知识螺纹钢的力学性能：1、屈服性（物理屈服强度）：试样在拉伸过程中，负荷不增加或开始降低，试样仍能继续变形时恒定，最大或最小负荷除以原横截面积所得的应力，分别为试样的屈服点、上屈服点和下屈服点。2、抗拉强度（强度极限）：试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力成为抗拉强度，他表示螺纹钢在拉力作用下，抵抗破坏的最大能力。3、伸长率（延伸率）：试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，称为伸长率。下面我们来说一下影响螺纹钢筋性能的因素-化学成分：碳：提高钢的含碳量，可提高钢的强度性能，但使钢焊接性能、冷弯性能变差。磷：可使钢强度极限显著提高，但使钢的冷脆性、焊接性能、冷弯性能差。硫：硫对钢的绝大部分性能起有害作用。氧：氧对钢的绝大部分性能觉均有不利影响。锰：锰能显著提高钢的强度极限，但使钢的延伸率降低，含量过高，焊接性能变差。硅：硅能提高钢的屈服强度，但含量过高时增加钢的冷脆性、焊接性能变差。氮：氮会是钢的大部分性能变差。以上是螺纹钢的力学性能以及影响因素，因此，化学成分决定了钢的力学性能，不同的钢材使用的化学成分不同，力学性能也各有差异，从而有多种用途的钢材产品。2.1.2螺纹钢的耐腐蚀性能基础知识20MnSi螺纹钢是一种通常在大气、水蒸汽和淡水等腐蚀性较弱的介质中耐腐蚀性能较低的合金钢钢种。它在大气条件下的耐锈性和在各种液体介质中有耐蚀性这一特性与钢中的铬含量有直接关系，铬的存在使钢材表面生成一层看不见的膜，它能防止氧化，使材料“钝化”或者说抗腐蚀。添加其它如镍或钼等元素能提高抗腐蚀性、强度和耐温性。20MnSi合金钢中合金元素以及合金元素对20MnSi耐腐蚀性的影响；（1）碳（C）碳是钢中的主要元素，随着钢中含碳量的增加，钢的常温强度、硬度提高，但塑性、韧性及焊接能降低。（2）锰（Mn）锰可以提高钢的常温强度、硬度及耐磨性，含量高时，焊接应力增加。锰可使钢的高温短时强度提高，但对持久强度和蠕变极限及没有明显的影响。 （3）钼（Mo）和铬（Cr）钼和铬都能提高钢的强度。铬对提高钢的高温组织稳定性能抵制珠光体球化、石墨化、抗高温氧化有明显效果。并能提高抗腐蚀性。但含铬高的钢，焊接裂纹敏感性强，温差应力也大。钼对提高钢的持久强高度有明显作用。 （4）钒（V）钒在钢中能提高高温组织稳定性，还能抵消铬对焊接性能的不利影响。 （5）钛（Ti）钛可提高钢的持久强度，在抵合金钢中，还可改善钢的焊接性能。 （6）钨（W）钨可提高钢的持久强度及高温硬度。 （7）硅（Si）硅能提高钢的强度、耐磨性及抗氧化能力。与铬共存时，可提高抗高温氧化能力，也可提高在烟气中的抗腐蚀性能。 （8）铌（Nb）铌与钛的作用相同，可提高钢有热强性。 （9）硼（B）硼的突出作用是提高钢的淬透性。在耐热钢中可提高钢的热强性及持久塑（10）镍（Ni）镍的主要作用是使钢获得奥氏组织，从而提高钢的抗蠕变能力。腐蚀（生锈）是一种电化学过程，指通过电子交换发生化学反应产生铁锈。通常情况下，螺纹钢内含有大量的铁原子、杂质原子和自由电子。相对杂质原子来说，铁原子本身带约1伏的正电；而相对铁原子来说，杂质原子带负电。因为铁原子端电压较高，所以会吸引杂质原子的自由电子（正极吸引负极） 一旦螺纹钢上有水，则自由电子会从杂质原子（）端通过水气侵蚀铁板的铁原子（）【11】。这个反应叫做氧化或生锈。螺纹钢的致命弱点就是储存于运输过程中生锈，本课题主要是针对螺纹钢的耐腐蚀性进行研究与探讨。2.2螺纹钢的大气腐蚀速度测定利用失重法测量20MnSi螺纹钢在大气中的腐蚀速率，所谓失重法，就是试验金属材料在一定的条件下（一定的温度、压力、介质浓度等）经腐蚀介质一定时间的作用后，比较腐蚀前后该材料的重量变化从而确定腐蚀速度的一种方法。 对于均匀腐蚀，根据腐蚀产物容易除去或完全牢固的附着在试样表面的情况，可分别采用单位时间、单位面积上金属腐蚀后的重量损失或重量增加来表示腐蚀速度： K=W0-W/s.t (2.1)式中：K腐蚀速度，克/米2.小时（K为负值时为增重腐蚀产物未清除）S试样面积，米2t 试验时间，天W0试验前试样的重量，克W试验后试样的重量，克（清除腐蚀产物后） 2.3螺纹钢的测试手段的基本原理2.3.1XRD测试的基本原理X射线衍射原理特征X射线及其衍射X射线是一种波长很短的电磁波，能穿透一点厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具体特定波长的X射线，称为（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离（10-8cm）相近，1912年德国物理学家劳厄（M.von Laue）提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱【12】。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可缺确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg，W.L.Bragg）在劳厄发现的基础上，不仅成功地测试了NaCl、Kcl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射进出的著名公式布拉格定律：2dsin=n。式中为X射线的波长，n为任何正整数。当X射线以掠角（入射角的余角）入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时（如图），在符合上式的条件下，落在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当X射线波长已知时（选用固定波长的特征X射线），采用细粉末或细粒多晶体的线状样品，可从一堆任意取向的晶体中，从每一角符合布拉格条件的反射面得到反射，测出后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型；根据衍射线的强度，还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐（Debye-Scherrer）法的理论基础知识。而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动，以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切面都是满足布拉格条件，故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出眼射线的方向后，便可计算出X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术，可用于分析金属和合金的成分【13】。X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsin=n应用已知波长的X射线来测量角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素【14】。布拉格衍射示意图 2.3.2电化学测试的基本原理电化学测试是以电流电势的测试为基础的，一个基本的电化学测试体系由电解池和测试仪器组成，最常见的电解池体系为三电极电解池，最常用的测试仪器就是恒电势仪，一般的伏安测试，恒电势仪以参比电极的电势为参照，控制工作电极的电势，在不同的电势下测得流过电极表面的电流值。工作电极就是研究的对象。处理和选择工作电极时应消除影响实验结果的不良因素，使实验结果真正可以重视地反映出所关心反应的作用。辅助电极的用途是提供电流回路，使研究电极上发生电化学反应并出现电极电势的变化。唯一要求是不应因自身的形状、材料和反应影响实验结果。参比电极可以提供一个不随电流大小和实验条件而变化的电势基准点，用来测量研究电极的电势。参比电极是一个良好的可逆体系，即使流过少量的电流，电极电势也保持不变。1交流阻抗测试的基本原理交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。交流阻抗法是一个频率域的动态分析方法。这种方法根据电极系统对于不同频率的小幅值的正弦波干扰信号的响应，推测它的等效电路和分析各个动力学过程的特点。由于该方法在一个很宽的频率范围内对电极系统进行测量，因而可以在不同的频率范围内分别得到溶液电阻、双电层电容及电化学反应电阻的有关信息【15】。在更为复杂的情况下，不但可以在不同的频率得到有关参数的信息，而且可以得到阻抗谱的时间常数个数及有关动力学过程的信息，从而可推断电极系统中包含的动力学过程及机理。因此，测量电极系统的交流阻抗，一般来说有两个目的。其一是推测电极系统中包含的动力学过程及其机理，确定与之相适应的物理模型或等效电路【16】。另一个目的是在确定了物理模型或等效电路之后，根据测得的阻抗谱，求解物理模型中各个参数，从而估算有关的动力学参数。2极化曲线测试的基本原理极化曲线是表示电极电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线。它的测量和研究是电极反应动力学的重要内容，其结果也是电化学生产过程控制的重要依据。极化曲线的测量方法可以是“稳态”的，也可以是“暂态”的【17】。前者是先控制恒定的电流（或电压），待响应电压（或电流）恒定之后测量的，可获得稳态极化曲线。后者则控制电流恒定或按一定的程序变化测量响应电势的变化，或控制相应的电势测量响应电流的变化获得暂态极化曲线。极化曲线可用实验的方法测得，分析研究极化曲线，是解释金属腐蚀的基本规律、揭示金属腐蚀机理和探讨控制腐蚀途径的基本方法之一。第3章 实验条件与方法3.1实验设备和辅助材料1.金相实验所需设备及辅助材料分别是：试样切割机，光学显微镜，氮气保护真空炉；500mm砂纸，1000mm砂纸，1500mm砂纸，烧杯，吹风机，棉签和坩埚钳。2.XRD实验所需设备及辅助材料分别是：试样切割机，氮气保护真空炉，X射线衍射仪；橡皮泥，坩埚。3.大气腐蚀所需设备及辅助材料分别是：试样切割机，氮气保护真空炉，万分之一天平；托盘，坩埚。 4. 模拟雨水电化学实验所需设备及辅助材料分别是：试样切割机，氮气保护真空炉，电化学工作站；电解池，吹风机及相关化学药品。3.2实验过程 3.2.1金相试样制备把试样切割成10mm10mm的试样若干，取其中一块试样放入氮气保护真空炉中，升温至高温1000摄氏度后，恒温保持一小时。之后取出试样进行空冷。另取一块原始试样，然后分别利用500号砂纸，1000号砂纸，1500号砂纸进行打磨，抛光机进行抛光处理，之后进行水冲处理，酒精脱水处理，吹干处理，之后将试样放到腐蚀液中进行表面腐蚀1分钟，继续水冲处理，酒精脱水处理，最后吹干处理，放到光学显微镜中进行金相观察并分析。3.2.2XRD的实验过程对试样的表面进行成分分析。靶材为Cu，固定参数设定为：=0.15418nm，加载电压为40kV，电流为100mA。测试采取掠射方式，掠射角为2。扫描范围1080。3.2.3大气腐蚀的实验过程把试样切割成10mm10mm的试样若干，将试样打磨抛光，取其中一块试样作为原始试样，将其他试样放入氮气保护真空炉中，升温至高温1000摄氏度后，恒温保持一小时。之后各取出一块试样分别进行空冷和在不同条件下进行淬火。（条件分别是普通自来水，北辰区地下水，50mg/LZnSO4 ，100mg/LZnSO4 ，150mg/LZnSO4 ，）将所得六组试样与原始试样分别用万分之一天平进行第一次重量测量，并记录下数据。取出试样放入托盘中标记后，放到室外进行大气腐蚀，周期为一个月，一个月过后，取出七组试样，再次用万分之一天平进行测量，并记录数据。两组数据得出后，进行对比与计算，可得出大气腐蚀速率。3.2.4在模拟雨水介质中20MnSi的耐腐蚀实验过程电化学测试釆用CHI660D电化学工作站，采用三电极体系，工作电极为实验试样，辅助电极为石墨电极，参比电极为饱和KCl溶液【18】。在配制的模拟雨水中进行测试，连接好电路后先确定试样的开路电位，然后根据开路电位设定其极化范围。确定好极化范围后按照Scan Rate (V/s) = 0.005进行测量。在一系列不同角频率下测得的一组这种频响函数值就是电极系统的电化学阻抗谱通过比较不同膜层的电化学阻抗谱(EIS)Nyquist图，可直观地反映其耐蚀性【19】。采用三电极体系进行电化学测试，石墨电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，试样为工作电极，并用704硅橡胶对试样进行密封（试样与模拟雨水的接触面为10mm截面）。测试仪器为CHI660C电化学工作站，测试介质为室温的模拟雨水。实验室中所用的电解液为模拟雨水介质，该模拟雨水PH值为0.5，离子成分（单位：umol/L）为：F- 7.55，cl- 31.94，NO3- 16.84，SO42- 91.84，NH4+ 58.17，K+ 19.35，Na+ 15.28，Ca2+ 41.41Mg2+ 3.69。本实验配制模拟雨水的化学成分（单位：mg/L）为：Kcl 1.44，Nacl 0.736，NaNO3 0.229，Ca（NO3）2 1.159，CaSO4 4.67，MgSO4 0.443，HF 0.151，NH4OH 2.036，H2SO4 5.273 。雨水的配方如表3.1所示：表3.1雨水配方Table3.3 Rainwater formula化学药品药品在200ml去离子水中重量（mg）Kcl0.288Nacl0.1472NaNO30.458Ca（NO3）20.2318CaSO40.934MgSO40.0886HF0.0302NH4OH0.4072H2SO45.273 第四章 实验结果与讨论4.1金相组织 20MnSi螺纹钢原始试样金相图（X500） 20MnSi螺纹钢原始试样金相图（X1000）图4.1 20MnSi螺纹钢原始试样不同倍数的金相图Fig.4.1Jin Xiangtu 20MnSi steel specimens with different multiples of the original 20MnSi螺纹钢的金相组织是铁素体晶粒加均匀分布其间的珠光体.对实验提供的螺纹钢产品试样原始环境（见图4.1）进行观察,参比标准图谱,可以看出珠光体的量偏多.同时碳在边缘部分的偏聚,边缘部分组织中珠光体的量明显增加.同时环境温度变化,如在较高的终扎温度及较快的冷却速度下,在边缘容易形成以珠光体、粒状贝氏体为主的组织,这样,钢筋在边面的塑性差,容易形成裂纹,因此金相组织对螺纹钢的性能也有很大的影响。4.2 XRD的实验结果与讨论图4.3为20MnSi在不同条件下热处理后的XRD衍射图。 20MnSi在普通自来水淬火后XRD衍射图 20MnSi在50mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图 20MnSi在100mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图 20MnSi在150mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图 20MnSi在北辰区地下水淬火后XRD衍射图 20MnSi在空冷退火下XRD衍射图20MnSi在原始环境下XRD衍射图图4.3 20MnSi螺纹钢在不同条件下XRD衍射图Fig.4.3 20MnSi threaded steel under different conditions of XRD diffraction pattern如图4.3所示，20MnSi螺纹钢在普通自来水淬火后XRD衍射图主要化合物是Fe3O4 和 Fe2O3；在50mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图主要化合物是Fe3O4 和 Zn(OH)2；在100mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图主要化合物是Zn(OH)2 和 Fe2O3；在150mg/LZnSO4淬火后XRD衍射图主要化合物是Fe3O4 ，Fe2O3和Zn(OH)2；在北辰区地下水淬火后XRD衍射图主要化合物是Fe3O4 ， Fe2O3和Fe；在空冷正火后XRD衍射图主要化合物是Fe3O4 和 Fe2O3；在原始环境下XRD衍射图主要化合物是Fe。通过以上七组图谱分析可知，20MnSi螺纹钢在不同条件下进行热处理在基体表面形成了Fe3O4、Fe2O3和Zn(OH)2的膜层，这些膜层的存在改变了20MnSi螺纹钢的表面成分。4.3大气腐蚀的实验结果与讨论利用失重法测量20MnSi螺纹钢在大气中的腐蚀速率，见表4.3试验金属材料在一定的条件下（一定的温度、压力、介质浓度等）经腐蚀介质一个月时间的作用后，比较腐蚀前后该材料的重量变化从而确定其腐蚀速度。 对于均匀腐蚀，根据腐蚀产物容易除去或完全牢固的附着在试样表面的情况，可分别采用单位时间、单位面积上金属腐蚀后的重量损失或重量增加来表示腐蚀速度。20MnSi大气腐蚀周期一个月腐蚀速率如表4.3表4.4 20MnSi大气腐蚀周期一个月腐蚀速率Table4.4 Atmospheric corrosion of 20MnSi cycle for a month of corrosion rate20MnSi不同条件试样一月前称重（g）一月后称重（g）差值（g）腐蚀速率（g/天m2）原始26.431526.43500.00350.3715普通自来水18.865018.86740.00240.2555北辰区地下水21.531521.53400.00250.2654空冷18.152118.15580.00370.392850mg/LZnSO416.655916.65850.00260.2460100mg/LZnSO426.822326.82430.00200.2123150mg/LZnSO418.065018.06670.00170.1808图4.4为不同条件热处理试样在大气中放置一个月后的照片图4.4 20MnSi大气腐蚀一月后的照片Fig.4.4 Images of atmospheric corrosion of 20MnSi after January如图4.4从左至右依次是：原始试样一个月后腐蚀图像，普通自来水试样一个月后腐蚀图像，北辰区地下水试样一个月后腐蚀图像，空冷试样一个月后腐蚀图像，50mg/LZnSO4试样一个月后腐蚀图像，100mg/LZnSO4试样一个月后腐蚀图像，150mg/LZnSO4试样一个月后腐蚀图像。从图中可以看出，原始试样和空冷试样表面生锈比较明显，其他条件试样也不同程度出现锈蚀现象，加入ZnSO4缓蚀剂试样腐蚀程度明显降低，只是个别点位出现锈点。说明加入缓蚀剂后，对改善材料耐蚀性能是有帮助的。4.4模拟雨水电化学的实验结果与讨论4.4.1交流阻抗图20MnSi在50mg/LZnSO4淬火交流阻抗图 20MnSi在100mg/LZnSO4淬火交流阻抗图 20MnSi在150mg/LZnSO4淬火交流阻抗图 20MnSi在北辰区地下水中淬火交流阻抗图20MnSi空冷退火交流阻抗图 20MnSi原始试样交流阻抗图20MnSi在普通自来水淬火后的交流阻抗图图4.5 20MnSi螺纹钢在不同条件下的交流阻抗图Fig.4.5 AC impedance diagram of 20MnSi steel under different conditions表4.5 20MnSi在不同条件下得图谱半径Table4.5 20MnSi spectral radius under different conditions20MnSi不同条件试样图谱半径R（hm）50mg/LZnSO41250100mg/L ZnSO41275150mg/LZnSO41250北辰区地下水1050空冷1125原始试样1100普通自来水 1000通过如图4.5所示：20MnSi螺纹钢分别在50mg/LZnSO4，100mg/L ZnSO4，50mg/LZnSO4，北辰区地下水，普通自来水不同溶液中淬火和在室温环境下退火以及原始试样七组数据所得交流阻抗图。从图4.5中可对比看出，图像半径越大耐腐蚀性能越好。4.4.2极化曲线图 20MnSi在50mg/LZnSO4淬火极化曲线图 20MnSi在100mg/LZnSO4淬火极化曲线图20MnSi在150mg/LZnSO4淬火极化曲线图 20MnSi在北辰区地下水淬火的交流阻抗图 20MnSi原始试样极化曲线图 20MnSi空冷退火极化曲线图20MnSi在普通自来水淬火后极化曲线图图4.6 20MnSi螺纹钢在不同条件下的极化曲线图Fig.4.6 Polarization curves of 20MnSi steel under different conditions20MnSi在不同条件下的腐蚀电位与腐蚀电流如表4.6表4.6 20MnSi的腐蚀电位与腐蚀电流Table4.3 The corrosion potential and corrosion current of 20MnSi20MnSi不同条件试样腐蚀电位（V）腐蚀电流（A）50mg/L ZnSO4-0.478-4.75100mg/L ZnSO4-0.44-5.0150mg/L ZnSO4-0.365-5.5北辰区地下水-0.425-4.75原始试样-0.53-5.25空冷-0.46-5.1普通自来水-0.35-6.25通过如图4.6所示：20MnSi螺纹钢分别在50mg/LZnSO4，100mg/L ZnSO4，50mg/LZnSO4，北辰区地下水，普通自来水不同溶液中淬火和在室温环境下退火以及原始试样七组数据所得极化曲线图以及表4.6 20MnSi的腐蚀电位与腐蚀电流所示。从图4.6中可对比看出，金属腐蚀的基本规律，20MnSi螺纹钢在普通自来水中腐蚀速率最高第五章 实验结论20MnSi螺纹钢的金相组织（如图4.1与图4.2）是铁素体晶粒加均匀分布其间的珠光体，金相组织对螺纹钢的性能有很大的影响。其试样在不同浸渍液中进行淬火处理，淬火后的试样用XRD表征试样表面的物相。研究发现20MnSi螺纹钢在不同条件下主要化学元素分别是：Fe元素，O元素；少量元素有：Mn元素，Sl元素。采用重量变化实验测试常温条件下的耐大气腐蚀性能。通过表4.3数据和图4.4分析可知，20MnSi螺纹钢，在正常条件下，一个月的大气腐蚀速率，在150mg/LZnSO4溶液淬火下，腐蚀速率最快，在原始试样中，表面腐蚀最明显。采用电化学测试手段对淬火后试样进行耐蚀性能测试。主要测试极化曲线和交流阻抗。通过不同条件下交流阻抗图像（如图4.5）分析可知：其图像半径越大20MnSi螺纹钢的耐腐蚀性能越好；通过不同条件下极化曲线图像（如图4.6）分析可知其：金属腐蚀的基本规律，2