《耐蝕金屬材料》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)名稱不銹耐酸鋼的晶間腐蝕傾向試驗(yàn)（C法：草酸電解浸蝕試驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型：綜合實(shí)驗(yàn)要求：必修一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夂驼莆詹讳P耐酸鋼晶間腐蝕傾向的試驗(yàn)方法和評(píng)定過程；加深對(duì)不銹耐酸鋼晶間腐蝕機(jī)理的理解。二、 實(shí)驗(yàn)原理18-8不銹鋼如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9等是工程中常用的金屬材料。這類鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性及冷加工性能均良好。但這種材料在敏化態(tài)或焊接后，一旦與腐蝕介質(zhì)相接觸卻發(fā)現(xiàn)材質(zhì)晶粒邊界處的物質(zhì)比晶粒本體腐蝕要來得快得多。這就是所謂的“晶間腐蝕'。嚴(yán)重的晶間腐蝕將造成材質(zhì)的晶間結(jié)合力喪失，是一種十分危險(xiǎn)的材質(zhì)缺陷。關(guān)于這類鉻鎳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕機(jī)理，可用“貧鉻理論”加以解釋。貧鉻理論認(rèn)為：含碳量較高的奧氏體不銹鋼中，碳與Cr及Fe能生成復(fù)雜的碳化物（Cr、Fe）23C6。雖然這種碳化物在高溫淬火時(shí)，形成固溶狀態(tài)而溶入奧氏體內(nèi)，使鉻在奧氏體內(nèi)均勻分布，保證了合金基體各部分的含鉻量都在鈍化所需值（12%Cr）以上。然而，這種固溶處理所形成的過飽和固溶體是不穩(wěn)定的。一旦在敏化溫度（400?850°C）下保溫，這種碳化物會(huì)沿著晶界首先沉淀析出。所析出的碳化物（Cr、Fe）23C6按重量比是1:17,即1份碳必須有17份鉻與之化合。這就需要元素鉻大量從固溶體中分離出來。由于奧氏體中鉻的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于碳的擴(kuò)散速度，所以生成碳化物所需的鉻不能從晶粒內(nèi)的固溶體中迅速擴(kuò)散補(bǔ)充到晶界，只能由晶界附近區(qū)域中供給。結(jié)果使晶界附近區(qū)域的含鉻量低于維持鈍化所需的塔曼限，形成一個(gè)貧鉻區(qū)。問題是晶界的貧鉻區(qū)的電位比晶粒內(nèi)部的電位要低，更低于碳化物的電位。因而，在腐蝕環(huán)境中貧鉻區(qū)將成為小陽極，與整個(gè)合金基體組成微電池，大大加速了沿晶界貧鉻區(qū)的腐蝕。由此可見，金屬或合金本身晶粒與晶界化學(xué)成分差異、晶界結(jié)構(gòu)、元素的固溶

特點(diǎn)、沉淀析出、固態(tài)擴(kuò)散過程等因素使金屬或合金內(nèi)部晶界的物理化學(xué)狀態(tài)與晶粒本身存在差異，從而形成了兩者間電化學(xué)的不均勻性。這樣在腐蝕介質(zhì)中，晶界的溶解電流密度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解電流密度，造成了晶間的腐蝕。為防止18-8鋼的晶間腐蝕，通常可在奧氏體不銹鋼中加入Ti、Nb等元素，這些元素在鋼中與碳的親和力比格要強(qiáng)，能形成TiC或NbC等穩(wěn)定的碳化物。這樣使得格元素仍固溶在奧氏體內(nèi)，不致生成碳化格在晶間沉淀而產(chǎn)生晶間腐蝕。含有Ti、Nb等元素的不銹鋼稱“穩(wěn)定化不銹鋼”，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Nb等。不過，穩(wěn)定化不銹鋼只有經(jīng)過“穩(wěn)定化”熱處理，即須執(zhí)行充分生成TiC、NbC的熱處理制度，才能起到防止晶間腐蝕的作用。根據(jù)電化學(xué)腐蝕理論，晶間腐蝕是由于材料的晶粒和晶界，在電解質(zhì)中的鈍化行為不同所引起的。如果在某一介質(zhì)中，晶粒處于鈍化狀態(tài)，而晶界處于活化狀態(tài)。材料就要發(fā)生晶間腐蝕。材料的電化學(xué)行為除取決于它本身的化學(xué)成分和組織外，能保證晶粒處于鈍化狀態(tài)，同時(shí)又要使具有晶間腐蝕傾向材料的晶界處于活化狀態(tài)，這樣才能保證在不發(fā)生均勻腐蝕的情況下，僅使晶界處產(chǎn)生腐蝕，顯示出材料的晶間腐蝕傾向。從圖1中可以看出，如果某溶液使材料的電位處于能保證晶粒處于鈍化狀態(tài)，同時(shí)又要使具有晶間腐蝕傾向材料的晶界處于活化狀態(tài)，這樣才能保證在不發(fā)生均勻腐蝕的情況下，僅使晶界處產(chǎn)生腐蝕，顯示出材料的晶間腐蝕傾向。從圖1中可以看出，如果某溶液使材料的電位處于A點(diǎn)，晶粒和晶界均處于鈍化狀態(tài)，材料的腐蝕電流很小，晶粒和晶界都不被腐蝕，材料的晶間圖1晶間腐蝕試驗(yàn)溶液選擇原則示意圖腐蝕也就顯示不出來。因此，該溶液選作晶間腐蝕試劑是不適用的；同樣，對(duì)另種使材料電位處于C點(diǎn)的溶液，則因?yàn)槭咕Я：途Ы缤瑫r(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的均勻腐蝕，顯示不出材料的晶間腐蝕傾向，而被淘汰；只有使材料電位處湖點(diǎn)的溶液，它使晶粒處于鈍化狀態(tài)，而晶界卻處于活化狀態(tài)，兩者腐蝕電流相差很大，晶間腐蝕傾向被清晰地顯示出來。因此，B溶液才是作為晶間腐蝕試驗(yàn)的合格溶液。經(jīng)敏化處理后，18-8不銹鋼的晶粒、貧格區(qū)的極化曲線示于圖2。根據(jù)此極化曲線及上述選擇晶間腐蝕試驗(yàn)液的原則，所選用的常用試驗(yàn)溶液相當(dāng)?shù)碾娢?，也?biāo)注

在該圖中的相應(yīng)位置。圖中的極化曲線表明，使不銹鋼電位處于0?1200mV（SHE）的電位范圍內(nèi)的介質(zhì)，均可選為評(píng)定不銹鋼晶間腐蝕的試驗(yàn)溶液關(guān)于不銹耐酸鋼（包括奧氏體型、奧氏體一鐵素體型）的晶向腐蝕傾向試驗(yàn)方法，已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB1223-75）可作參考。各種試驗(yàn)方法中，C法為常用方法。這種試驗(yàn)方法稱“草酸電解浸蝕法”，是一種較為經(jīng)濟(jì)快速的草酸篩選試驗(yàn)。在各種方法中，C法也是作為一種篩選方法，故對(duì)材料的晶間腐蝕傾向進(jìn)行最后仲裁時(shí)，應(yīng)以T、L、F、X法試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。（有色金屬的晶間腐蝕試驗(yàn)并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需參閱有關(guān)資料。）電位E（毫伏SHE）圖2在脫氣硫酸中，敏化處理后不銹鋼（18-8）各相區(qū)的陽極極化曲線本實(shí)驗(yàn)擬以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB1223-75）規(guī)定的“C法”試驗(yàn)方法進(jìn)行晶間腐蝕傾向的試驗(yàn)。草酸電解浸蝕試驗(yàn)的腐蝕電位大于2.00V，在這樣高的電位下，晶粒邊界上的碳化物至少比晶粒本體的溶解速度快一個(gè)數(shù)量級(jí)。這就可以在顯微鏡下觀察到“溝狀”的組織結(jié)構(gòu)（即腐蝕溝）凡能通過草酸電解浸蝕試驗(yàn)者（以臺(tái)階結(jié)構(gòu)表征），可以認(rèn)為材料沒有發(fā)生碳化物沉淀作用，不會(huì)發(fā)生由貧格區(qū)造成的晶間腐蝕。反之，并不能最終判定為晶間腐蝕，還須選用其它適當(dāng)方法作進(jìn)一步的敏感性試驗(yàn)，如“T電位E（毫伏SHE）圖2在脫氣硫酸中，敏化處理后不銹鋼（18-8）各相區(qū)的陽極極化曲線本試驗(yàn)是通過對(duì)不同熱處理狀態(tài)1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti材料的“C法”試驗(yàn)，來一般評(píng)定和比較兩者的晶間腐蝕敏感性，從而深刻理解晶間腐蝕的機(jī)理。三、實(shí)驗(yàn)裝置不銹耐酸鋼容器（自制）；直流穩(wěn)壓電源：YB1731A（圖3）5-電壓肉節(jié)琉機(jī)圖3TB1731A直流穩(wěn)壓電源面板示意圖1-電壓呈示春25-電壓肉節(jié)琉機(jī)圖3TB1731A直流穩(wěn)壓電源面板示意圖1-電壓呈示春2-電戴呈示零3-電壓肉節(jié)曜MC粗】T-炬壓指示燈3—承燈 9-電＞9開羌四、實(shí)驗(yàn)溶液與試樣制備實(shí)驗(yàn)溶液：100g草酸（C2H2O4?2H2O,HG3_988_76AR）溶解于900ml蒸餾水中。2.試樣制備：見下表試樣材質(zhì)狀態(tài)尺寸（長(zhǎng)X寬X厚）表面要求NM1Cr18Ni9Nq21Cr18Ni9N31Cr18Ni9TiN41Cr18Ni9Ti固溶處理固溶處理+敏化處理固溶處理+敏化處理固溶處理+穩(wěn)定化處理40X20X2(mm)機(jī)械磨光達(dá)5五、實(shí)驗(yàn)步驟試樣表面用丙酮或酒精洗凈，干燥；按圖示4連接電路。試樣為陽極，不銹耐酸鋼容器為陰極；不銹耐酸鋼容器內(nèi)添加10?15ml配制的試驗(yàn)溶液，溶液溫度為20?50°C；4?合上電路開關(guān)，調(diào)節(jié)電源旋鈕，使電流密度按試樣試驗(yàn)部位的表面積計(jì)算（即1A/cm2XS）,試驗(yàn)時(shí)間為1.5分鐘；試驗(yàn)結(jié)束，洗凈試樣，干燥。待評(píng)定；用金相顯微鏡觀察試樣的浸蝕部位（放大倍數(shù)為150?500倍），按等級(jí)表及附圖進(jìn)行分析評(píng)定。六、 思考題根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（畫出組織特征簡(jiǎn)圖），并闡述腐蝕機(jī)理。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)前每位同學(xué)都要對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真預(yù)習(xí)，并寫好預(yù)習(xí)報(bào)告。在預(yù)習(xí)報(bào)告中要寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁?，需要用到的儀器、物品及簡(jiǎn)要的實(shí)驗(yàn)步驟，形成一個(gè)操作提綱。對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象及安全注意事項(xiàng)做到心中有數(shù)。實(shí)驗(yàn)記錄

認(rèn)真填寫好本次實(shí)驗(yàn)記錄（見附錄），實(shí)驗(yàn)記錄必須有指導(dǎo)教師簽名，否則無效。實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要內(nèi)容包括對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)中操作的成敗、現(xiàn)象等進(jìn)行分析總結(jié)，回圖B二級(jí)X400圖A一級(jí)圖B二級(jí)X400圖A一級(jí)X400圖C三級(jí)X400圖D四級(jí)X