腐蚀是指金属材料接触液体或气体时,由于化学反应、电化学反应或者物理溶解而使材料结构受到损坏。材料的腐蚀不仅仅带来经济利益的损失,影响国家的经济技术发展,更会给人们的生命安全带来威胁,据统计美国在1975年因为腐蚀原因带来的经济损失高达700亿美元,中国在2014年因为腐蚀原因带来直接或间接的经济损失高达2.13万亿元人民币,占国家GDP总额的3.34%。为了使304抗菌不锈钢能够得到广泛的应用,减小因材料结构破坏而带来的巨大经济损失,金属材料在实际应用过程中,应考虑材料在不同环境中的耐腐蚀情况。评价腐蚀性能的方法包括重量法、电化学测试法、表面观察法,由于大多数材料的腐蚀属于电化学腐蚀,因此电化学测试材料的腐蚀方法应用非常广泛。

电化学测试材料腐蚀性能的研究相比于其他的物理研究方法或化学研究方法,具有操作简单、试验周期较短、速度较快、灵敏度较高,方便研究金属腐蚀机理及其影响因素等优点。电化学测量腐蚀性能的方法主要有:极化曲线法、交流阻抗谱、双环电化学动电位再活化法等。本文主要通过测量304抗菌不锈钢焊接接头的极化曲线及交流阻抗谱来分析其耐腐蚀性能。

试验方案

304抗菌不锈钢焊缝腐蚀性能的研究,主要通过测量304抗菌不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304不锈钢焊缝以及304不锈钢母材的极化曲线和交流阻抗曲线,并对实验结果对比分析。将焊接完成的试件以及木材利用线切割机切出试样的尺寸为10mm×10mm×1mm,用铜导线连接后进行镶嵌,并用砂纸进行打磨至1200目,用酒精擦拭并用风筒吹干,用硅胶涂抹试件与环氧树脂的间隙处后放置24h后进行试验。极化曲线测试是在23℃的条件下进行的,初始电位为-100mV,至500mV,扫描速率为0.33mV/s。在自腐蚀电位下进行交流阻抗谱的测试,测量频率范围0.01Hz-100kHz,正弦电位幅值为5mV,利用软件对得出的结果进行数据处理。

腐蚀试样表面情况分析

3.5%NaCl溶液中进行电化学试验,试样腐蚀后的宏观照片如图所示。

从腐蚀后的试样中可以看出,腐蚀液对同种材料的母材和焊缝的点蚀数量相差不大,304不锈钢母材的耐腐蚀性能略好于304不锈钢焊缝,304抗菌不锈钢母材的耐腐蚀性能略好于304抗菌不锈钢焊缝,因而同种材料的母材与焊缝的耐腐蚀性能差距不大。腐蚀液对304抗菌不锈钢母材及焊缝的点蚀情况相比304不锈钢母材及焊缝较为严重,点蚀的数量明显高于304不锈钢母材及焊缝,所以304不锈钢母材的耐腐蚀性能明显好于304抗菌不锈钢母材的耐腐蚀性能,可以看出不锈钢中添加抗菌元素后其耐腐蚀性能下降明显。

极化曲线试验结果分析

304不锈钢母材、304不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304抗菌不锈钢焊缝的极化曲线,对极化曲线进行拟合所得的数据如表5.1所示。从图中可以看出,这四组试样的极化曲线都存在活化溶解区、过度钝化区、稳定钝化区及过钝化区。当电位在-0.1V左右时,304不锈钢母材及焊缝的腐蚀电流密度迅速增加,当电位在-0.8V左右时,304不锈钢母材及焊缝开始发生钝化,304不锈钢母材的钝化区电位在-0.8-0.4V,焊缝的钝化区电位在-0.8-0.3V304抗菌不锈钢母材及焊缝在电位为-0.2V时腐蚀电流密度迅速增加,304抗菌不锈钢母材的钝化区电位在-0.2-0.17V,焊缝的钝化区电位在-0.2-0.13V。在钝化区内,腐蚀电流随着腐蚀电位的增加而增加,腐蚀速率和钝化速率处于动态平衡状态;当腐蚀电位继续增加时,腐蚀速率大于钝化速率,钝化膜受到严重破坏,腐蚀电流迅速增加。

根据腐蚀的相关理论,自腐蚀电位的大小反映了材料耐腐蚀性能的倾向程度,自腐蚀电位越小,越容易发生腐蚀;自腐蚀电流密度反映了材料在腐蚀液中的腐蚀速率,自腐蚀电流密度越大,越容易发生腐蚀;钝化区间较宽,耐腐蚀性能较好。所以从极化曲线图中能够得到耐腐蚀性能:304不锈钢母材>304不锈钢焊缝>304抗菌不锈钢母材>304抗菌不锈钢焊缝。

交流阻抗试验结果分析

304不锈钢母材、304不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304抗菌不锈钢焊缝在3.5%NaCl溶液中的交流阻抗谱,阻抗实部用Z’表示,阻抗虚部用Z’’表示。从图中可以看出,304不锈钢焊缝及母材和304抗菌不锈钢的焊缝及母材的电化学阻抗谱均表现为单熔抗弧特点,说明电化学控制各个试样的腐蚀过程。根据腐蚀的理论,当电荷在金属和溶液之间进行转移时,会受到电阻的作用,电阻越大则电荷的转移越不容易,交流阻抗谱中熔抗弧直径的大小反映了电阻的大小,熔抗弧直径越大,所受电阻越大,表明材料的耐腐蚀性能越好。四种试样的抗腐蚀性能的优劣依次为:304不锈钢母材、304不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304抗菌不锈钢焊缝。

点蚀机理分析

金属材料与周围环境的介质接触时,经过一段时间后,会在金属材料表面形成部分的腐蚀小孔,其余部分不发生腐蚀或有轻微的腐蚀,并且这些腐蚀小孔随着时间向纵深的方向发展,这种腐蚀形态称为点蚀,又叫孔蚀。点蚀是304抗菌不锈钢常见的腐蚀方式,这是因为304抗菌不锈钢表面的钝化膜组织不均匀,而且钝化膜存在较薄弱的区域,电解池形成的阴极区与钝化膜薄弱区域的阳极区接触面积较小,在电流的作用下加快腐蚀速率,从而会严重的影响304抗菌不锈钢结构性能,如果应用到实际生活中甚至会危及人类的生命安全,所以应该给予充分的认识。

普遍认为点蚀主要分为两个阶段,前期是腐蚀孔在金属表面的形成,第二个阶段是腐蚀孔的长大。产生点蚀的主要形成理论是吸附理论,由于金属表面的化学成分不均匀,金属表面的钝化膜存在薄弱区域,且金属钝化膜的薄弱区域对氯离子有着较强的吸附作用,大量的氯离子聚集在金属表面,导致金属中的阳离子加速产生,氯离子与氧结合成某种物质,形成可溶性物质,使得金属表面缺氧不能够及时形成钝化膜,破坏了钝化膜的稳定性,进而加速了腐蚀速率。有部分研究认为,腐蚀孔的长大是因为被腐蚀的金属产生的阳离子与水发生化学反应,进而产生氢离子,使得腐蚀孔处于酸性的坏境中,加速了腐蚀孔不断向深处发展,腐蚀孔进一步长大。

本章小结

本章通过对304抗菌不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304不锈钢焊缝及304不锈钢母材的耐腐蚀性能研究,主要有以下结论:

1304抗菌不锈钢母材及焊缝的点蚀情况明显高于304不锈钢母材及焊缝,而同种材料的母材及焊缝点蚀情况相差不大,说明不锈钢中添加抗菌元素后,材料的耐腐蚀性能有所降低。

2)在3.5%NaCl腐蚀液中,对四种试样进行动电位极化测试,耐腐蚀能力的大小为:304不锈钢母材>304不锈钢焊缝>304抗菌不锈钢母材>304抗菌不锈钢焊缝。

3)对试样进行进一步的交流阻抗测试,四种试样的抗腐蚀性能的优劣依次为:304不锈钢母材、304不锈钢焊缝、304抗菌不锈钢母材、304抗菌不锈钢焊缝。