不锈钢材料的热带海洋大气环境加速试验方法与流程

1.本发明涉及电子产品性能评价领域，特别是涉及一种不锈钢材料的热带海洋大气适应性评价方法。


背景技术：

2.不锈钢具有良好的耐腐蚀性能以及加工成型性能，已被广泛地应用于建筑、石油、化工和食品等领域。近些年来，在航空航天工业产品上，不少用结构钢制造的零件，有逐步被各类不锈钢代替的趋势。随着航空装备向着长寿命、高安全性的方向发展，采用不锈钢制作航空装备某些重要零部件已成为主要的发展趋势。不锈钢良好的耐腐蚀性能是由于其在腐蚀环境下能形成致密稳定的钝化膜。然而，当不锈钢在南海岛礁海洋大气环境下应用时，由于南海岛礁海洋大气环境的高盐雾、高温度、高湿度及强太阳辐射的影响，不锈钢表面的钝化膜很容易发生破裂，并引起严重的局部腐蚀。
3.研究不锈钢在大气环境下的腐蚀行为主要有两种，自然暴晒试验以及试验室腐蚀加速试验。自然暴晒试验具有数据真实可靠，能获得测试不锈钢在真实应用环境下的腐蚀行为等优点，但自然暴晒试验具有试验周期长，试验成本高，不易满足新的不锈钢材料高速发展的试验要求，不易分析某单一环境因素对不锈钢腐蚀行为的影响，试验的重现性低等缺点。试验室腐蚀加速试验具有试验周期短、试验成本相对较低、能研究某单一环境因素对不锈钢腐蚀行为的影响，重现性高等优点，能快速地对不锈钢的大气腐蚀行为进行评测和预测，研究腐蚀机理，为选择合适的防护方法提供依据。大量研究表明，不同的大气环境下对不锈钢的腐蚀速率、腐蚀形貌以及腐蚀产物相差很大，因此，亟待开发一种不锈钢材料的热带海洋大气环境加速试验方法。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的主要目的是提供一种不锈钢材料的热带海洋大气加速环境试验方法。该方法综合考虑热带海洋大气环境中的大量环境因素，可快速、有效评价热带自然环境对不锈钢材料的影响。
5.本发明提供一种不锈钢材料的热带海洋大气环境加速试验方法，该方法包括：对所述不锈钢材料进行循环测试；
6.其中，所述循环测试包括依次交替进行的盐雾试验以及太阳辐射试验；
7.在各次盐雾试验中，采用盐雾溶液中氯离子浓度为2.9％～3.6％，盐雾试验温度为45℃～55℃；
8.所述不锈钢材料中铬元素的质量百分数为10.5％～20％，碳元素的质量百分数为0.02％～1％。
9.在其中一个实施例中，所述不锈钢材料，以重量百分数计，组成包括：0.02％～1％的碳、0.5％～1.3％的硅、0.5％～1.3％的锰、0.01％～0.05％的磷、0.01％～0.05％的硫、10.5％～20％的铬、1％～8％的镍、1％～8％的铜以及余量的铁。
10.在其中一个实施例中，所述盐雾试验的次数为25～40次，所述太阳辐射试验的次数为25～40次。
11.在其中一个实施例中，在各次盐雾试验中，所述盐雾溶液的ph值为2.5～3.5，盐雾沉降量为(1.0～2.0)ml/(80cm2·
h)。
12.在其中一个实施例中，所述盐雾溶液中氯离子浓度为3.1％～3.5％。
13.在其中一个实施例中，在各次盐雾试验中，盐雾试验时间为13小时～16小时。
14.在其中一个实施例中，在各次太阳辐射试验中，辐照度为1100w/m2～1160w/m2。
15.在其中一个实施例中，辐照度为1100w/m2～1140w/m2。
16.在其中一个实施例中，在各次太阳辐射试验中，太阳辐射试验温度为45℃～60℃，太阳辐射试验时间为7.5小时～11小时。
17.在其中一个实施例中，在进行循环测试前，还包括对所述不锈钢材料进行打磨、清洗以及干燥的步骤。
18.提炼热带海洋大气环境中环境影响因素，针对上述特定组分的不锈钢材料，通过采用盐雾试验-太阳辐射组合试验并循环测试的方式，能够很好的模拟高盐雾、高温度、高湿度及强太阳辐射等热带海洋大气环境，通过综合考虑海洋气候大气环境温度变化以及材料表面热效应，确定了盐雾试验的温度以及氯离子的含量对不锈钢材料的腐蚀影响以及加速效果的影响。上述试验方法针对热带海洋大气环境综合考虑大量环境因素，可快速、有效评价热带自然环境对不锈钢材料的影响以及预测不锈钢材料在模拟热带海洋大气环境下的腐蚀行为。还可以进一步地，研究不锈钢材料在上述环境下的腐蚀机理，便于为不锈钢材料在热带海洋大气环境下进行相关的腐蚀防护设计以及腐蚀定寿。
附图说明
19.图1为实施例1加速试验后试样的表面宏观形貌，其中(a)为3天表面宏观形貌，(b)为9天表面宏观形貌，(c)为18天表面宏观形貌，(d)为36天表面宏观形貌，(e)为54天表面宏观形貌，(f)为72天表面宏观形貌；
20.图2为对比例1自然暴晒试验后试样的表面宏观形貌，其中(a)为30天表面宏观形貌，(b)为90天表面宏观形貌，(c)为180天表面宏观形貌，(d)为360天表面宏观形貌；
21.图3为对比例2加速试验后试样的表面宏观形貌，其中(a)为3天表面宏观形貌，(b)为9天表面宏观形貌，(c)为18天表面宏观形貌，(d)为36天表面宏观形貌，(e)为54天表面宏观形貌，(f)为72天表面宏观形貌；
22.图4为实施例1加速试验后试样的电化学测试结果，其中，(a)为电化学阻抗谱图，(b)为动电位极化曲线图；
23.图5为对比例1自然暴晒试验后试样的电化学测试结果，其中，(a)为电化学阻抗谱图，(b)为动电位极化曲线图；
24.图6为对比例2加速试验后试样的电化学测试结果，其中，(a)为电化学阻抗谱图，(b)为动电位极化曲线图。
具体实施方式
25.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中
给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
27.本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
28.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.本发明提供一种不锈钢材料的热带海洋大气环境加速试验方法，该方法包括：对不锈钢材料进行循环测试，其中，循环测试包括依次交替进行的盐雾试验以及太阳辐射试验，在各次盐雾试验中，采用盐雾溶液中氯离子浓度为2.9％～3.6％，盐雾试验温度为45℃～55℃，不锈钢材料中铬元素的质量百分数为10.5％～20％，碳元素的质量百分数为0.02％～1％。
31.进一步地，盐雾试验中，试验温度可以但不限于是45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃或55℃。
32.可以理解地，盐雾溶液中氯离子浓度优选为3.1％～3.5％，具体地，上述氯离子浓度可以但不限于是3.1％、3.2％、3.3％、3.4％或3.5％。
33.根据gb/t20878-2007中定义不锈钢是以不锈以及蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5％，碳含量最大不超过1.2％的钢。其中钢是对含碳量质量百分比介于0.02％至2.11％之间的铁碳合金的统称。
34.在一个具体示例中，上述不锈钢材料，以重量百分数计，原料组成包括：0.02％～1％的碳、0.5％～1.3％的硅、0.5％～1.3％的锰、0.01％～0.05％的磷、0.01％～0.05％的硫、10.5％～20％的铬、1％～8％的镍、1％～8％的铜以及余量的铁。
35.优选地，上述不锈钢材料，以重量百分数计，由包括以下元素组成：0.02％～1％的碳、0.5％～1.3％的硅、0.5％～1.3％的锰、0.01％～0.05％的磷、0.01％～0.05％的硫、10.5％～20％的铬、1％～8％的镍以及1％～8％的铜。
36.在一个具体示例中，循环测试的次数为50～80次。
37.可以理解地上述循环测试次数优选为60次～80次，具体地循环次数可以但不限于是60次、62次、64次、66次、68次、70次、72次、74次、76次、78次或80次。
38.在一个具体示例中，盐雾试验的次数为25～40次，太阳辐射试验的次数为25～40次。
39.在一个具体示例中，盐雾试验中，采用盐雾溶液中氯离子浓度为2.9％～3.3％，盐雾溶液的ph值为2.5～3.5，盐雾沉降量为(1.0～2.0)ml/80cm2·
h。
40.优选地，盐雾溶液的ph值可以但不限于是2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4或3.5。
41.需要说明的是，由于盐雾试验中对盐雾溶液的ph值以及氯离子均有限定，可以先通过加入盐酸进行ph调节，在加入氯酸盐进行氯离子调节，可以理解地，氯酸盐可以但不限于是氯酸钾、氯酸钠或氯酸镁。
42.综合考虑到金属容易发生闭塞电池腐蚀，即受腐蚀产物和氧气扩散的影响，蚀孔底部诱发产生酸溶液以加速腐蚀，因此进一步配合ph调节以及盐雾溶液中对氯离子含量对金属腐蚀的影响，设计相应加速试验的实验条件。
43.在一个具体示例中，盐雾试验中，试验时间为13小时～16小时。
44.更进一步地，盐雾试验中，试验时间可以但不限于是13小时、14小时、14.5小时、15小时或16小时。
45.在一个具体示例中，太阳辐射试验中，辐照度为1100w/m2～1160w/m2。
46.在一个具体示例中，辐照度为1100w/m2～1140w/m2。
47.进一步地，辐照度可以但不限于是1100w/m2、1110w/m2、1120w/m2、1130w/m2或1140w/m2。
48.在一个具体示例中，太阳辐射试验中，试验温度为45℃～60℃，试验时间为7.5小时～11小时
49.进一步地，太阳辐射试验中，试验温度可以但不限于是45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃。
50.更进一步地，太阳辐射试验中，试验时间可以但不限于是7.5小时、8小时、8.5小时、9小时、9.5小时、10小时、10.5小时或11小时。
51.上述太阳辐照试验中
52.上述加速试验中盐雾试验以及太阳辐照试验中对试验温度的限定不仅考虑到环境因素，还进一步考虑到不锈钢材料表面温度会大大偏离大气环境温度的表面热效应。
53.在一个具体示例中，在进行循环测试前，还包括对不锈钢材料进行打磨、清洗以及干燥的步骤。
54.可以理解地，上述打磨的方式可以但不限于是用砂纸进行打磨。
55.优选地，依次使用240目、400目、600目、800目以及1000目砂纸逐级打磨。
56.进一步地，对不锈钢清洗的方式可以但不限于是利用有机溶剂进行擦洗或是超声清洗中的至少一种，优选地，清洗方式为利用乙醇进行擦洗。
57.本发明提炼热带海洋大气环境中环境影响因素，针对上述特定组分的不锈钢材料，通过采用盐雾试验-太阳辐射组合试验并循环测试的方式，能够很好的模拟高盐雾、高
温度、高湿度及强太阳辐射等热带海洋大气环境，通过综合考虑海洋气候大气环境温度变化以及材料表面热效应，确定了盐雾试验的温度以及氯离子的含量对不锈钢材料的腐蚀影响以及加速效果的影响。上述试验方法针对热带海洋大气环境综合考虑大量环境因素，可快速、有效评价热带自然环境对不锈钢材料的影响以及预测不锈钢材料在模拟热带海洋大气环境下的腐蚀行为。还可以进一步地，研究不锈钢材料在上述环境下的腐蚀机理，便于为不锈钢材料在热带海洋大气环境下进行相关的腐蚀防护设计以及腐蚀定寿。
58.以下提供具体的实施例对本发明的不锈钢材料的热带海洋大气环境加速试验方法作进一步详细地说明。以下具体实施方式所涉及到的原料，若无特殊说明，均可来源于市售。
59.实施例1
60.本实施例提供的不锈钢材料为17-4ph不锈钢，其化学成分为以重量百分数计，由以下元素组成：0.05％的碳、0.9％的硅、0.9％的锰、0.02％的磷、0.02％的硫、16.5％的铬、4％的镍、4％的铜以及余量的铁。
61.(1)对不锈钢材料的表面依次使用240目、400目、600目、800目以及1000目砂纸逐级打磨，所有试样经酒精擦洗后进行脱水，随即置于干燥器中。
62.(2)盐雾试验：
63.盐雾试验温度为50℃，盐雾溶液为ph值为3，氯离子含量高达2.034％的改型astm-d1141人工海水模拟液，额外添加nacl的方法，使盐雾溶液中氯离子的质量分数达到3.4％，盐雾沉降率为1.0～2.0ml/80cm2·
h.，试验时间为14.5h。
64.(3)太阳辐射试验：
65.试验温度为49℃，太阳辐射试验辐照度为1120w/m2，试验时间为9.5h。
66.试验室腐蚀加速试验循环次数为72次，盐雾试验36次，太阳辐照实验36次。
67.对比例1
68.本对比例提供的是南海岛礁自然暴晒试验在西沙试验站进行，西沙试验站位于海南省三沙市永兴岛，该试验站距海岸线30m、海拔4.9m、年平均温度为27.5℃、年平均相对湿度82％、年平均降雨总量为1950mm、平均风速为4.5m/s、年日照时数为2700h、年总辐射量为6850mj/m2、年平均cl-沉降率为1.123mg/100cm2·
d。
69.对比例2
70.本对比例提供的不锈钢材料为17-4ph不锈钢，其化学成分为以重量百分数计，由以下元素组成：0.05％的碳、0.9％的硅、0.9％的锰、0.02％的磷、0.02％的硫、16.5％的铬、4％的镍、4％的铜以及余量的铁。
71.(1)对不锈钢材料的表面依次使用240目、400目、600目、800目以及1000目砂纸逐级打磨，所有试样经酒精擦洗后进行脱水，随即置于干燥器中。
72.(2)盐雾试验：
73.盐雾试验温度为50℃，盐雾溶液为ph值为7，氯离子含量为2.034％的改型astm-d1141人工海水模拟液，额外添加nacl的方法，使盐雾溶液中氯离子的质量分数达到3.4％，盐雾沉降率为1.0～2.0ml/80cm2·
h.，试验时间为14.5h。
74.(3)太阳辐射试验：
75.试验温度为49℃，太阳辐射试验辐照度为1120w/m2，试验时间为9.5h。
76.试验室腐蚀加速试验循环次数为72次，盐雾试验36次，太阳辐照实验36次。
77.测试过程以及结果分析
78.相关性的确定
79.相关性的确定主要数学评价与机理分析相结合的方法
80.。数学评价通过pearson积距相关系数法。机理分析是指分析两种试验条件下试样的宏观形貌及电化学动力学等。数学评价-pearson积距相关系数法度量两个变量x和y之间的相关性(线性相关)，其值介于-1与1之间，该系数广泛用于度量两个变量之间的相关程度。计算步骤如下：
[0081][0082]
式中，cov(x,y)代表两个连续变量(x,y)之间的协方差，σ
x
σy代表它们各自标准差的乘积；p
(x,y)
是两组数列的pearson相关系数，反映的事两组数据的关联性大小，该系数的取值宗室在-1.0～1.0之间，接近0的变量被称为无相关性，接近1或者-1被称为具有强相关性。
[0083]
机理分析
[0084]
对试验后腐蚀形貌、电化学动力学进行分析，辅助数学评价结果，确定失效机理的基本一致性。
[0085]
加速当量的确定
[0086]
不锈钢在热带海洋大气试验和加速试验作用下，电荷转移电阻与试验时间遵循幂函数的变化规律，因此可以对自然暴晒试验以及加速试验后不锈钢的电荷转移电阻进行逆幂函数模型拟合，
[0087][0088]
为自然暴晒试验后不锈钢的电荷转移电阻幂函数拟合公式，
[0089][0090]
为加速试验后不锈钢的电荷转移电阻逆幂函数拟合公式，
[0091]
a(t)＝d1(t)/d2(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0092]
为当时间为t时的加速当量。
[0093]
对实施例1以及对比例2中经过加速试验试样的宏观形貌、电化学阻抗谱及动电位极化曲线进行测试。其中，电化学测试时，采用传统的三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，20mm
×
20mm的pt电极为辅助电极，测试试样为工作电极，其工作面积为10cm2。电化学阻抗测试扰动电压为20mv，扫描频率范围100khz～0.01hz。动电位极化测试的扫描速率为0.5mv
·
s-1
，电压扫描范围(vs ocp)为-0.5v～1.5v。测试溶液为质量分数为5％的nacl溶液。
[0094]
为验证试验的有效性，使用本发明加速试验与南海岛礁自然暴晒环境的试验结果进行对比分析。南海岛礁自然暴晒试验在西沙试验站进行，西沙试验站位于海南省三沙市永兴岛，该试验站距海岸线30m、海拔4.9m、年平均温度为27.5℃、年平均相对湿度82％、年
平均降雨总量为1950mm、平均风速为4.5m/s、年日照时数为2700h、年总辐射量为6850mj/m2、年平均cl-沉降率为1.123mg/100cm2·
d，具有典型高温、高湿、高盐雾、强太阳辐射的热带海洋性气候特点。图1-图3分别为17-4ph不锈钢在实施例1条件下实验室腐蚀加速试验、南海岛礁大气环境自然暴晒以及对比例2条件下实验室腐蚀加速试验的宏观形貌图。由图中可以看出，17-4ph不锈钢无论是在自然暴晒试验还是在实施例1试验室腐蚀加速试验中，其主要的腐蚀形式为局部腐蚀，两种试验下17-4ph不锈钢的腐蚀发展过程大体一致，即在试验的早期，不锈钢表面就有明显的腐蚀发生，表面出现了黄褐色锈点，没有发生腐蚀的区域还有金属的光泽。随着试验的不断进行，17-4ph不锈钢帮表面的锈点数量越来越多，没有发生腐蚀的区域逐渐失去了金属原有的光泽。图4-图6分别为17-4ph不锈钢实施例1条件下实验室腐蚀加速试验、南海岛礁大气环境自然暴晒以及对比例2条件下实验室腐蚀加速试验的电化学阻抗谱和动电位极化图。由图中可以看出，无论是在自然暴晒试验还是在实施例1条件下实验室腐蚀加速试验，17-4ph不锈钢的电化学阻抗及动电位极化图都表现出大体相同的变化趋势，即阻抗谱中阻抗圆半径随着试验的进行不断变大，动电位极化曲线图中的点蚀电位随着试验的进行逐渐变正，这说明了17-4ph不锈钢表面产生的锈层具有较好的耐蚀性能。采用pearson积距相关系数法计算不锈钢在该发明加速谱及对比加速谱的相关系数，其相关系数分别为0.98及0.79。通过公式(2)～(4)求得该实施例1加速谱及对比例1加速谱的加速当量其加速当量分别为4.56及0.31。
[0095]
通过上述的实施例1可知，本发明提供的加速试验具有很好的模拟性，针对上述特定组分的不锈钢材料，提炼热带海洋大气环境中环境影响因素，通过采用盐雾试验-太阳辐射组合试验并循环测试的方式，能够很好的模拟高盐雾、高温度、高湿度及强太阳辐射等热带海洋大气环境，上述试验方法综合考虑热带海洋大气环境中的大量环境因素，可快速、有效评价热带自然环境对不锈钢材料的影响以及预测不锈钢材料在模拟热带海洋大气环境下的腐蚀行为。得到的锈层宏观形貌和电化学特征与自然暴晒试验的结果有很强的相似性。本发明可用来研究不锈钢在南海岛礁海洋大气环境下的腐蚀行为，能快速地对不锈钢的大气腐蚀进行评价和预测，研究腐蚀机理，为选择合适的防护方法提供依据。还可以进一步地，研究不锈钢材料在上述环境下的腐蚀机理，便于为不锈钢材料在热带海洋大气环境下进行相关的腐蚀防护设计以及腐蚀定寿。
[0096]
上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0097]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑地分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。