（物理化学专业论文）钢筋和vanax工具钢在不同环境中局部腐蚀行为研究.pdf

摘要 摘要 1 钢筋在混凝土模拟液中局部腐蚀行为的研究 本文通过电化学方法及局部扫描探针技术，研究了钢筋在混凝土模拟液中的 腐蚀行为，以及钢筋的微观结构对腐蚀行为的影响。光学显微镜金相观察和 s e m e d s 分析结果显示，实验所用钢筋主要是由铁素体及一定量的珠光体组成 ，结构中含有少量的m n s 夹杂物。通过s k p f m 对抛光后的钢筋表面表面电位 的进行扫描，可判断不同微观组成结构的腐蚀倾向性，结果表明，铁素体边界、 珠光体相和m n s 夹杂物具有较高的腐蚀倾向性。钢筋在混凝土孔隙液中电化学 阻抗谱和动电位极化曲线显示了钢筋表面钝化和去钝化行为，以及p h 值和氯离 子浓度对钢筋腐蚀行为的影响。原位光学显微的观察结果直观地反映了铁素体相 边界和珠光体相上的局部腐蚀的发生和发展。a f m 在溶液中的原位测试结果显 示了钢筋表面局部腐蚀的细节信息，如与晶界相关的腐蚀产物的生长、腐蚀孔口 覆盖壳的形成和腐蚀孔在纵深方向的生长。实验结果表明，钢筋的钝化和局部腐 蚀行为不仅受p h 和氯离子浓度影响，也受铁素体晶界、珠光体相、m n s 夹杂物 等微观组成结构的影响。 2 工具钢局部腐蚀行为的研究 研究了v a n a x7 5 工具钢在n a c l 溶液中的腐蚀行为。通过电化学方法( 开路 电位测量、电化学阻抗谱、动电位极化) 和a f m 在溶液中的原位测试，分别对 经过高温( h t ) 和低温( l t ) 处理的v a n a x7 5 工具钢样品在n a c l 溶液中的腐蚀行为 进行研究。并通过s k p f m 对抛光后的样品表面进行了v o l t a 电位分布测量，估 算出了微观结构中粒子的腐蚀倾向性。结果表明，高温处理可导致v a n a x7 5 工 具钢样品出现会宏观材料组成的不均一。而低温处理可使材料宏观上组成更为均 一，表面微观腐蚀敏感区较少。很显然，经过低温处理的材料具有较高的耐腐蚀 性。 关键词：钢筋；工具钢；微观结构；局部腐蚀；s k p f m ；i n - s i t ua f m a b s t r a c t 1 l o c a l i z e dc o r r o s i o nb e h a v i o u ro fr e i n f o r c e m e n ts t e e li n s i m u l a t e dc o n c r e t ep o r es o l u t i o n l o c a l i z e dc o r r o s i o nb e h a v i o ra n di n f l u e n c eo fm i c r o s t r u c t u r eo fr e i n f o r c e m e n t s t e e lw e r ei n v e s t i g a t e di ns i m u l a t e dc o n c r e t ep o r es o l u t i o n sb ye l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n t sa n dl o c a lp r o b i n gt e c h n i q u e s o p t i c a lm i c r o s c o p ye x a m i n a t i o na n d s e m e d sa n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt h er e i n f o r c e m e n ts t e e lc o n s i s t sm a i n l yo ff e r r i t e ， 、析t hac e r t a i na m o u n to fp e a r l i t ea n ds o m em n si n c l u s i o n s s c a n n i n gk e l v i np r o b e f o r c em i c r o s c o p ym a p p i n go ft h ep o l i s h e d s u r f a c e ，g i v i n gr e l a t i v en o b i l i t y o f m i c r o s t r u c t u r a lf e a t u r e s ，i n d i c a t e dah i g h e rc o r r o s i o nt e n d e n c yo ft h ef e r r i t eg r a i n b o u n d a r i e s ，p e a r l i t eg r a i n s a n dm n si n c l u s i o n s e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p ya n dp o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n t si ns i m u l a t e dc o n c r e t e p o r es o l u t i o nd e m o n s t r a t e dp a s s i v i t ya n db r e a k d o w nb e h a v i o ro ft h es t e e l ，a n dt h e i n f l u e n c eo fp hv a l u ea n dc h l o r i d ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o n 1 n - s i t uo p t i c a l m i c r o s c o p ye x p e r i m e n t sv i s u a l i z e dt h ed e v e l o p m e n to fl o c a l i z e dc o r r o s i o na l o n gt h e f e r r i t eg r a i nb o u n d a r i e sa n do nt h ep e a r l i t ep h a s e 1 n - s i t ua f mm e a s u r e m e n t si nt h e s o l u t i o nr e v e a l e dd e t a i l so ft h el o c a l i z e dc o r r o s i o no nt h es t e e ls u r f a c e ，s u c ha s c o r r o s i o np r o d u c t sr e l a t e dt ot h eg r a i nb o u n d a r i e s ，a n df o r m a t i o no fp i tc a pa n dt h e g r o w t ho fap i t t h ee x p e r i m e n t a le v i d e n c e si n d i c a t et h a tt h ep a s s i v i t ya n dl o c a l i z e d c o r r o s i o nb e h a v i o ro ft h er e i n f o r c e m e n ts t e e la l ei n f l u e n c e db o t hb yt h ep ha n d c h l o r i d ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o na n db yt h em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r e ss u c ha s p e a l l i t ep h a s ea n dm n s i n c l u s i o n s 2 as t u d yo fl o c a l i z e dc o r r o s i o no ft o o l i n ga l l o y s t h i sr e s e a r c hp r o j e c ta i m sa ts t u d y i n gl o c a l i z e dc o r r o s i o nb e h a v i o ro ft o o l i n g a l l o y si nn a c is o l u t i o n s v a n a x7 5s a m p l e sa f t e rah i g ht e m p e r a t u r e ( h t ) t r e a t m e n t a n dal o wt e m p e r a t u r e ( l t ) t r e a t m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，b yu s i n ge l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n t si n c l u d i n go p e n c i r c u i tp o t e n t i a l ( o c p ) v e r s u st i m e ，e l e c t r o c h e m i c a l a b s t r a c t i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) ，a n dp o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o n ，a sw e l la si n - s i t u a f mm e a s u r e m e n t si nt h es o l u t i o n m o r e o v e r , t oe v a l u a t ec o r r o s i o nt e n d e n c yo ft h e p a r t i c l e si nt h em i c r o s t r u c t u r e ，v o l t ap o t e n t i a lm a p p i n gb yu s i n gs c a n n i n gk e l v i n p r o b ef o r c em i c r o s c o p y ( s i o f m ) w a sp e r f o r m e do nt h ep o l i s h e ds a m p l es u r f a c e r e s u l t ss u g g e s tt h a tt h eh i g ht e m p e r a t u r et r e a t m e n tl e a d st oam o r eu n i f o r mm a t e r i a l o nam a c r o s c o p i c t h el o wt e m p e r a t u r et r e a t m e n ts e e m st or e s u l ti nal e s su n i f o r m m a t e r i a lo nam a c r o s c o p i cl e v e l ，a n dl e s sm i c r o s c o p i cs i t e st h a ta r es e n s i t i v et o l o c a l i z e dc o r r o s i o n a p p a r e n t l y , t h el o wt e m p e r a t u r et r e a t e dm a t e r i a le x h i b i t sah i g h e r c o r r o s i o nr e s i s t a n c e k e y w o r d s ：r e i n f o r c e m e n ts t e e l ；t o o l i n gs t e e l ；m i c r o s t r u c t u r e ；l o c a l i z e d c o r r o s i o n ；s k p f m ；n s i t ua f m - i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 撩昌；逢敖锪 ) 课题( 组) 的研究成果，获得( 赫曷蝴疑) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 献勘至徽拽 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：旅) 抛 凇( 7 t 年答只2 , e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：勰 缈7 年9 月t 2 , 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢筋混凝土腐蚀与保护的重要性 钢筋混凝土是一种省能、经济、用途极为广泛的耐久性结构材料，即使处在 侵蚀性介质的环境中也可以长期使用、免遭腐蚀。因此已经成为当今主要的建筑 结构之一，广泛应用于桥梁、建筑物、高架桥、堤坝、海底隧道和大型海洋平台 等结构中。很多钢筋混凝土结构在服役期中维护费用很低廉，所表现的性能令人 满意。 但是由于设计、施工或使用不当，近来发现甚多的钢筋混凝土结构在腐蚀性 介质或干湿循环作用下，少则几年，多则十几年就出现钢筋腐蚀，而引起混凝土 结构开裂破损，甚至崩溃。大量钢筋混凝土不能达到设计寿命而过早破坏，为此 带来了巨大的经济损失，也为世界范围内的研究者所广泛关注。 钢筋混凝土结构随着服役时间的延长、各种因素的影响出现各种各样的缺陷 或破坏。其中表面缺陷有：蜂窝、麻面、漏筋、孔洞、层隙、磨损、表面腐蚀、 老化、剥落、表面裂缝、掉角。内部隐藏的缺陷有：内部空洞和蜂窝、混凝土保 护层不足、钢筋锈蚀等【l 】。产生破坏的原因主要有，有害化学物质侵蚀、埋置钢 筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏等。 随着除冰盐、早强剂和防冻剂的广泛使用，水、土壤、大气污染的加剧，因 钢筋腐蚀造成的破坏的严重性在日益增加，已经超过化学腐蚀、冻融破坏等因素 而成为钢筋混凝土结构耐久性的最大威胁【2 】。通常情况下，钢筋混凝土结构中， 混凝土保护层可阻止侵蚀性物种和钢筋的直接接触，并且混凝土孔隙中有高碱性 的溶液填充，足以使钢筋表面形成致密、稳定的钝化膜，可有效保护钢筋免遭腐 蚀。然而实际的工业和民用建筑，如桥梁、堤坝、海上平台、厂房等结构中，钢 筋腐蚀仍然是引发钢筋混凝土结构过早失效最常见的原因，其破坏性已经远远超 过一般混凝土的化学腐蚀和冻害【3 】。钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要 体现在以下三方面。首先，钢筋锈蚀直接使钢筋截面减小，从而使钢筋的承载力 下降，极限延伸率减少；其次，钢筋锈蚀产物的体积比锈蚀前的体积大得多( 一 第一章绪论 般可达原体积的2 3 倍) ，体积膨胀压力可使钢筋外围混凝土发生顺筋开裂，使结 构耐久性降低。由于混凝土裂纹的产生，为环境中的侵蚀性物种进入到钢筋表面 提供了通道，又可进一步促进钢筋腐蚀的快速发展：其三钢筋锈蚀还使得钢筋与 混凝土之间的粘结力明显下降。 一般而言，设计中对环境侵蚀性估计不足、材料选择不慎、结构测定失误或 施工质量不高等问题都可能引起钢筋混凝土结构过早地发生老化，增加维护成 本，并大大缩短服役时剐4 1 。 美国每年生产的钢材有4 0 被用于替换服役结构中已锈蚀钢材【5 】；水泥生产 消耗大量资源能源排放大量的c o ，和s o ，给环境带来严重的负荷。据统计目前建 筑业包括所有土建工程消耗世界资源能源的4 0 1 6 1 。因此提高钢筋混凝土结构的 耐久性就意味着资源能源的节约和环境污染的减轻，对人类社会的可持续发展具 有重大意义【7 】。美国的混凝土基建工程，总价值达6 万亿美元，由于耐久性不好， 重建与维修费用高达数千亿美元。价值l 万亿美元的公路系统中，有2 5 万座桥梁 遭受破坏，重建与维修费用需4 5 0 0 亿美金【8 】。英国的路桥维修和重建费用每年也 高达亿英镑【剐。一项统计表明，在美国，仅仅因为除冰盐对桥梁和停车场造成的 破坏每年的损失在3 2 5 1 0 亿美元之间1 4 1 。英国交通部估计每年用于修补公路桥腐 蚀破坏的费用达到6 1 6 5 亿英镑 4 1 。而且这个统计只包括英国桥梁总数的大约 1 0 ，因此总的损失可能1 0 倍于上述的估计【4 】。我国众多重大混凝土工程由于施 工不良、设计不当或服役期内因外部因素的破坏在不到十年内产生严重破坏，而 造成的损失也十分惊人。 在国内，海港码头遭受海水腐蚀而使其寿命缩短，北方使用化冰盐致使许多 桥梁路面出现严重的腐蚀问题，北京、天津的许多立交桥因腐蚀问题不得不进行 修复【9 1 。交通部有关单位曾针对我过沿海港口工程混凝土结构破坏情况进行了调 查【l o l 。6 0 年代，对华南华北地区2 7 座海港混凝土结构进行的调查，发现其中因 钢筋锈蚀导致的结构破坏占7 4 ，1 9 8 0 年，对华南1 8 座码头进行调查，发现8 0 以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅有5 - 1 0 年。随后，有关单位对华东地区，北方地区的沿海码头调查，也得出类似的结果。 因此，不论国内还是国外，钢筋混凝土结构的耐久性己成为一项重要课题。 混凝土中钢筋腐蚀属于电化学腐蚀，但由于钢筋混凝土体系的复杂性和特殊性 第一章绪论 使得钢筋在混凝土中的腐蚀机理与一般裸金属的腐蚀相比有其特殊性。因此发展 合适的钢筋混凝土腐蚀研究方法，探索混凝土中钢筋腐蚀机理和防护技术不仅具 有十分重要的经济和社会意义而且还具有重要的科学意义。 1 1 1 钢筋混凝土体系及混凝土孔隙液的组成 顾名思义，钢筋混凝土是由钢筋与混凝土组成。它利用钢筋的抗拉强度与混 凝土的抗压强度，浇铸成工程建筑构体。就材料而言，一般情况下各种规格的钢 筋均由碳钢制成；在特殊情况下也可能使用镀锌钢筋及不锈钢筋。水泥( 最常见 的是波特兰水泥，即普通硅酸盐水泥) 是一种无机水硬性凝胶材料，其特点是具 有良好的粘结性和可塑性，加水后起化学反应，由可塑性浆体凝结硬化成石状固 体。 水泥的种类有上百种之多，按水泥的矿物化学成分可以分为硅酸盐类水泥、 铝酸盐类水泥、硫酸盐类水泥和磷酸盐类水泥。其中应用得最为广泛的是硅酸盐 类水泥。硅酸盐水泥又称熟料水泥或波特兰水泥，各种硅酸盐类水泥中的矿物组 成一般如下【1 1 】： ( 1 ) 硅酸三钙：3 c a os i 0 2 ，含量：3 7 6 0 ； ( 2 ) 硅酸二钙：2 c a os i 0 2 ，含量：1 5 3 7 ； ( 3 ) 铝酸三钙：3 c a oa 1 2 0 3 ，含量：7 15 ； ( 4 ) 铁铝酸四钙：4 c a oa 1 2 0 3f e 2 0 3 ，含量：1 0 - 1 8 ； ( 5 ) 其它：游离c a o ，m g o ，不准超过5 ，s 0 3 不准超过3 5 。 一般情况下，混凝土对钢筋具有物理、化学双重保护作用。一方面，混凝土 可以阻挡环境中侵蚀性物质对钢筋的腐蚀破坏作用。另一方面，混凝土孔隙溶液 具有强碱性，混凝土中的钢筋总是处于钝化状态，不发生腐蚀。其原因是：以硅 酸盐水泥为凝胶材料主体的混凝土中，孔隙液通常总是c a ( o h ) 2 饱和溶液，即使 混凝土孔隙液发生任何溶出，沉积于孔壁的羟钙石的一部分会以溶解的方式自动 补充，使混凝土孔隙液总具有高碱性。水泥中常含有少量碱性氧化物( n a 2 0 或 k 2 0 ) ，在水泥水化时会完全溶解于混凝土孔隙液中，使p h 值增高。根据f e h 2 0 体系的p h 一电位图，在正常的混凝土内部高碱性环境中，钢筋处于钝态。 由于混凝土的隔离和高绝缘性，常规的电化学技术、微探针扫描技术均难以 应用于实际的钢筋混凝土体系中。因此，常常将钢筋浸泡在模拟混凝土孔隙液 第一章绪论 中进行钢筋腐蚀行为的研究。前人已经对不同种类混凝土成分以及它们对钢筋腐 蚀行为的影响的进行了大量的研究【1 2 。2 1 1 。p a g e 等人【2 1 1 ，通过高压设备提取出了混 凝土中的孔隙溶液。普通混凝土孔隙溶液的主要成分为饱和c a ( o h ) 1 8 , 2 2 , 2 3 1 ，不 同种类的水泥中，还有不同的附加离子的存在1 3 , 2 0 。主要的阳离子为c a 2 + 、n a + 、 和k + ；而主要的阴离子为o h 。和( s 0 4 ) 2 。这些钠、钾离子主要来源于混凝土中存 在的碱性氧化物，女n n a 2 0 和k 2 0 等；而硫酸根主要来源于水泥制造过程中石膏的 添加。另外，水泥骨料的污染，或者浇铸时所用的外加剂，也可能引入这些离子。 实验中，常用饱和c a ( o h ) 2 或者将一定比例的c a ( o h ) 2 、n a o h 和k o h = 组溶液按 一定比例混合 2 4 , 2 5 】，作为混凝土孔隙模拟液，对钢筋的腐蚀行为进行研究。 1 1 2 混凝土中钢筋的局部腐蚀 钢筋在混凝土中的腐蚀破坏是导致现代钢筋混凝土结构过早失效的最主要 原因，已被公认为一个世界性难题。而小孔腐蚀由于其发生、发展很难预测，被 认为是腐蚀中最具灾难性的形式【2 6 1 。文献表明，前人已经在金属孔蚀机理研究 方面进行了很多的工作 2 7 - 3 0 】。 混凝土由于其中水泥水化产生大量c a ( o h ) 2 和熟料中的k 2 0 、n a 2 0 的存在， 所以液相p h 值可达n 1 2 5 , - - , 1 3 5 。通常情况下，混凝土中的钢筋总是处于钝化状 态，不发生腐蚀。但是混凝土如果发生碳化反应： c a ( o h ) 2 + c 0 2 - - c a t 0 3 + h 2 0 ( 1 ) 会使其碱度下降，破坏钢筋表面的钝化膜，一旦钢筋发生腐蚀，钢筋表面锈蚀膨 胀，进而引起混凝土结构的被坏。 钢筋表面的钝化膜还可能由侵蚀性离子的进入而被破坏，并导致钢材发生腐 蚀。破坏钝化膜最常见的侵蚀性粒子是c l 。【”】。其进入混凝土的氯盐主要来源于： ( 1 ) 由原材料( 如砂、石、水、外加剂) 带入，这是浇筑混凝土时掺进的， 其 含量不随时间而变化。 ( 2 ) 使用环境中浸入的氯离子( 如海洋环境的构筑物、沿海码头、盐碱地域、 道路桥梁冬季使用化冰盐、混凝土使用海砂或使用氯气杀菌灭藻超标的自来水、 以及应用含氯外加剂等) ，其含量随时间的而变化。 氯化物的腐蚀作用，首先是其容易溶解于水中，形成电解质溶液并降低水的 欧姆电阻，使之易于形成回路，有利于钢铁在溶液中形成腐蚀微电池。其次是氯 第一章绪论 离子容易破坏金属钝化膜，使裸露的金属部分成为小阳极，钝化膜覆盖部分成为 大阴极，这样大阴极，小阳极，加速阳极失去电子而溶解，造成点蚀。最后是氯 离子的阳极去极化作用或催化腐蚀作用，它使金属阳极不断遭受腐蚀，而本身却 并不消耗。其反应历程如下： 屁一2 口专凡2 + ( 2 ) ( 2 ) 式表示阳极溶解腐蚀。 忍2 + + 2 c 一一凡c 如 ( 3 ) 屁+ 3 a 一一凡a 3( 4 ) ( 3 ) 、( 4 ) 式表示氯离子阳极去极化作用。 凡a 2 + 2 皿d f e ( o h ) 2 + 2 h c i ( 5 ) 凡观+ 3 0jf e ( o h ) 3 + 3 h c l ( 6 ) ( 5 ) 、( 6 ) 式表示氯化物的水解再生过程。 f e ( o h ) 2 一f e o + 吼o ( 7 ) 2 f e ( o h ) 3 寸f e 2 0 3 + 3 h 2 0( 8 ) ( 7 ) 、( 8 ) 式表示腐蚀产物脱水后形成铁锈【1 1 1 。由上可知，c 1 可以与o h 。相竞 争，吸附在金属氧化层表面，加速局部溶解，由于其本身并不消耗，能对钢筋的 局部腐蚀起到催化作用。 另外，很多文献报道，在孔蚀形成和发展的早期阶段，在腐蚀孔的口部，有 腐蚀产物的覆盖【2 7 ，3 1 ，3 2 1 。腐蚀产物积累所形成的腐蚀孔覆盖壳，在孔蚀的发展 过程中起着重要的作用。它通过阻隔腐蚀孔内与孔外的离子传输而使得孔内形成 低p h 、高氯离子浓度的环境。由于有覆盖壳阻碍物质传输，而氯离子尺寸很小 可以通过覆盖壳的多孔结构进入孔内，使孔内溶液氯离子浓度升高。而孔内的溶 解和水解过程使孔内溶液p h 降低，从而促进了孔蚀的发展。 众所周知，钢筋的局部耐腐蚀性能与其微观组成结构紧密相关【3 3 1 因此，对 钢筋混凝土结构局部腐蚀行为的研究，应该以钢筋的微观组成结构为基础。从文 献中可以看到，很多研究者，通过使用扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p yo ro p t i c a lm i c r o s c o p y ) 等技术，已经对钢筋的组成结构有了较多的了解 第一章绪论 【3 3 3 5 1 。同过对碳钢和不锈钢局部腐蚀的研究表明，金属中的某些夹杂物，特别是 m n s ，是引起孔蚀发生的首要影响因素【3 6 3 9 1 。在钢筋表面的某些缺陷位置，如 m n s 夹杂物上，钝化膜更容易受到c l 。的攻击。 1 2 工具钢局部腐蚀的研究 1 2 1 工具钢的种类及应用 工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。根据用途不同，工具钢可分为刃具 用钢、模具围钢和量具用钢。按化学成分不同，工具钢又可分为碳素工具钢、合 金工具钢和高速钢。 各类工具钢由于工作条件和用途不同，所以对性能的要求也不同。但各类工 具钢除具有各自的特殊性能之外，在使用性能及工艺性能上也有许多共同的要 求。 ( 1 ) 硬度 工具钢制成工具经热处理后具有足够高的硬度，如用于金属切削加工的工具 一般在h r c 6 0 以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所产生高温的受热条件 下，仍能保持高的硬度和良好的红硬性。碳素工具钢和合金工具钢一般在1 8 0 - 2 5 0 c 、高速工具钢在6 0 0 左右的工作温度下，仍能保持较高的硬度。红硬性 对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。 ( 2 ) 耐磨性 工具钢具有良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力。工具在承受相当大的压力和 摩擦力的条件下，仍能保持其形状和尺寸不变。 ( 3 ) 强度和韧性 工具钢具有一定的强度和韧性，使工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动 和弯曲等复杂的应力，以保证工具的正常使用。 ( 4 ) 其他性能 由于各种工具的工作条件不同，工具用钢还具有一些其他性能，如模具用钢 还应具有一定的高温力学性能、热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能等。 工具钢除了具有上述使用性能外，还应具有良好的工艺性能。 ( 1 ) 加工性 工具钢应具有良好的热压力加工性能和机械加工性能，才能保证工具的制造 第一章绪论 和使用。钢的加工性取决于化学成分、组织的质量。 ( 2 ) 淬火温度范围 工具钢的淬火温度应足够宽，以减少过热的可能性。 ( 3 ) 淬硬性和淬透性 淬硬性是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分 特别是碳含量有关，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。 淬透性表示钢在淬火后从表面到内部的硬度分布状况。淬透性的高低与钢的 化学成分、纯洁度、晶粒度有关。 根据用于制造不同的工具，对这两种性能各有一定的要求。 ( 4 ) 脱碳敏感性 工具表面发生脱碳，将使表面层硬度降低，因此要求工钢的脱碳敏感性低。 在相同的加条件下，钢的脱碳敏感性取决于其化学成分。 ( 5 ) 热处理变形性 工具在热处理时，要求其尺寸和外形稳定。 ( 6 ) 耐削性 对于很多制造刀具和量具用钢。要求具有良好的磨削性。钢的磨削性与其化 学成分有关，特别是钒含量，如果钒质量分数不小于o 5 0 则磨削性变坏。 在化学成分上，为了使工具钢尤其是刀具钢具有高的硬度，通常都使其含有 较高的碳( 含碳量为0 6 5 1 5 5 ) ，以保证淬火后获得高碳马氏体、从而得 到高的硬度和切断抗力，这对减少和防止工具损坏是有利的。此外，高的合碳量 还可以形成足够数量的碳化物以保证高的耐磨性、所加入的合金元素主要是使钢 具有高硬度和高耐磨性的一些碳化物形成元素如c r 、w 、m o 、v 等。有时也加 入m n 和s i ，其目的主要是增加钢的淬透性以达到减少钢在热处理时的变形，同 时增加钢回火稳定性。对于切削速度较高的刃具常加入较多的w 、m o 、v 、c o 等合金元素，以提高钢的红硬性。 1 2 2 刃具工具钢的腐蚀及危害 当刀具在切削时，如同将刀具置于复杂的介质中，既可能有造成刀具机械擦 伤的硬质点，又可能有引发刀具发生化学腐蚀的介质，还有促进刀具材料和工件 材料相互作用的切削温度、切削力和环境状态。因此，刀具的使用过程，实质是 第一章绪论 刀具与工件材料发生机械、热和化学腐蚀作用的过程、刀具的金属材料不断消失 逐渐磨损变钝的过程。实际使用中，常常会由于刀具磨损变钝，造成工件切削报 废，使得切削过程不得不中断。这也增加换刀磨刀的次数和机床的启动频率，降 低了机床的使用效率。因此提高刀具抗磨、耐腐蚀性能具有重要的实际价值。 尤其用于肉类制品加工的刀具h 们，如果刀具不耐腐蚀，具有对肉质有接触污 染作用，因此对人体健康产生很大隐患。有人误认为加工肉类时，肉中带油，肉 刀总是铮亮的，不会有生锈问题。其实肉质中含有成分复杂的生物组织液，对金 属材料来讲，是一种强腐蚀环境，并且在肉类制品加工过程中，往往还要添加一 些调味品，使得刀具的工作环境更加复杂，一般以均匀磨损及腐蚀磨损为主。所 谓刃具工具钢的耐蚀性，从健康角度出发，就是要求腐蚀速度控制到最小的程度。 肉刀材料被腐蚀后，其腐蚀产物无疑会掺杂到肉食品中。可以想象，如果刀体耐 蚀性差，不仅损伤刀体使用寿命，更重要的是增加了食肉中的腐蚀产物的量，这 当然对人体是不利的。因此肉类加工用刀应该使用具有良好的耐腐蚀性能的工具 钢。 1 3 本文设想和目的 1 钢筋混凝土体系的腐蚀 混凝土中钢筋腐蚀与保护的研究，是关系到钢筋混凝土结构耐久性的重大 问题。深入研究钢筋的腐蚀机理，探明钢筋微观组成结构对钢筋腐蚀的联系，对 进一步认识混凝土中钢筋的腐蚀规律和发展、钢筋的保护方法等具有重要的理论 意义和实用价值。 本文拟选择模拟混凝土孔隙液为介质，以建筑用r 2 3 5 光圆钢筋作为研究对 象，应用原位、非原位实验技术相结合的方法，研究钢筋的微观组成结构、各结 构特征的腐蚀倾向性，及其对钢筋腐蚀行为的影响。从而揭示钢筋的微观结构与 局部腐蚀行为的关联性，以及局部腐蚀的机理。主要研究内容和目的如下： ( 1 ) 用光学显微镜及s e m e d s 等技术对浸蚀后的钢筋表面进行金相观察、成 分分析，探明钢筋的组成结构。 ( 2 ) 应用开尔文扫描探针技术，测量钢筋表面v o l t a 电位的分布，估测钢筋表 面的各微观组成结构的腐蚀倾向。 ( 3 ) 应用电化学交流阻抗技术，测试混凝土孔隙模拟液的p h 值和c l 。浓度对钢 第一章绪论 筋的腐蚀行为的影响。并应用动电位极化法测试钢筋阳极极化曲线，从极化曲线 的形状和击穿电位的变化判断不同p h 值和c l 浓度对钢筋表面钝化膜形成和破裂 的影响。 ( 4 ) 应用光学显微镜和具有更高空间分辨率的原子力显微镜，对钢筋在混凝 土孔隙模拟液中进行原位观察，探明钢筋局部腐蚀的发生、发展过程，以及局部 腐蚀的发生位置与钢筋的微观结构之间的关系。 2 工具钢腐蚀行为的研究 工具钢是一种重要刃具材料，提高钢的耐腐蚀性不仅可以提高生产效率、还 可以延长刀具的使用寿命，降低应用成本。尤其对于于食品行业所用的刀具，从 食品卫生的角度，刀具用材的耐腐蚀性还关系到人体健康。因此刃具工具钢腐蚀 行为的研究具有重要的现实意义 本文拟使用瑞典u d d e h o l mt o o l i n g 公司提供的两种刃具工具钢作为研究对象，以 n a c i 溶液为介质。通过开尔文扫描探针技术，对工具表面v o l t a 电位分布进行测 量，根据所得数据，绘制表面粒子的电位差随尺寸的变化趋势图，研究工具钢的 组成结构的均一性及腐蚀倾向性。应用开路电位测量、电化学阻抗技术和动电位 极化等电化学方法，结合原子力显微镜原位测量，研究工具钢的耐蚀性及腐蚀行 为。 第一章绪论 参考文献 【l 】 【2 】 【3 】 【4 】 5 】 【6 】 【7 】 【8 】 【9 】 1 0 】 【1 l 】 【1 2 】 【1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 【1 6 】 【1 7 】 李芳桥梁钢筋混凝土构件防护叨全面腐蚀控制，2 0 0 6 ，2 0 ：4 5 4 7 胡融刚钢筋混凝土体系腐蚀过程的电化学研究【d 】厦门：厦门大学，2 0 0 4 路新瀛电学和电化学技术与混凝土耐久性【j 】混凝水泥制品土与，1 9 9 8 ，4 ：1 0 1 3 j eb r o o m f i e l d t h eu s eo fp e r m a n e n tc o r r o s i o nm o n i t o r i n gi nn e wa n de x i s t i n g r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s 【j 】c e m e n t & c o n c r e t ec o m p o s i t e s ，2 0 0 2 ，2 4 ：2 7 3 4 常保全混凝土中钢筋锈蚀的检测技术【j 】建筑技术开发，2 0 0 1 ，2 6 ：4 4 4 8 唐明述2 l 世纪水泥混凝土的发展远景【j 】中国建材，1 9 9 8 ，3 6 3 8 李东旭从可持续发展战略看水泥工业的发展方向【j 】材料科学与工程，2 0 0 0 ，1 8 ： 9 8 1 0 2 洪定海混凝土中钢筋的腐蚀与保护【m 】北京：中国铁道出版杜， 中国腐蚀与防腐学会主编腐蚀科学预防腐蚀工程新进展【m 】北京：化学工程出 版社，1 9 9 9 金伟良混凝土结构的耐久性【m 】北京：科学出版社，2 0 0 2 蔡应桃混凝土的腐蚀与防护【j 】全面腐蚀与防护，2 0 0 1 ，1 5 ：3 8 - 4 2 c l p a g e t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc e m e n t so nc h l o r i d e i n d u c e dc o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n gs t e e l 【j 】c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h ，1 9 8 6 ，1 6 ：7 9 - 8 6 a m o r a g u e s e q u i l i b r i ao ft h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o no ft h ec o n c r e t ep o r es o l u t i o n 1 c o m p a r a t i v e s t u d yo fs y n t h e t i ca n de x t r a c t e ds o l u t i o n s 【j 】c e m e n ta n dc o n c r e t e r e s e a r c h ，1 9 8 7 ，1 7 ：1 7 3 18 2 m m o r e n o c o r r o s i o no fr e i n f o r c i n gs t e e li ns i m u l a t e dc o n c r e t ep o r es o l u t i o n se f f e c to f c a r b o n a t i o na n dc h l o r i d ec o n t e n t 【j 】c o r r o s i o ns c i e n c e ，2 0 0 4 ，4 6 ：2 6 8 1 2 6 9 9 s g o n i s y n t h e t i cc o n c r e t ep o r es o l u t i o nc h e m i s t r ya n dr e b a rc o r r o s i o nr a t ei nt h e p r e s e n c eo fc h l o r i d e s 【j 】c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h ，19 9 0 ，2 0 ：5 2 5 - 5 3 9 pg h o d s t h ee f f e c to fc o n c r e t ep o r es o l u t i o nc o m p o s i t i o no nt h eq u a l i t yo fp a s s i v eo x i d e f i l m so nb l a c ks t e e lr e i n f o r c e m e n t 【j 】c e m e n t & c o n c r e t ec o m p o s i t e s ，2 0 0 9 ，31 ：2 一l l d j a n s t i c e t h ep o r es o l u t i o np h a s eo fc a r b o n a t e dc e m e n tp a s t e s 【j 】c e m e n ta n d c o n c r e t er e s e a r c h ，2 0 0 5 ，3 5 ：3 7 7 3 8 3 1 0 第一章绪论 【l8 】 m s a r e m i as t u d yo nc h l o r i d e i n d u c e dd e p a s s i v a t i o no fm i l ds t e e li ns i m u l a t e dc o n c r e t e p o r es o l u t i o n 【j 】c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h , 2 0 0 2 ，3 2 ：1 9 1 5 - 1 9 2 1 19 1 f s c h m i d t am e t h o df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h ec h e m i c a l - c o m p o s i t i o no ft h ec o n c r e t e p o r es o l u t i o n j 】c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h ，1 9 9 3 ，2 3 ：1 1 5 9 - 1 1 6 8 【2 0 】 k a n d e r s s o n c h e m i c a l c o m p o s i t i o no fc e m e n tp o r es o l u t i o n s j 】c e m e n ta n d c o n c r e t er e s e a r c h ，19 8 9 ，19 ：3 2 7 3 3 2 【21 】c l p a g e p o r es o l u t i o nc o m p o s i t i o na n dc h l o r i d eb i n d i n gc a p a c i t yo fs i l i c a - f u m e c e m e n tp a s t e s 【j 】m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ，1 9 8 3 ，1 6 ：1 9 2 5 【2 2 】gb l a n c o e i ss t u d yo fp a s s i v a t i o no fa u s t e n i t i ca n dd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s r e i n f o r c e m e n t si ns i m u l a t e dp o r es o l u t i o n s 【j 】c e m e n t & c o n c r e t ec o m p o s i t e s ，2 0 0 6 ，2 8 ： 2 1 2 2 1 9 【2 3 】 c m o n t i c e l l i as t u d yo nc o r r o s i o ni n h i b i t o r sf o rc o n c r e t ea p p l i c a t i o n 【j 】c e m e n ta n d c o n c r e t er e s e