贝氏体耐候钢模拟工业大气腐蚀交流阻抗谱分析

邵长静

摘 要：主要阐述了实验目的、实验方法和实验结果等具体内容，提出了提高贝氏体耐候钢耐蚀性作用的方法和具体实验判定过程。

关键词：贝氏体耐候钢；耐蚀性；交流阻抗谱；实验钢

中图分类号：TG174.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.008

1 实验目的

该实验的目的是通过测定电化学交流阻抗谱，验证了添加了耐蚀性元素P和Cu等与贝氏体组织的存在，确实提高了自行研制的磷合金化贝氏体耐候钢的耐工业大气腐蚀性能。

2 实验钢的成分和金相组织

该实验设计了2种不同成分的磷合金化贝氏体耐候钢C1钢和C2钢，其成分如表1所示。

在实验过程中，取09CuPCrNi钢作为对比钢种，3种实验钢均为热轧态。其金相组织分别为：C1钢和C2钢的组织均为细小的粒状贝氏体，09CuPCrNi为细小的铁素体+珠光体组织，如图1.

3 实验方法

采用质量分数为0.052%的NaHSO3溶液模拟工业大气对实验钢的腐蚀，在德国产电化学工作站ZAHNER-IM6e上进行阻抗谱测定。电化学阻抗谱测试参数分别为：频率为10-2～105 Hz，施加扰动电位5 mV（交流激励信号）。选用相关软件拟合EIS图（电化学阻抗谱图），可以得到相关的电化学参量——Rp（金属基体和渗入锈层内的电解质溶液构成的双电层离子传递电阻）和Rt（锈层和附着在锈层表面的电介质溶液所构成的双电层的离子传递电阻）。

4 实验结果和分析

图2为3种实验钢裸样在质量分数为0.052%的NaHSO3溶液内的电化学交流阻抗谱。由图可见，3种实验钢裸样阻抗谱的奈奎斯特图都是由高频段压缩的容抗弧、低频段平面电极的有限层2部分构成。这说明，电化学反应过程同时受到电极过程控制和平面电极的有限层扩散控制。在实验过程中，使用了质量分数为0.052%的NaHSO3溶液模拟工业大气对实验钢的腐蚀情况，并且腐蚀液呈弱酸性。因此，其在此溶液内的电化学反应为：阳极的铁离子与阴极的氢氧根离子结合，先生成腐蚀产物氢氧化亚铁并沉淀。由于溶液中存在氧，将氢氧化亚铁进一步氧化为氢氧化铁，氢氧化铁呈薄膜状，并疏松地包裹在实验钢的表面，具有一定的保护作用，所以，在奈奎斯特图中出现了平面电极的有限层扩散弧（指滞流层的厚度为有限值）。将奈奎斯特图高频段的压缩容抗弧延长，使之与阻抗实轴相交，延长线与实轴交点的坐标值即为溶液电阻+极化电阻（Rs+Rp）的数值。因为它们处于相同的腐蚀液中，溶液电阻Rs是相同的，所以，由此可以看出，极化电阻Rp的大小为：C2钢>09CuPCrNi>C1钢。

实验钢裸样在腐蚀液中电化学腐蚀情况的模拟等效电路如图3所示。其中，Rs为溶液电阻；CPE1表示钢表面和溶液构成的双电层，是常相位角元件；Rp为极化电阻（金属的腐蚀程度和腐蚀状况的电荷传递电阻）；Ws是平面电极的有限层扩散所引起的阻抗。采用该电路拟合的电化学参数拟合实验钢裸样模拟工业大气腐蚀的交流阻抗谱，拟合曲线如图4所示。从图4中可以看出，拟合的电化学参数所绘制的奈奎斯特图与实测图形之间的偏差很小。这说明，该电路模型较好地描述了实验钢裸样在该腐蚀液中的电化学行为。

图5是3种实验钢模拟腐蚀5周期后带锈样品的交流阻抗谱。模拟工业大气腐蚀5周期后，钢的表面逐渐被一层比较完整的锈层所覆盖，锈层在一定程度上阻止了离子通过，因为锈层疏松，所以，工作电极（试样）和溶液之间出现了2个双电层，即基体金属和渗入到基体表面的电解液构成的；锈层外表面和电解液构成的。双电层电容与腐蚀产物在金属表面的积累有关，也与电极表面的多孔性和粗糙度密切相关。与裸样相似，腐蚀5周期带锈试样交流阻抗谱的奈奎斯特图在高频段同样出现了压缩容抗弧，但是，在复平面阻抗谱的低频区出现了1个扩散尾，表现出了明显的扩散控制特征。同样，将奈奎斯特图高频段容抗弧延长，让它与阻抗实轴相交，就可得出溶液电阻+锈层电阻（Rs+Rt）的大小。由于溶液电阻Rs是相同的，所以，实验钢锈层电阻大小为：C2钢>09CuPCrNi>C1钢。

在评定腐蚀产物层的性能时，波特图比奈奎斯特图更准确，所以，本文同时给出了波特图和奈奎斯特图。从2种图形中都可以看出，模拟工业大气腐蚀5周期以后，C2钢的锈层电阻最大，锈层电阻越大，其对基体的保护能力就越强。因为C2钢锈层的电阻最大，所以，C2钢锈层对基体的保护能力最强。

实验钢模拟工业大气腐蚀5周期的等效电路如图6所示。其中，Rs是溶液电阻；Rt是锈层电阻；Rp是基体金属溶解反应电荷传递电阻；C1是锈层跟电解液构成的双电层电容；CPE1是基体金属和渗入锈层内的电解液所构成的双电层电容；Zw是与扩散有关的浓差极化阻抗。采用此电路拟合的电化学参数拟合实验钢模拟工业大气腐蚀5周期的阻抗谱，拟合曲线如图7

所示。由图7可知，拟合曲线与实测结果之间的偏差很小。这表明，该等效电路模型可以很好地描述带锈实验钢在质量分数为0.052%的NaHSO3溶液内的电化学行为。

5 结论

通过对3种实验钢交流阻抗谱的测定，从中可以看出，无论是裸样还是带锈层试样，C2钢的阻抗均高于其他2种实验钢。这说明，C2钢耐工业大气腐蚀的能力最强，同时，也充分证明了在基体组织相同（C1钢与C2钢）的情况下，添加Cu、P等元素可以提高C2钢的耐蚀能力；在添加Cu、P等合金元素（09CuPCrNi钢和C2钢）的情况下，贝氏体组织表现出了更好的耐蚀性。

参考文献

[1]曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]王树涛，杨善武，高克玮，等.低合金耐候钢在含氯离子环境中的耐腐蚀性能[J].材料热处理学报，2008（04）.

〔编辑：白洁〕