毕业论文-钢板桩钢耐海水腐蚀及暴晒性能研究【完稿】 23424.doc
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1、本科毕业论文题目:钢板桩钢耐海水腐蚀及暴晒性能研究学 院:材料与冶金学院专 业:金属材料工程学 号:200602127073学生姓名:黄 进指导教师:袁泽喜日 期:2010年6月3日武汉科技大学本科毕业论文摘 要 钢板桩钢具有良好的耐海水腐蚀性能,这是由于在钢的表面生成了致密的保护性内锈层。耐蚀钢在海水环境下的耐蚀性能下降,是因为海水中的Cl-使钢的表面不能形成致密的内锈层,锈层起不到保护作用的结果。本文通过干湿交替周浸试验来模拟海水环境下钢板桩钢的腐蚀行为,通过扫描电镜、能谱仪和动电位极化曲线等分析测试方法,观察锈层表面形貌和截面形貌,分析合金元素截面分布和锈层的相组成,并测试表面无锈层的低
2、合金钢的电化学性能,计算腐蚀速率,从而讨论合金元素对海水耐蚀性能的影响。主要获得以下的主要结论:在基体成分钢的基础上添加高含量的P(0.082%)使得钢的耐海水腐蚀性能有所升高,加入含量比较高的Cu(0.40%)、Ni(0.11%)和Cr(0.21%)也提高了钢的耐蚀性。其组织为多边形铁素体和块状珠光体及粒状贝氏体。周浸试验240h后的高P钢的腐蚀速率最小。在腐蚀时间较短时,锈层表面主要由黄褐色及橘黄色锈层组成;随时间延长,试样表面主要由黑褐色的锈层组成,并出现明显的腐蚀坑。随腐蚀时间的延长,实验钢的腐蚀速率均是先快速增大到一定时间后,腐蚀速率减小。合金元素的含量对锈层成分影响不大,其主要腐蚀
3、产物为Fe3O4、-FeOOH和-FeOOH组成。在本论文所选用的试验参数条件下,干/湿交替周浸试验能够较好的反映P、Cu元素存在的海水环境条件下钢铁的腐蚀趋势。周浸实验可以作为评价材料耐蚀性的有效手段。关键词: 海水环境; 耐蚀钢; 钢板桩钢; 干/湿交替周浸试验; 锈层Abstract The Sheet piling steels show considerable resistance to seawater corrosion through the formation of a dense and compact inner rust layer, but it is diffic
4、ult to form in seawater environments containing Cl-. The corrosion behavior of sheet piling steels was studied by the wet/dry cyclic contusion tests which are commonly used to simulate the corrosion of the low alloy steels in the seawater environments. The relation among the structure of rust and co
5、rrosion resistance,corrosion rate and the influence of the added alloy elements of P, Cu and Cr were analyzed by potentiodynamic (PD) tests, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrum (EDS). Mainly judgments have received the following main conclusions:In the matrix composition s
6、teel adding high P (0.082%) makes corrosion resistance of the steel increased in seawater, adding the higher content of Cu (0.40%), Ni (0.11%) and Cr (0.21%) also improves corrosion resistance of the steel. The organizations are the polygon ferrites, block pearlites and grainy bainites. After the 24
7、0h cyclic contusion of the contenting high P steel has the smallest corrosion rate. The beginning of corrosion, the rust layer surface is mainly brown and orange; with developing of the time, the surface of specimens are mainly composed of dark brown rust, and appear the discernible corrosion pits.
8、With the extension of time for corrosion, the corrosion rates of the experiment steels quickly grow to a certain time, then the corrosion rates decrease. Elements of content have little effect on the rust layer composition, the main corrosion products are Fe3O4, - FeOOH and -FeOOH. The results of th
9、e cyclic wet/dry test could indicate the tendency in the seawater environment containing P and Cu. The cyclic wet/dry test could be used for evaluating the corrosion resistance of the steel.Key Words: Seawater environment; Corrosion resisting steels; Sheet piling steels; Cyclic wet/dry test; Rust目 录
10、1 文献综述11.1 钢板桩钢的简介11.1.1 钢板桩钢的发展历史11.1.2 钢板桩钢的发展前景21.1.3 国内外最新研究进展21.2 钢的海水腐蚀机制31.2.1 海水的特性31.2.2 海水腐蚀的电化学过程41.3 低合金钢的耐蚀性51.3.1 低合金钢的性能51.3.2 合金元素的作用51.4 耐蚀钢锈层结构及影响因素71.4.1 锈层的构成71.4.2 环境因素的影响81.4.3 元素对锈层的影响91.5 海水腐蚀的实验研究方法91.5.1 海水腐蚀的室内加速试验方法91.5.2 海水腐蚀电化学研究方法111.5.3 其它研究方法111.6 本论文的研究内容及意义112 实验研究
11、方法132.1 实验材料132.2 实验设备132.3 实验方法142.3.1 金相组织观察142.3.2 EBSD试样的制备142.3.3 测量极化曲线142.3.4 周浸试验153 实验结果与分析163.1 金相组织分析163.2 实验钢的极化曲线分析173.3 周浸试验结果与分析183.3.1 失重试验结果及分析183.3.2 腐蚀宏观形貌分析193.3.3 腐蚀微观形貌分析223.4 锈层微观截面分析264 全文总结28参考文献29致 谢31III1 文献综述1.1 钢板桩钢的简介耐海水腐蚀的钢板桩钢是为了应用于潮流发电、海水发电、海水温差发电设备及海滨大型跨海桥梁、与海洋开发相关的海
12、底容器、用于资源开发的各种大型海洋构件以及造船用钢等领域而开发的一类低合金工程结构钢。它具有独特的优良性能:高强度、轻型、隔水性能好、耐久性强等,使用寿命达到2050年,可重复使用,一般可使用35次,环保效果显著。承载力强,自身结构轻,钢板桩构成的连续墙体具有很高的强度与刚性。水密性好,钢板桩连接处锁口结合紧密,可自然防渗1。1.1.1 钢板桩钢的发展历史钢板桩钢于20世纪初在欧洲开始生产。1903年,日本首次通过进口在三井本馆的挡土施工中采用,基于钢板桩钢特殊的使用性能,1923年,日本在关东大震灾修复工程中大量进口采用。由于钢板桩钢具有较大的市场潜力和发展前景,1931年,日本在国内开始生
13、产,钢板桩钢起始有冷弯薄壁轻型和热轧型,由于前者具有较大的加工、使用局限性,因而热轧钢板桩钢成为钢板桩产品发展的主流。20世纪50年代,我国首次在铁路桥梁围堰施工中,由铁道部大桥局从原苏联引进使用。由于受廉价土地资源及人力资源的影响,加之国内生产基本处于空白状态,作为金属建材的钢板桩钢,在我国的应用与发展仍然十分缓慢。随着我国经济的快速发展,各类快捷、高效、环保的建筑工法得以认可并发展,20世纪末,我国的钢板桩钢应用工程已有一定的发展。毫无疑问,21世纪上半叶,钢板桩钢的广泛应用必将开创中国水工及基础施工建筑领域的新纪元,成就中国建筑工业的新革命。由于历史的原因,目前我国的钢板桩钢年消耗量还不
14、到1万吨,只占世界的三百分之一,与我国钢铁总量占世界三分之一的消费总量极不相称。随着中国工业化进程的发展,钢板桩钢在国内的应用是越来越频繁,需求量在不断增长。但同时处于刚起步的钢板桩钢行业无论是生产工艺、技术标准、行业规范都处于摸索阶段,存在很多不足和值得探索的地方。目前,国内需求主要依靠进口,其中以拉森III、IV号钢板桩钢为主。同时,国内没有钢板桩钢的统一标准以及相关行业的规范等没有形成完整体系,使得国内钢板桩的推广应用受到很大程度上制约。 差距就是潜力,中国目前钢板桩钢的应用与推广与几年前中国的H型钢应用与推广的市场形势有着相当大的雷同。据调研,未来的1020年中我国的水域改造及临江靠海
15、地区的基础建设将为钢板桩钢应用提供了广阔的空间。 1.1.2 钢板桩钢的发展前景随着我国经济的快速发展,各类快捷、高效、环保的建筑工法得以认可并发展。据市场业内人士调研,我国的水域改造及临江靠海地区的基础建设为钢板桩钢的应用提供了广阔的空间。具体说南水北调及国家在交通工程上投人的加大,必将掀起江河流域甚至跨海大桥建设的高潮,这必将对未来钢板桩钢市场提供强有力支撑。据报道今后在长江上还需建造70座桥梁,四川宜宾以下长江干流河段已建和在建的桥梁达到了54座。理论上计算,长江上还需建大约70座桥梁,才能让国家的高速公路网、沿江省区的高等级公路网发挥出应有效益。目前,长江上已建和在建桥梁以重庆市最多,
16、共计20座2。总之,随着我国经济建设的持续发展,根据我国的地域、地质结构具有U型钢板桩钢的特殊性和广泛性,预见在未来10年内,我国将具备年消耗3040万吨的钢板桩能力,钢板桩市场前景十分广阔。可以预见,21世纪上半叶钢板桩的广泛应用,必将开创中国水利工程建设及基础施工建筑领域的新纪元,钢板桩钢的大力推广应用,将给中国建筑施工领域带来一次新的革命。1.1.3 国内外最新研究进展国外对耐海水环境腐蚀的钢板桩钢的研究始于20世纪30年代,其中最为活跃的国家是美国和日本。美国自1946年开始致力于对具有耐飞溅区腐蚀性能的耐海水用钢板桩钢进行了开发。在耐蚀性、经济性等方面更详细地研究了NiCuP系的低合
17、金钢,于1951年诞生了Mariner钢,其在飞溅区比普通钢具有优秀的耐蚀性。日本从经济性、焊接性及耐蚀性等方面对耐海水腐蚀钢进行了改进,为了抑制生产成本的提高,把高价的添加元素Ni替换为Cr;为了进一步提高耐蚀性,考虑了NiCuP或Cr以外的其它合金元素,如添加A1、Co、Mo、Nb、Ti等;为了扩大钢板桩或者钢桩以外的使用领域,着重提高焊接性及可加工性能,形成了具有自身特色的CuCrP、CuCrA1一P、CuCrMo等系列耐海水腐蚀钢3。我国从1965年起对16种耐海水腐蚀钢在东海、南海和北海3个海域进行为期10年的试验评估,发现在海水中CrMoA1钢和CrMoA1一RE钢具有良好的全浸耐
18、蚀性。国内生产的低合金耐海水腐蚀钢基本上是引进了国外成熟的钢种牌号,主要有:CuPNi系Mariner(美国);CrCuMo系的Mariloy(日本);CrAl系的APS(法国)。宝钢一期工程从日本新日铁引进了Mariloy G41和Mariloy$50耐海水腐蚀钢。钢板桩钢有冷弯薄壁轻型和热轧型,由于前者有较大的加工、使用局限性,因而,热轧钢板桩钢成为钢板桩产品发展的主流。为进一步改进钢材在海洋环境飞溅带的耐腐蚀性能及可焊性,宝钢技术中心在充分借鉴日本耐海水腐蚀钢成分特点的基础上,通过优化调整化学成分及合理采用热轧轧制工艺技术,成功开发出了具有优良耐海水腐蚀及焊接性能的耐海水腐蚀钢种Q345
19、CNHY3,现已于东海洋山港深水码头工程取得了良好的应用实绩。此外前人对钢板桩钢中加入一些合金元素可以更进一步的提高其耐蚀性,增强钢板桩钢的使用寿命。海内外材料科研工作者对耐蚀钢的研制和发展进行了大量研究,取得了许多成果,但很多方面的研究还缺少系统性。海水大气腐蚀的防护工作还有很多方面不能尽如人意。此外由于耐蚀钢的价格较高,在市场竞争中依旧处于劣势,这些都给耐蚀钢的开发和使用带来了很大困难4-6。 1.2 钢的海水腐蚀机制 海洋约占地球表面积的十分之七。海水是自然界中数量最大,而且还具很强腐蚀性的天然电解质。近年来海洋开发受到普遍重视,各种海上运输工具、各种类型的舰艇、海上采油平台、开采和水下
20、输送及储存设备、海岸设施等不断增加,工业的发展使沿岸的污染增加,腐蚀问题也更为突出。所以研究和解决金属材料的海水腐蚀问题,对于发展我国海运和海洋开发,以及海军现代化建设具有重要意义。1.2.1 海水的特性 海水中溶有大量的氯化钠为主的盐类,人们常把海水近似地看作为3%或3.5%的NaCl溶液。海水中含盐量用盐度或氯度来表示。盐度是指1000g海水中溶解的固体盐类物质的总克数,而氯度是表示1000g海水中的氯离子克数,常用百分数或千分数作单位。通常先测定海水的氯度(Cl),然后用经验公式推算得到盐度(S)值,公式如下:S=1.80655Cl正常海水的盐度一般在32%到37.5%之间变化,通常取盐
21、度35(相对的氯度为19)作为海洋中海水的盐度的平均值。海水中的氧含量是海水腐蚀的主要因素。在海面正常情况下,海水表面层被空气饱和。表1-1为海水在标准大气压空气饱和下的溶氧量,氧的浓度随水温变化大体在(510)10-6范围内变化7。表1-1 海水在标准大气压空气饱和下的溶氧量氯度()05101520盐度()09.0618.0827.1136.11010203014.611.39.27.713.310.78.77.312.810.08.26.811.99.47.86.411.08.77.25.41.2.2 海水腐蚀的电化学过程海水既然是典型的电解质,因此电化学腐蚀的基本规律对于海水腐蚀是适用的
22、。但从海水的特性出发,海水腐蚀的电化学过程也必然具有一系列特征8:(1) 海水腐蚀的阳极极化阻滞对于大多数金属(例如铁、钢、锌、铜等)是很有用的。海水腐蚀是由于海水中的氯离子等卤素离子能阻碍和破坏金属的钝化,其破坏方式有:a) 破坏氧化膜:氯离子对氧化膜的渗透破坏作用以及对胶状保护膜的解胶破坏作用。b) 吸附作用:氯离子比某些钝化剂更容易吸附。c) 电场效应:氯离子在金属表面易形成络合物,加速了金属的阳极溶解,氯络合物的水解进一步降低了PH值。以上所有这些作用都能减少阳极极化阻滞,因此海水中的金属腐蚀速度相当大。但是近年来对耐海水钢的锈层分析表明,在钢中适当和适量的加入某些元素能形成致密、连续
23、、粘附性好的锈层结构,提高低合金钢的耐海水腐蚀性能。由于氯离子破坏钝化膜,所以不锈钢在海水中也遭到严重的局部腐蚀。只有极少数易钝化金属,如钛、锆、铌、钽等才能在海水中保持钝态,具有显著的阳极阻滞。(2)海水腐蚀是氧化极化过程,它是腐蚀反应的控制性环节。在海水的PH条件下,析氢反应的平衡电位约为-0.48V。Pb、Zn、Cu、Ag和Au等金属在海水中不会形成析氢腐蚀。Fe在PH=8.8,Cr在PH=10.9以内虽有可能进行析氢反应,其速度也是很缓慢的。海水中的阴极过程主要是氧去极化:O2+2H2O+4e-4OH-,反应平衡电位约为+0.75V。溶氧的还原反应在Cu、Ag、Ni等金属上比较容易进行
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