南海大气环境中耐候钢微观界面的初期腐蚀行为及机理

Atmospheric corrosion of materials in the south China sea results in substantial economic losses in the society. In previous studies, it is evident that the heterogeneity of an alloy and inclusions will affect the corrosion initiation and corrosion products evolution. Essentially, most corrosion processes are initiated at grain boundaries, phase boundaries and the interfaces between inclusions and the substrate. Therefore, it is significant to investigate the initial corrosion mechanism of different micro-interfaces in the atmospheric environment of south China sea. In this project, weathering steels will be exposed to simulated atmospheric corrosion system with high temperature, high humidity and NaCl. By means of a variety of surface-sensitive techniques such as scanning electron microscopy with x-ray microanalysis (SEM/EDS) and atomic force microscopy (AFM), the influence of ferrite grain boundary, ferrite/cementite phase boundary and the interfaces between inclusions and the substrate on corrosion initiation and corrosion products evolution will be elucidated. Subsequently, by in-situ electrochemical scanning system, the micro-galvanic effects of different microstructure of weathering steel will be clarified and also currency density, local impedance and corrosion rate in the initial corrosion process will be evaluated. Furthermore, a model for describing the initial corrosion behavior of different micro-interfaces of weathering steels in the atmospheric environment of south China sea will be established and the influence mechanism will be determined.

南海大气环境中金属材料的腐蚀给社会经济带来极大损失。申请者通过前期研究发现，金属材料的多相微观结构及夹杂物都能触发初期局部腐蚀并影响长期腐蚀产物的发展，而不同晶粒间的晶界、不同相间的相界以及夹杂物与基体间的界面则是局部腐蚀引发的关键位置。因此，在南海的高湿热及高盐量的大气环境中，明确不同微观界面的初期腐蚀机理十分必要。本项目以耐候钢为研究对象，模拟南海大气环境，利用电子扫描电镜/能谱分析仪和原子力显微镜等高灵敏分析测试仪器，研究铁素体晶界、铁素体/渗碳体相界以及氧化和硫化夹杂物/基体界面的初期腐蚀引发规律以及对后期腐蚀产物发展的影响趋势。其次，利用原位微区扫描电化学测试系统，明确耐候钢微观结构的微电偶分布规律，探究其初期腐蚀过程中的电流密度分布、局部阻抗及腐蚀速率等电化学特征参数。进而，比较南海大气环境中耐候钢的不同微观界面的初期腐蚀演化规律，建立其耦合作用模型并明确其影响机制。

南海环境中金属材料的腐蚀给社会经济带来极大损失。金属材料的晶界、相界以及夹杂物/基体界面是局部腐蚀引发的关键位置。本项目以采用铝/锆钛脱氧方式以及加入铌/稀土作为微合金元素的耐候钢为研究对象，模拟南海环境，利用电子扫描电镜/能谱分析仪和扫描微区电化学系统等高灵敏分析测试仪器，结合第一性原理计算，研究了铁素体晶界、铁素体/渗碳体相界以及氧化和硫化夹杂物/基体界面的初期腐蚀引发规律以及对后期腐蚀产物发展的影响趋势。结果表明：海洋环境中耐候钢中夹杂物对于局部腐蚀的引发起着重要作用。稀土微合金钢中夹杂物的主要成分为活性较高的稀土氧硫化物，在腐蚀环境中易于优先溶解，从而抑制基体进一步的腐蚀。铌微合金钢中夹杂物主要成分为活性较低的氧化铝或氧化钛锆，较基体更为稳定，腐蚀过程中夹杂物/基体界面优先发生溶解，形成微缝隙，随后引发自催化酸化反应，加速基体腐蚀的发展。因此稀土微合金钢相对铌微合金钢显示出更好的耐腐蚀性能。同时，在铁素体/珠光体金相组织中，珠光体易于优先腐蚀，原因是珠光体中的铁素体/渗碳体呈片层结构，其中铁素体较渗碳体不稳定，产生局部溶解，从而引发初期腐蚀。此外，利用第一性原理计算方法，计算了铁素体、渗碳体和不同夹杂物等微观结构的低指数界面的功函数和表面能，可以获得与实验结果相一致的腐蚀倾向。最终建立了南海环境中耐候钢中不同微观界面的耦合腐蚀机制模型并明确了其影响机制。