碳钢晶界在弱酸性介质中氧化剂作用下的溶解机制研究

Intergranular corrosion is one of the most common and harmful localized corrosion for metals and alloys. At present, studies involving intergranular corrosion are mainly focused on stainless steels, nickel alloys and aluminum alloys, but there are only few studies about intergranular corrosion of carbon steels. Further, there are no public reports about the dissolution of grain boundary for carbon steel in weak acidic environment containing oxidant. In our previous study, the occurrence of intergranular corrosion and the presence of groove among crystal grains were observed on Q235 carbon steel surface when the steel was polarized in carbon dioxide and nitrite solution. In this work, intergranular corrosion of different carbon steels in a series of weak acidic environment containing oxidant will be studied with electrochemical methods and microscopic analyses in order to reveal the dissolution mechanism of grain boundary for carbon steel and to illuminate the relation between intergranular corrosion and electrochemical characteristic. This work not only can replenish the mechanism of intergranular corrosion for metals and alloys, but also can develop an electrochemical technique to protect metals and alloys from intergranular corrosion.

晶间腐蚀是一种常见的且危害性极大的局部腐蚀，现阶段关于晶间腐蚀的研究主要集中在不锈钢、镍基合金和铝合金上，而对碳钢晶间腐蚀的研究还比较少、同时关于碳钢晶界在弱酸性介质中氧化剂作用下发生溶解的报道还基本没有。申请人在前期的研究中观察到Q235碳钢在二氧化碳和亚硝酸盐共存溶液中阳极极化下发生了晶界腐蚀、晶粒之间出现了深度为纳米级的沟槽。在前期研究的基础上，本项目拟将研究的材料和介质扩宽，采用电化学方法和微观分析手段研究不同种类和牌号的碳钢在一系列含氧化剂弱酸性介质中的晶间腐蚀，包括晶间腐蚀发生的介质条件、详细过程和影响因素，揭示碳钢晶界在弱酸性介质中氧化剂作用下的溶解机制、阐明晶间腐蚀与电化学特征之间的内在关系。本项目的研究不仅对补充晶间腐蚀的机理具有一定的理论意义，同时还对开发晶间腐蚀的电化学保护技术具有重要的现实意义。

本项目以碳钢(Q235、L80、N80和X65)为研究材料、以含氧化剂(NO2-)的酸性溶液(HNO3、HAc、HCl和CO2/H2CO3)为研究环境，围绕“碳钢晶界在弱酸性介质中氧化剂作用下的溶解机制”展开研究，主要的研究内容、重要结果、关键数据和科学意义如下：.研究了空白介质中碳钢在氧化剂作用下的腐蚀和钝化行为。Q235碳钢在NO2-作用下表现出自钝化的电化学特征，钝化膜的主要成分是Fe2O3，NO2-作用的临界浓度为0.01 mol/L；在MoO42-作用下也表现出自钝化的电化学特征，钝化膜的主要成分是Fe2(MoO4)3，MoO42-作用的临界浓度为0.08 mmol/L。.研究了酸性介质中碳钢在NO2-作用下的电化学行为。Q235碳钢在pH 1-4的HNO3-NaNO2溶液和pH 3-6的HAc-NaNO2溶液中表现出A-P-T的电化学特征，在pH 5-6的HNO3-NaNO2溶液中表现出sP-T的电化学特征，在pH 1-2的HCl-NaNO2溶液中表现出A的电化学特征，在pH 3-6的HCl-NaNO2溶液中表现出A-P-P的电化学特征。.研究了酸性介质中碳钢在NO2-作用下活化-钝化转变与晶界溶解的关系。Q235、L80、N80和X65碳钢在HNO3-NaNO2溶液、HAc-NaNO2溶液、HCl-NaNO2溶液和CO2-NaNO2溶液中活化-钝化转变与晶界溶解之间的关系密切，晶界溶解是H+和NO2-共同作用的结果，NO2-促进了晶粒的钝化、H+诱发了晶界的溶解。.研究了酸性介质中碳钢在NO2-作用下晶界溶解的萌生机制。Q235碳钢在HNO3-NaNO2溶液中，晶界溶解萌生于活化-转化转变发生之时、萌生在Si和Mn两种元素含量较高的晶界之处，Si和Mn的晶界成分偏析是晶界溶解发生的内在原因，电化学微电偶优先在晶粒与高Si和Mn晶界之间形成、晶界溶解优先在高Si和Mn晶界附近萌生。.研究了动电位扫描速率对晶界溶解的影响。Q235碳钢在HNO3-NaNO2溶液中，当动电位扫描速率为0.1 mV/s和0.2 mV/s时发生晶界溶解、当动电位扫描速率为0.3 mV/s和0.4 mV/s时未发生晶界溶解，动电位扫描速率对晶界溶解的影响归因于其对活化-钝化转变持续时间的影响，充足的活化-钝化转变持续时间是电化学微电偶形成的关键。