基于电化学方法和形貌表征技术的钢材力学性能退化研究

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钢材是一种广泛应用的材料,但是钢材极易在自然环境中发生腐蚀,对结构带来不可逆的危害,因此钢材的腐蚀性能一直受到关注。本文以无涂层钢和热喷铝涂层钢为研究对象,采用电化学测量技术和形貌表征技术,分析钢材及涂层的腐蚀失效机理。并根据电化学测量的试验结果和微观腐蚀形貌的观测结果,考虑腐蚀造成的“截面面积减小”和“材料力学性能折减”因素,通过数值模拟得到钢构件不同腐蚀阶段的力学性能。本文的主要研究内容和结论如下:1.通过电化学工作站测量,得到无涂层钢试样和热喷铝涂层钢试样的开路电位、线性极化曲线和电化学阻抗谱等参数。分析试验结果发现:对于无涂层钢,初始的自然腐蚀产物层在腐蚀初期段对腐蚀物质的渗透有一定的阻碍作用,但随着腐蚀时间的增长迅速消失,随后无涂层钢的腐蚀速率迅速升至最高。对于热喷铝涂层钢,其涂层致密的结构能够阻碍腐蚀物质的渗透,起到屏蔽作用;在涂层局部破损时,由于涂层中存在铝金属,能通过阴极保护减缓钢的腐蚀速率。同时,因其腐蚀产物的特点,热喷铝涂层有一定的自愈能力。2.通过数字图像处理技术对无涂层钢和热喷铝涂层钢的细观形貌进行处理,获取计盒维数和表面腐蚀率。结果表明:无涂层钢的计盒维数在腐蚀前期迅速下降,随后保持稳定;热喷铝涂层钢的计盒维数在腐蚀前期缓慢增长,并在腐蚀中期达到稳定,且热喷铝涂层钢的计盒维数变化幅度远小于无涂层钢。在试验前中期,无涂层钢的表面腐蚀率迅速增大,但其趋势逐渐减缓,并在后期达到稳定。3.通过扫描电镜对无涂层钢和热喷铝涂层钢进行观测,获取了微观腐蚀形貌。观测发现:完好的热喷铝涂层结构致密;无涂层钢的腐蚀产物层存在较多的裂纹和孔隙;腐蚀后的热喷铝涂层也会产生孔隙和裂纹,但尺寸小于钢的腐蚀产物层,同时涂层的腐蚀产物对未腐蚀的涂层和钢基材有较好的附着能力。4.根据试验结果,将无涂层钢和热喷铝涂层钢的腐蚀过程划分为三个阶段。同时考虑腐蚀造成的“截面面积减小”和“材料力学性能折减”,建立钢构件的有限元模型,得到各腐蚀阶段钢构件的应力和挠度。分析结果表明:无论涂层处于完整状态还是破损状态,都能有效地减缓应力和挠度随腐蚀时间的增长趋势。
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