专利名称：基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法
技术领域：
本发明属于钢铁材料在大气环境中的腐蚀，特别涉及耐候钢锈层保护性能的评价。
背景技术：
裸钢在大气环境下腐蚀性能主要是依靠表面形成的稳定致密的腐蚀产物层对腐蚀进度的阻碍实现的。目前人们对腐蚀产物层这种阻碍作用的评价主要有失重法、腐蚀产物分析和电化学法。失重法是用清除表面腐蚀产物后的钢的单位面积重量损失或单位面积上减薄量来衡量钢材在某种环境下的腐蚀进度。这是一种评估金属大气腐蚀最简单而且行之有效的宏观分析方法，能够真实反映金属的大气腐蚀动力学。例如文献“超低碳贝氏体高强度钢的 腐蚀性研究”(武汉科技大学学报(自然科学版)[J]，2008，31 (2):127-131)中报道的采用失重法为“超低碳贝氏体高强度钢的耐海水腐蚀能力高于耐海水腐蚀钢CrMoAl”这一实验结果提供了证据；通过观察失重或减薄曲线的斜率，可以判定钢在这种环境中某一时刻腐蚀进度的快慢。当曲线与时间轴近似平行时，腐蚀产物中稳定致密的锈层已经形成，钢的腐蚀过程缓慢发生。这种方法已经得到广泛的应用，各国家也都制定了腐蚀产物清楚的标准，如我国的标准GB/T 16545-1996。腐蚀产物分析法是通过一系列手段分析腐蚀产物的组成和性能来反映其在钢抗腐蚀方面的作用的方法。一般人们都采用扫描电镜显微镜或金相显微镜来观察靠近钢基体的腐蚀产物层的结构和形貌，用XRD或光谱分析腐蚀产物中热力学稳定态物质的含量，用氮吸附考察腐蚀产物颗粒大小来间接反映锈层的致密性。例如，文献“低合金耐候钢在含氯离子环境中的耐腐蚀性能”(材料热处理学报[J]，2008，23(3) :97-98, 101)中报道用红外光谱法分析了暴露2年的碳钢与耐候钢表面锈层。由于钢在大气环境下的腐蚀是电化学腐蚀，所以电化学方法在研究钢腐蚀产物性能上也有其独到之处。人们常采用交流阻抗法计算钢在特定腐蚀溶液中腐蚀产物层的内阻大小，从阻碍电荷交换的能力管理方面来判定钢锈层抗腐蚀能力。如文献“近海大气中耐候钢和碳钢抗腐蚀性能的研究”(材料科学与工程[J]，2001，19(2) :12-15, 25)报道对近海大气中耐候钢和碳钢抗腐蚀性能进行的研究。这些方法都是对锈层现有保护能力的评价，然而，在外界破坏条件下(例如在昼夜温差较大北方，深入耐候钢锈层的露水对锈层的影响)，锈层抵抗能力的评价方法还没有人研究，而此时的锈层抵抗能力有很大的不同，能够更为真实和全面的反映锈层的保护性。
发明内容
为克服上述分析中现有判定钢耐候性的评价手段都忽视了水分的重要作用的不足，本发明提出采用冰冻-解冻相结合的方法来判定锈层致密性的情况，可以真实地反映耐候钢锈层的保护能力，使评价判定结果更加真实可靠。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法，其特征在于，所述判定方法包括如下步骤
步骤I.获取多种待测的带有锈层的耐候钢样品；
步骤2.对所述耐候钢样品进行冰冻-解冻处理，所述冰冻-解冻处理是将所述耐候钢样品浸泡至去离子水中30分钟以上，然后取出，待表面不滴水时放入温度为-10 -20°C的冰柜中冰冻，冰冻时间在I小时以上，然后取出放入20 30°C的干燥箱中干燥，干燥时间在24小时以上；
步骤3.利用扫描电镜观察冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的锈层形貌的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层裂纹变化的影响；
步骤4.室温下，利用电化学工作站测试冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的交流阻抗谱的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层交流阻抗拟合电阻值变化的影响，所述测试在质量分数为O. 5%NaCl的水溶液中进行，交流阻抗谱的测试条件为振幅 10mV，频率范围为I(T2 IO5HZ ；
步骤5.评价所述耐候钢样品锈层的保护能力，其中，经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越少，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越小的耐候钢样品，锈层越致密，保护能力越强；经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越多，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越大的耐候钢样品，锈层越疏松，保护能力越弱。优选地，步骤2中所述冰冻-解冻处理是将所述耐候钢样品浸泡至去离子水中30分钟，然后取出，待表面不滴水时放入温度为_18°C的冰柜中，冰冻时间在I小时，然后取出放入25°C的干燥箱中，干燥时间在24小时。本方法首次利用冰冻与解冻处理对锈层进行评价。耐候钢的锈层中都或多或少的存在宏观缺陷(裂纹、孔洞)和微观缺陷(微孔)。在冰冻的过程中，锈层吸收的水分会因凝固而发生体积膨胀，这会就导致锈层中产生应力，进而使锈层中产生应力导致的裂纹，破坏锈层的完整性。保护性好的致密锈层中由于缺陷较少，冰冻过程对锈层产生的应力较小，并且由于锈层较致密，抵抗应力的能力也较强，因此致密的锈层对冰冻过程造成的破坏有较好的抵抗能力，另外，锈层吸水后，致密锈层比表面积较大，水分被吸附在锈颗粒界面，致使锈层中液态水较少，在冰冻时，这部分吸附在界面上的水并没有结冰发生体积膨胀，因而冰冻-解冻处理对致密锈层的破坏较轻。而疏松锈层对冰冻过程造成的破坏的抵抗能力较弱。本方法就是通过考察锈层在冰冻与解冻过程中的变化来反映锈层中缺陷的多少，从而判定锈层致密性的大小。在我国北方地区，耐候钢的服役也会面临一个问题，即北方冬夜的温度经常在零度以下，昼夜温差较大，导致耐候钢锈层承受反复的霜冻/解冻循环。如果露水深入耐候钢锈层，则霜冻导致的体积膨胀将在锈层中产生应力，从而危害锈层的完整性。所以，本方法也可以作为评价耐候钢在北方冬季服役时的保护性。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
图I为本发明具体实施例中1#和2#试验钢在室内暴晒环境下腐蚀60天后的失重图。图2为本发明具体实施例中1#和2#试验钢在不同的环境下腐蚀60天后的锈层电阻柱状图。图3为本发明具体实施例中1#和2#试验钢在室内+冰冻暴晒环境下腐蚀20天锈层形貌。
具体实施例方式实施例I
本实施例中基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法，包括如下步骤 步骤I.获取多种待测的带有锈层的耐候钢样品； 步骤2.对所述耐候钢样品进行冰冻-解冻处理，所述冰冻-解冻处理是将所述耐候钢样品浸泡至去离子水中30分钟，使锈层吸足水分，然后取出，待表面不滴水时放入温度为-18°C的冰柜中冰冻，冰冻时间在I小时，然后取出放入25°C的干燥箱中干燥，干燥时间在24小时；
在对耐候钢样品进行冰冻-解冻处理时，可以利用对耐候钢样品进行喷淋的方式使耐候钢样品锈层吸足水分，用以代替对耐候钢样品的浸泡；
步骤3.利用扫描电镜观察冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的锈层形貌的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层裂纹变化的影响；
步骤4.室温下，利用电化学工作站测试冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的交流阻抗谱的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层交流阻抗谱拟合电阻值变化的影响，所述测试在质量分数为O. 5%NaCl的水溶液中进行，交流阻抗谱的测试条件为振幅10mV，频率范围为I(T2 IO5HZ ；
步骤5.评价所述耐候钢样品锈层的保护能力，其中，经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越少，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越小的耐候钢样品，锈层越致密，保护能力越强；经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越多，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越大的耐候钢样品，锈层越疏松，保护能力越弱。实施例2
选取铬含量不同，其它成分完全相同的1#，2#两种试验钢(试验钢的成分见表I)
teel |C [Mn [Si |S|P[Cu [Cr [Ni |Bt
* O. 045 0Γ86" O. 32 0! 0052 O. 0055~ O. 48 E 96 O. 37 O. 0014 ~ |θ· 051 |θ· 85 |θ· 33 |θ· 0045 < O. 005 |θ· 48 | · 46 |θ· 36 |θ· 0013
表I试验钢的化学成分(wt%)
从轧态钢板上切取尺寸分别为10 mmX 10 mmX 5 mm和60 mmX 40 mmX 5 mm的试样
进行加速喷淋试验。每种试验钢分为平行的两组，两组样品都放置在试验室内曝晒，曝晒架面向南方与地平线呈45°，有阳光照射，试验期间室内温度保持在26 °C左右，室内平均相对湿度为54 %左右。其中一组试验钢进行冰冻-解冻处理，每天在喷淋半小时后放入温度保持在-18 °C的冰柜中冰冻I小时，然后取出继续曝晒(即室内+冰冻暴晒环境)。另一组试样不进行冰冻-解冻处理，仅进行喷淋和暴晒(即室内暴晒环境)。在曝晒过程中，参考ISOl 1474 :每天早晚对试样喷淋3. 5 % (质量分数)的NaCl水溶液来加速试验钢腐蚀，中午用去离子水清洗试样防止盐分积累。
分别利用失重法和电化学法对试验钢腐蚀60天时的带锈试样进行评价。对室内曝晒环境中腐蚀60天的带锈试样除锈，用于测失重的试样在温度25 °〇的缓蚀剂(100 ml HC1,1. 19 g. πιΓ1 + 20 g Sb2O3 +50 g SnCl2)中浸泡约 10 分钟，除锈后测其重量。通过计算单位面积的失重情况分析试验钢的腐蚀速度。用型号为CHI660C的电化学工作站在室温下测量试验钢分别在即室内+冰冻暴晒环境(即经过冰冻-解冻处理)和室内暴晒环境腐蚀60天时带锈试样的交流阻抗谱，利用电化学交流阻抗谱分析判定锈层的保护性。测试在O. 5 % (质量分数)NaCl水溶液中进行，交流阻抗谱测试条件振幅为10 mV，频率范围10_2 IO5 Hz0扫描电子显微镜观察了曝晒不同时间试样锈层形貌，分析冰冻-解冻循环对锈层的影响。图I为两种试验钢在室内暴晒环境中腐蚀60天时的失重结果，从图中可以看出，1#试验钢失重大于2#钢的失重，可见，2#试验钢的耐腐蚀性能要优于1#试验钢。图2为不同试验钢在室内+冰冻暴晒环境和室内暴晒环境中腐蚀60天的交流阻 抗拟合电阻值。从图中可以看出，不论是对于1#试验钢还是2#试验钢，不同环境下的试样的锈层电阻差异明显，室内暴晒环境下得到的锈层电阻要远大于室内暴晒+冰冻环境下的锈层电阻，这说明冰冻与解冻循环对锈层电阻具有较大的破坏作用。同时可以看出，无论在何种环境下，2#试验钢的锈层电阻要大于1#的，这说明2#试验钢锈层的保护性要好于1#的，这与失重结果也是相吻合的。以上结果表明，冰冻与解冻实验可以很好的用于评价锈层的保护性，与传统的实验结果得到的结论也相同。图3是两种试验钢在室内+冰冻暴晒环境下腐蚀20天锈层形貌。其中，(a)为1#试验钢锈层形貌，(b)为2#试验钢锈层形貌。可以看出，1#试验钢锈层中有大量的裂纹，而2#是试验钢锈层中裂纹较少。这说明2#试验钢锈层较致密，水分难以渗入，冰冻-解冻循环对其影响很小，但1#试验钢锈层致密化较慢，水分仍能渗入，冰冻-解冻循环导致锈层产生较多的裂纹。这与失重结果和电阻结果也符合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下步骤 步骤I.获取多种待测的带有锈层的耐候钢样品； 步骤2.对所述耐候钢样品进行冰冻-解冻处理，所述冰冻-解冻处理是将所述耐候钢样品浸泡至去离子水中30分钟以上，然后取出，待表面不滴水时放入温度为-10 -20°C的冰柜中冰冻I小时以上，然后取出放入20 30°C的干燥箱中干燥24小时以上； 步骤3.利用扫描电镜观察所述冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的锈层形貌的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层裂纹变化的影响； 步骤4.室温下，利用电化学工作站测试冰冻-解冻处理前后所述耐候钢样品的交流阻抗谱的变化，分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层交流阻抗拟合电阻值变化的影响；所述测试在质量分数为O. 5%NaCl的水溶液中进行，交流阻抗谱的测试条件为振幅10mV，频率范围为I(T2 IO5HZ ； 步骤5.评价所述耐候钢样品锈层的保护能力，其中，经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越少，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越小的耐候钢样品，锈层越致密，保护能力越强；经冰冻-解冻处理后所述锈层裂纹增量越多，且所述锈层交流阻抗拟合电阻值变化越大的耐候钢样品，锈层越疏松，保护能力越弱。
2.如权利要求I所述的基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法，其特征在于步骤2中所述冰冻-解冻处理是将所述耐候钢样品浸泡至去离子水中30分钟，然后取出，待表面不滴水时放入温度为_18°C的冰柜中冰冻I小时，然后取出放入25°C的干燥箱中干燥24小时。
全文摘要
本发明提出一种基于冰冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的评价方法，该方法包括1.获取多种待测的带有锈层的耐候钢样品；2.对所述耐候钢样品进行冰冻-解冻处理；3.分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层裂纹变化的影响；4.分析冰冻-解冻处理对每种耐候钢样品锈层交流阻抗拟合电阻值变化的影响；5.评价耐候钢样品锈层保护能力，其中锈层裂纹增量越少，且锈层交流阻抗拟合电阻值变化越小的耐候钢样品保护能力越强；否则，保护能力越弱。本方法考虑到外界破坏性条件，特别是北方寒冷地区锈层抵御霜冻环境的能力，从一个全新的角度来判定耐候钢锈层的致密程度，可以真实地反映耐候钢锈层的保护能力，使判定结果更加真实可靠。
文档编号G01N1/42GK102866104SQ201210317049
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者张旭, 杨善武, 张文华, 贺信莱, 尚成嘉, 王学敏, 郭晖 申请人:北京科技大学