海洋环境下不锈钢的腐蚀与磨损性能研究

论文摘要

随着经济和技术的快速发展,人们对于海洋的依赖越来越大,对于海洋资源的探索和采集的投入也越来越多。先进的海洋设备可以极大的提高海洋资源开采和利用的效率,但海洋设备的腐蚀与磨损以及其复杂的交互作用往往会影响海洋装备的可靠性和工作效率,因此,对于海洋材料在载荷、流体和腐蚀条件下的耦合摩擦学行为的研究极具实际意义。本文以不锈钢金属的钝化膜为切入点,系统的研究了不锈钢钝化膜的生长情况,并以此为基础,讨论海洋常见的不锈钢金属316L和304的腐蚀与磨损的交互作用。本文首先对316L不锈钢和304不锈钢在不同恒电位下进行了腐蚀电流、表面阻抗等电化学测试,两种材料表现出极为相似的电化学性能,当加载的恒电位在不锈钢的钝化区间时,随着电压的增大,极化电阻增大,腐蚀电流减小,当加载的恒电位超过破顿化电位时,极化电阻会下降,腐蚀电流则大幅度增加。接着,从微观层面上印证了电化学参数的变化,通过扫描电镜（SEM）等手段观察表面形貌,结果表明,316L和304不锈钢表面存在一层薄薄的钝化膜,且钝化膜会随着电位的增加呈现一种生长的趋势,钝化膜由稀疏逐渐变得致密,当电位超过其破钝化电位时,材料表面会发生点蚀。最后,从化学机理上解释了钝化膜的变化,将试验样品进行EDS和XRD等成分测量,发现不锈钢表面钝化膜主要是由Cr的三价氧化物和Fe的二价、三价氧化物组成的络合物,且在钝化区间,随着电位的增加,不锈钢材料表面Cr元素的含量也随之增加,钝化膜致密区域的Cr元素含量要高于稀疏区域的含量。在此基础上,通过自制的腐蚀磨损试验机进行腐蚀磨损试验,测量了两种不锈钢金属在磨损时的开路电位、极化曲线、恒电位电流等电化学参数,依据ASTM G199-09标准,对腐蚀磨损进行了具体的计算,最后比较分析了316L和304两种不锈钢材料的电化学性能和腐蚀磨损性能。开路电位结果表明,动态时的开路电位比静态时降低了240 mV360 mV,说明磨损可以促进腐蚀。恒电位的腐蚀磨损试验结果表明,随着恒电位的增加,不锈钢的腐蚀磨损损失总量也随之增加,但都要远大于纯磨损量,说明腐蚀促进了磨损。极化曲线测试结果表明,在磨损时,不锈钢材料也会同静态时有接近的极化曲线,阳极会有极化区、钝化区和析氧区,且动态时的钝化区是旧的钝化膜不断被破坏和新的钝化膜持续的生成达成的动态的平衡。据ASTM G199-09标准,对腐蚀磨损中总损失量T、磨损量WC、腐蚀量CW、纯磨损量W0、纯腐蚀量C0、腐蚀对磨损的促进量ΔWC、磨损对腐蚀的促进量ΔCW和磨损腐蚀的交互作用S进行了计算,结果表明,磨损会极大的促进腐蚀,在磨损条件下,腐蚀速率会增加一到两个数量级,同时腐蚀也会极大的促进磨损,提高不锈钢材料43.7%57.1%的磨损速率。在整个腐蚀磨损过程中,机械磨损占主要部分,约为94.8%97.7%。316L不锈钢材料的抗腐蚀性能要优于304不锈钢,在载荷为0.25 MPa和0.5 MPa,304不锈钢的磨损腐蚀性能要优于316L不锈钢,但在载荷为0.75 MPa时,304不锈钢的磨损腐蚀性能比316L不锈钢差。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 金属材料在海洋中的腐蚀研究现状

1.2.2 金属材料在海洋中的磨损研究现状

1.2.3 金属材料腐蚀与磨损交互作用研究现状

1.3 论文选题来源

1.4 研究的主要内容

第2章试验设备及分析方法

2.1 试验设备

2.1.1 电化学工作站

2.1.2 摩擦磨损试验机

2.1.3 自制的腐蚀磨损试验机

2.2 试样制备

2.2.1 静态腐蚀试验试样制备

2.2.2 腐蚀磨损试验试样制备

2.3 电化学分析

2.3.1 开路电位分析

2.3.2 腐蚀电流分析

2.3.3 极化阻抗分析

2.3.4 极化曲线分析

2.3.5 电化学测试系统

2.4 磨损腐蚀计算方法

2.5 表面分析

2.5.1 表面形貌分析

2.5.2 磨损体积计算方法

2.6 成分分析

2.6.1 XRD图谱分析

2.6.2 EDS能谱分析

2.7 本章小结

第3章电化学试验及分析结果

3.1 电化学试验

3.1.1 试验材料及仪器

3.1.2 具体试验方案

3.2 316 L电化学性能分析

3.2.1 阻抗分析

3.2.2 腐蚀电流分析

3.2.3 表面分析

3.2.4 XRD表面成分分析

3.2.5 能谱分析

3.3 304 电化学性能分析

3.3.1 阻抗分析

3.3.2 腐蚀电流分析

3.3.3 表面分析

3.3.4 XRD表面成分分析

3.3.5 能谱分析

3.4 316 L和304 电化学性能比较

3.5 本章小结

第4章磨损腐蚀试验及分析

4.1 腐蚀磨损试验

4.1.1 试验材料及仪器

4.1.2 试验方案

4.2 316 L磨损腐蚀性能分析

4.2.1 不同压强下开路电位分析

4.2.2 不同压强下极化曲线分析

4.2.3 电压对腐蚀磨损的影响

4.2.4 腐蚀磨损的交互作用

4.3 304 腐蚀磨损性能分析

4.3.1 不同压强下开路电位分析

4.3.2 不同压强下极化曲线分析

4.3.3 电压对磨损腐蚀的影响

4.3.4 腐蚀磨损交互作用研究

4.4 316 L和304 腐蚀磨损性能比较

4.5 本章小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 彭适之

导师: 白秀琴

关键词: 不锈钢金属,磨损,腐蚀,交互作用

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,金属学及金属工艺

单位: 武汉理工大学

基金: 国家自然科学基金优秀青年基金项目,船舶摩擦学的基础问题(编号:514222507)

分类号: TG172;P75

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.001428

总页数: 84

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