專利名稱：：一種氣體環(huán)境中薄液膜下金屬腐蝕行為測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬材料大氣腐蝕行為測試方法，尤其涉及一種氣體環(huán)境中薄液膜下金屬材料的腐蝕測試方法。
背景技術(shù)：
：材料大氣腐蝕是最普遍存在的腐蝕類型，它是大氣環(huán)境諸多因素在材料表面綜合作用的結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計材料因大氣腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占總腐蝕損失的半以上。材料在大氣中的腐蝕性受環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度和大氣中所含的污染物S02、Cl—、C02、N0X等。隨著社會的不斷進步，經(jīng)濟和工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境狀況越來越惡劣，大氣污染日益嚴重。汽車釋放的尾氣、工業(yè)產(chǎn)生的廢氣使大氣中302、0)2的含量不斷升高。這些氣體濃度的升高加劇了材料在大氣中使用時產(chǎn)生的腐蝕，縮短了材料的使用壽命。金屬材料在大氣中的腐蝕實質(zhì)上是發(fā)生在薄液膜下的電化學(xué)腐蝕，與浸在電解液中的腐蝕過程有所區(qū)別，它涉及發(fā)生在大氣/薄液膜/金屬界面的化學(xué)、電化學(xué)過程，薄液膜的厚度對腐蝕速度和腐蝕過程具有重要影響。通過室外掛片或加速試驗的方法測試材料的腐蝕速率、分析腐蝕產(chǎn)物和觀察表面形貌仍然是目前常用的研究金屬材料腐蝕行為的手段，但這些方法大部分情況下都是非原位的，對試驗過程中的許多重要的變化缺乏原位監(jiān)測跟蹤，無法得到腐蝕過程的動態(tài)行為。電化學(xué)方法可以很好地解決這些問題，它能夠更加直接深入和更真實的反應(yīng)腐蝕的本質(zhì)，同時能得到腐蝕過程的部分動力學(xué)參數(shù)，目前主要的大氣腐蝕電化學(xué)原位研究方法主要有大氣腐蝕監(jiān)測電池ACM、Kelvin探頭參比電極技術(shù)以及參比電極前置和后置式三電極測試方法，但它們都不能對薄液膜的厚度進行精確設(shè)置和穩(wěn)定控制。因此必須針對薄液膜下金屬材料腐蝕的特點建立污染氣體環(huán)境中薄液膜下金屬材料腐蝕行為的測試方法，從而長期有效的監(jiān)測金屬在薄液膜下的電化學(xué)腐蝕過程，從而對薄液膜下金屬材料的大氣腐蝕本質(zhì)機理進行系統(tǒng)深入的試驗研究和理論分析，有效地指導(dǎo)大氣環(huán)境中金屬材料的腐蝕預(yù)測，控制其在大氣環(huán)境下的腐蝕速度，延長使用壽命，促進腐蝕與防護學(xué)科的發(fā)展，推動資源節(jié)約型社會的建設(shè)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種氣體環(huán)境中薄液膜下金屬材料的腐蝕測試方法，該測試方法通過通入不同腐蝕氣體、精確設(shè)置和控制薄液膜厚度，獲得金屬材料在不同大氣環(huán)境中和不同薄液膜厚度下的腐蝕電化學(xué)行為和機理。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，其特征是方法步驟為①圓柱體金屬試樣一端焊接上銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂封裝，另一端與環(huán)氧樹脂齊平并固定在有機玻璃腐蝕實驗箱底部，輔助電極鉑絲環(huán)繞在金屬試樣周圍，腐蝕實驗箱放置在水平臺上，向腐蝕實驗箱中注入水溶液，為了保證溶液能均勻充滿防水透氣膜和金屬試樣間的間隙，必須使金屬試樣周圍的溶液高于防水透氣膜的高度；②飽和甘汞參比電極放置在金屬試樣一側(cè)的溶液中，為使腐蝕實驗箱有良好的密封性，所有連接電極的導(dǎo)線穿透腐蝕實驗箱所形成小孔均采用玻璃膠密封；③設(shè)置和調(diào)節(jié)金屬試樣與薄液膜控制裝置底部防水透氣膜間的厚度，此即為薄液膜的厚度；④利用腐蝕氣體生成系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕氣體并通入溶液中；⑤腐蝕實驗箱中的三電極通過導(dǎo)線連接電化學(xué)工作站實現(xiàn)對金屬材料腐蝕過程的電化學(xué)監(jiān)測，實驗過程中必須始終通入腐蝕氣體以保證腐蝕氣體的濃度；⑥進行極化或交流阻抗測試，運用計算機收集所獲得的數(shù)據(jù)，得到該薄液膜厚度下金屬腐蝕的電化學(xué)參數(shù)。在不妨礙薄液膜和環(huán)境氣體交換的條件下，連續(xù)且精確地控制金屬材料表面薄液膜的厚度，該方法可以觀察各種厚度薄液膜下金屬材料表面在不同環(huán)境中的腐蝕過程并進行監(jiān)測。本發(fā)明的優(yōu)點是適用于所有的金屬材料，解決了難于精確設(shè)置和控制液膜厚度的難點，薄液膜厚度控制精度可達到±0.5ym，測試時具有很好的穩(wěn)定性。通過獲得腐蝕電流密度、極限擴散電流密度、極化電阻等電化學(xué)參數(shù)，探索不同腐蝕氣體和不同薄液膜厚度條件下金屬材料的腐蝕過程。圖1為本發(fā)明氣體環(huán)境中薄液膜下腐蝕測試裝置圖。圖2為本發(fā)明碳鋼在不同厚度含體積分數(shù)5X10—6S02薄液膜下的極化曲線。圖3為本發(fā)明碳鋼在含體積分數(shù)5X10—6S02和薄液膜厚度在60i！m下腐蝕不同時間的Nyquist和Bode圖。圖4為本發(fā)明在含體積分數(shù)5X10—6S02和薄液膜厚度在60iim下碳鋼/電解液界面的等效電路。在圖中，1、腐蝕氣體生成系統(tǒng)2、腐蝕實驗箱3、電化學(xué)工作站4、薄液膜控制裝置5、金屬試樣6、參比電極7、輔助電極具體實施例方式測試裝置由四部分組成腐蝕氣體生成系統(tǒng)1、腐蝕實驗箱2、薄液膜控制裝置4、電化學(xué)工作站3;腐蝕實驗箱2采用有機玻璃制成，主要目的是防止腐蝕氣體溢出并保持腐蝕氣體濃度在實驗要求的范圍內(nèi)；三電極和薄液膜厚度控制系統(tǒng)置于腐蝕實驗箱2內(nèi)；薄液膜控制裝置4由托架和固定在托架段端而上的防水透氣膜組成，托架上有3根活動的支柱，測試時必須調(diào)整托架上的3根支柱頂端到防水透氣膜的垂直距離到要求的長度，再將托架放在被測金屬試樣5朝上端面的正上方，則支柱頂端到防水透氣膜的垂直距離即為薄液膜的厚度。防水透氣膜能起到阻隔液體但保證氣體通過的作用，因此測試過程中不妨礙薄液膜和環(huán)境氣體的交換，又能使薄液膜的厚度具有很好的穩(wěn)定性，參比電極6和輔助電極7分別連接電化學(xué)工作站3。實驗材料為20#碳鋼，試樣尺寸為01Ommx5mm。設(shè)置薄液膜厚度后，利用微量腐蝕氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生的S02與一定流量的空氣混合后形成含體積分數(shù)為5X10—6的S02大氣通入腐蝕實驗箱中，三電極通過導(dǎo)線連接電化學(xué)工作站，進行極化和交流阻抗測試。(1)電化學(xué)極化測試薄液膜厚度分別為20iim、40ym、60ym、80ym、100ym。在開路電位被監(jiān)測直到電位穩(wěn)定后，以20mV/min的速度進行動電位極化曲線測量。自腐蝕電位E。。rr、腐蝕電流密度i。。rr及以極限電流密度i^見表l。測試的極化曲線見圖2。碳鋼在S02薄液膜下的陰極極化曲線可以分為2個區(qū)域，區(qū)域I是自腐蝕電位附近的電化學(xué)活化控制區(qū)(弱極化區(qū))，區(qū)域II是在較負電位下氧的擴散控制區(qū)。薄液膜下的陰極極化曲線與標準的擴散控制的陰極極化曲線間存在著偏離，表現(xiàn)為氧的還原電流在極限區(qū)隨陰極過電位的增大而增大，表明陰極過程是由電荷傳遞和物質(zhì)擴散混合控制的。當薄液膜厚度為60m時，碳鋼的自腐蝕電位E。。最負，腐蝕電流密度i。。達到最大，薄液膜厚度減薄或增厚，自腐蝕電位E。，正移，腐蝕電流密度i。，均減小。這說明碳鋼在含S02薄液膜中當液膜厚度為60m時腐蝕速度最大。極限擴散電流密度隨薄液膜厚度的減小而呈增大的趨勢。表1碳鋼在不同厚度含體積分數(shù)5X10—6S02薄液膜下的極化參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>(2)交流阻抗測試交流阻抗測試頻率范圍為0.01105Hz，擾動信號幅值為5mV。薄液膜厚度為60iim，測試時間為lh、12h、36h。測試結(jié)果見圖3。Nyquist圖出現(xiàn)兩個容抗弧和一個Warburg阻抗弧。在低頻出現(xiàn)的Warburg阻抗表明薄液膜下的反應(yīng)由電荷傳遞和物質(zhì)擴散共同控制。等效電路如圖4，其中Rs為研究電極和參比電極之間的溶液電阻，R。t為電荷傳遞電阻，Q是常相角元件，Rp和C分別為高頻弧的電阻和等效電容元件，Zw為Warburg阻抗。由于腐蝕產(chǎn)物隨著反應(yīng)的進行慢慢在電極表面堆積，所以等效電路中電容采用常相位角(Q)代替。交流阻抗參數(shù)見表2。表2在60iim含體積分數(shù)5X10—6S02薄液膜下EIS參數(shù)隨時間的變化<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>采用電荷傳遞電阻R。t的倒數(shù)1/R。t來表征腐蝕速率。碳鋼在含體積分數(shù)為5X10—6S02薄液膜下，隨著腐蝕的進行，電荷傳遞電阻增大，腐蝕速率行減小的趨勢，這是由于電極表面不斷有腐蝕產(chǎn)物的生成，腐蝕產(chǎn)物阻礙了離子的擴散，導(dǎo)致腐蝕速率降低。權(quán)利要求一種氣體環(huán)境中薄液膜下金屬腐蝕行為測試方法，其特征是方法步驟為①圓柱體金屬試樣一端焊接上銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂封裝，另一端與環(huán)氧樹脂齊平并固定在有機玻璃腐蝕實驗箱底部，輔助電極鉑絲環(huán)繞在金屬試樣周圍，腐蝕實驗箱放置在水平臺上，向腐蝕實驗箱中注入水溶液，為了保證溶液能均勻充滿防水透氣膜和金屬試樣間的間隙，必須使金屬試樣周圍的溶液高于防水透氣膜的高度；②飽和甘汞參比電極放置在金屬試樣一側(cè)的溶液中，為使腐蝕實驗箱有良好的密封性，所有連接電極的導(dǎo)線穿透腐蝕實驗箱所形成小孔均采用玻璃膠密封；③設(shè)置和調(diào)節(jié)金屬試樣與薄液膜控制裝置底部防水透氣膜間的厚度，此即為薄液膜的厚度；④利用腐蝕氣體生成系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕氣體并通入溶液中；⑤腐蝕實驗箱中的三電極通過導(dǎo)線連接電化學(xué)工作站實現(xiàn)對金屬材料腐蝕過程的電化學(xué)監(jiān)測，實驗過程中必須始終通入腐蝕氣體以保證腐蝕氣體的濃度；⑥進行極化或交流阻抗測試，運用計算機收集所獲得的數(shù)據(jù)，得到該薄液膜厚度下金屬腐蝕的電化學(xué)參數(shù)。全文摘要一種氣體環(huán)境中薄液膜下金屬腐蝕行為測試方法，其特征是方法步驟為①圓柱體金屬試樣一端焊接上銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹脂封裝；②所有連接電極的導(dǎo)線穿透腐蝕實驗箱所形成小孔均采用玻璃膠密封；③設(shè)置和調(diào)節(jié)金屬試樣與薄液膜厚度控制裝置底部防水透氣膜間的厚度；④利用腐蝕氣體生成系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕氣體并通入溶液中；⑤實驗過程中必須始終通入腐蝕氣體以保證腐蝕氣體的濃度；⑥得到該薄液膜厚度下金屬腐蝕的電化學(xué)參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點是解決了難于精確設(shè)置和控制液膜厚度的難點，薄液膜厚度控制精度可達到±0.5μm，測試時具有很好的穩(wěn)定性。文檔編號G01N17/02GK101788454SQ20101012626公開日2010年7月28日申請日期2010年3月17日優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日發(fā)明者林翠,洪昕培申請人:南昌航空大學(xué)