中文名 | 残余应力促进不锈钢点蚀的微观机制研究 | 项目类别 | 面上项目 |
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项目负责人 | 牛林 | 依托单位 | 山东大学 |
金属材料、设备及构件在实际应用中由于腐蚀破坏将会造成巨大的经济损失。需要通过涉及材料、化学、物理以及力学科学等领域的交叉学科探索,以深入理解腐蚀机理。 本项目通过宏观电化学方法(如动电位极化测量及电化学阻抗谱等)与局部、微观电化学技术(如扫描电化学显微镜、扫描振动电极以及局部电化学阻抗谱等)相结合,深入研究了酸性氯化物溶液中不锈钢及碳钢的局部腐蚀行为及特征。研究表明,以实时/原位、微区/局部电化学测量为基础的金属局部腐蚀实验研究方法,可以测量、表征与不锈钢点蚀过程有关的金属局部表面电化学反应及其相关的产物组成及浓度分布等。将传统电化学测试方法、局部电化学测试技术以及材料表面残余应力测试相结合,探讨了不锈钢及碳钢的腐蚀电化学特性,以及残余应力对金属腐蚀敏感性的作用机制及影响规律。通过SECM以及SVET探针检测Faraday电流与应力集中区域的对应关系,将局部电化学探针扫描获取的电化学活性图像与金属/溶液界面发生的微区电化学反应建立联系,分析、表征了腐蚀反应所产生的电活性物种浓度大小、分布。 总之,本项目研究着眼于材料的力学–化学交互作用,旨在探讨金属表面残余应力导致的材料结构局部不均匀性及其促进局部腐蚀的微观作用机制。研究成果对于在实时、原位、微观层次上深入探究金属局部腐蚀机理、动力学及其相关的力学、化学及冶金等因素的协同作用,具有积极的指导意义和参考价值。 2100433B
本项目以金属材料的力学-化学交互作用为着眼点,深入研究残余应力作用下不锈钢点蚀发生与发展的微观机制,为阐明残余应力促进不锈钢点蚀的机理,提供新的有说服力的理论与实验依据。.利用扫描电化学显微镜(SECM)原位、局部电化学测量、高空间分辨率的特点,以及兼具表面形貌和化学灵敏性表征功能的技术优势,以存在残余应力(即第I类内应力)的不同类型不锈钢试样为研究对象,通过基体产生-探针接收工作模式获得探针电流的三维图像,在微观水平上研究点蚀发生与发展过程中的表面微区电化学活性,及其相关的电化学反应和产物浓度分布,建立表面电化学不均匀性与残余应力诱发的材料微结构不均匀性之间的联系。采用电化学测量确定点蚀特征电化学参数,并对点蚀形貌、成分辅以SEM、XPS表征。将X射线衍射技术测定的材料表面局部区域残余应力的大小及分布图谱与代表不锈钢点蚀形态的SECM图像相互印证,辨析二者之间的构-效关系。
残余应力普遍存在于塑性成形的 工件中,它随材料性质、工件的形状和尺寸、加工工艺参数的不同而有所不同。拉深件中的残余应力对其疲劳寿命、强度、尺寸和形状精度及稳定性都有很大的影 响。因此,评估拉深件中的残...
焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力,焊接瞬时应力足够大时会导致焊接过程中的变形这也就是为什么焊接时采用工装固定还有合理的焊接工艺的原因;焊接残余应力是熔池金属冷却凝固以及热响应区金属冷却产生的应力...
焊件焊后的热应力超过弹性极限,以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。焊接温度场消失后的应力称为残余焊接应力焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。
已加工表面残余应力是衡量零件加工表面质量的一个重要指标。针对目前缺乏对不锈钢切削残余应力研究的现状,通过实验研究切削冷却条件和切削参数对不锈钢加工残余应力的影响,并应用热力耦合理论进行分析。实验结果表明,不锈钢因切削产生的加工残余应力表现为拉应力,切削冷却条件和切削参数均对残余应力大小有影响,作用效果与切削液的冷却能力、渗透力及高温工作能力有关。
应用有限元法对304不锈钢蜂窝夹套填角焊残余应力进行分析,考虑材料参数随温度的变化以及对流和辐射的影响,获得了蜂窝夹套填角焊残余应力的分布规律。结果表明,接头处残余应力分布不均匀,最大轴向残余应力位于蜂窝孔的中心位置,最大径向应力位于焊点与蜂窝板结合处。
不锈钢点蚀多发生在含有碘、氯、溴等水溶液环境中。产生不锈钢点蚀的原因是氯离子是活性阴离子,容易被吸附,挤走氧原子,和钝化膜中的阳离子反应生成可溶性的氯化物,破坏钝化膜,形成小孔,成点蚀诱因阶段,在该阶段形成闭塞电路,发生电流腐蚀现象。
1、在已知可能发生点蚀的环境中选择恰当的不锈钢材质,实验表明钼元素(Mo)或锰元素(Mn)含量越高的不锈钢,抵抗点蚀的能力就越强;
2、控制与不锈钢接触液体的酸碱度,氯化物浓度以及温度;
3、阴极保护,阳极保护或者同时采取这两种保护措施;
4、尽可能使用质量更好的不锈钢,如316或316L,来提高不锈钢产品的耐点蚀性能。
1.卤素离子及其它阴离子:在氯化物中,铁、镍、铝、钛、锆以及它们的合金均可能产生点蚀。锌、铜和钛在含氯离子的溶液中,也可遭受钝态的破坏。
很多含氧的非侵蚀性阴离子,例如NO3-、CrO42-、SO42-、OH-、CO32-等,添加到含Cl-的溶液中,都可起到点蚀缓蚀剂的作用。
而硫氰酸根、高氯酸根、次氯酸根等,可以促进点蚀。
2.溶液中的阳离子和气体物质:腐蚀介质中,金属阳离子与侵蚀性卤化物阴离子共存时,氧化性金属离子,如Fe3+、Cu2+和Hg2+对点蚀起促进作用。
3.溶液的pH值:
在溶液pH值低于9~10时,对二价金属,如铁、镍、镉、锌和钴等,其点蚀电位与pH几乎无关,高于此pH值时,其点蚀电位变正,是由于OH-离子的钝化作用所致。
对三价金属,例如铝,发生点蚀的条件及点蚀电位都不受溶液pH值的影响,这是由铝离子水解的各步骤的缓冲作用所致。
4.环境温度:对铁及其合金而言,点蚀电位通常随温度升高而降低。
5.介质流速:溶液的流动对抑制点蚀起一定的有益作用。
1、金属的本性-纯金属的耐点蚀性:25℃ 0.1M NaOH中的点蚀电位大小:Al<Fe<Ni<Zr<Cr<Ti<304不锈钢
2、合金成分:
铁基合金:Cr、Mo、Ni、V、Si、N、Ag、Re 为有益元素;Mn、S、Ti、Nb、Te、Se、稀土等是有害元素,B、C、Cu的影响视在钢中的状态而定。
铝:Cu、Mn为有益元素;Zn、Hg、Sn、Ga为有害元素。
钛:铝对钛的点蚀电位有很不利的影响,而钼导致点蚀电位升高。
3、热处理温度的影响:
对于不锈钢和铝合金来说在某些温度下进行回火或退火等热处理,能够生成沉淀相,从而增加点蚀的倾向。不锈钢焊缝处容易发生点蚀与此有关。但是奥氏体不锈钢经固熔处理后具有最佳的耐点蚀性能。
4、显微组织
金属的显微组织对其点蚀敏感性有很大的影响,如硫化物、沉积硬化不锈钢中的强化沉积相、敏化的晶界以及焊接区等,都可能是钢的抗点蚀性能降低。
5、表面状态的影响:
一般来说,随着金属表面光洁度的提高,其耐点蚀能力增强,而冷加工使金属表面产生冷变硬化时,会导致耐点蚀能力下降。
消除残余应力是机械制造领域中的一项关键技术,本项目针对目前消除残余应力方法的局限性以及微观激励有效性分析,提出一种消除残余应力的新方法-电击法。本项目的主要研究内容包括:采用微观动力学理论,研究脉冲或交变电流消除导电材料内部残余应力及脉冲或交变电场消除绝缘材料内部残余应力的机理;研究不同性质材料对残余应力的敏感电参数,分析电击法消除材料内部残余应力效果在线定量评价法则;研究实现电击法消除残余应力的相关工艺及关键技术,研制电击法消除残余应力装置的原理性样机。.本项目研究成果实现一种适用于多种材料、绿色环保、经济方便的消除残余应力的方法,它将广泛地应用于我国航空、航天、国防、微机电技术、纳米技术、生物技术等涉及到机械制造的领域,并对其发展起到积极的推动作用。 2100433B