酸雨/雨水环境中典型金属材料的腐蚀行为研究

【摘要】：酸雨/雨水是金属材料大气腐蚀行为的重要影响因子，尤其酸雨已被证实能够明显加速金属材料的大气腐蚀破坏速度。但酸雨/雨水对金属材料的大气腐蚀过程的影响机制仍不清楚。本文通过实验室模拟实验，针对几种典型金属材料A3钢、LY12铝合金、纯锌、纯铜的大气腐蚀特点，采用不同的模拟实验方法，研究了它们在模拟酸雨/雨水环境中的腐蚀行为，以试图为阐明酸雨/雨水对这几种金属材料的大气腐蚀影响机制提供基本的实验依据。 1．建立了一套实验室模拟降雨综合装置，该装置能够实现降雨强度，雨滴尺寸的连续调节和控制，并具有可控模拟降雨室内相对湿度和温度，改变模拟降雨室内污染气氛等功能。 2．利用模拟降雨综合装置，结合ACM（大气腐蚀监测仪）和原子吸收光谱仪及SEM方法，研究了A3钢在模拟降雨环境中的腐蚀和冲刷行为。模拟实验结果表明，降雨对A3钢存在腐蚀和冲蚀双重作用。随着雨水pH值的降低和降雨强度的增大，雨水对A3钢的腐蚀和冲蚀作用增强。ACM测量的电偶电流随雨水pH值的变化与失重法测量的A3钢的腐蚀速率随雨水pH值变化的结果对比表明，利用ACM监测降雨对A3钢的腐蚀性是可行的。 3．在模拟酸雨溶液中，LY12铝合金的腐蚀速率随着溶液pH值的降低而升高。在pH小于3.4的模拟酸雨溶液中，LY12铝合金的腐蚀主要受表面氧化膜的溶解过程控制。随着氧化膜的溶解减薄，离子和电子通过氧化膜的传递电阻降低，铝合金的腐蚀速率随溶液pH值的降低和浸泡时间的增加而升高。氧化膜的溶解也使铝合金的点蚀增强，Cu, Fe等合金元素表面富集，加速了点蚀的扩展。在pH3.8模拟酸雨溶液中，LY12铝合金的腐蚀主要受其表面形成的腐蚀产物的影响，保护性腐蚀产物铝的硫酸盐的形成减缓了雨水对铝合金的腐蚀，随着浸泡时间的增加，铝合金的表面膜厚度基本不变，但传递电阻随时间升高，铝合金腐蚀速率降低。 雨水中的溶解的Cl- ，SO42- 和NO3-对LY12铝合金的腐蚀有明显的影响。Cl- 和SO42-明显加速了铝合金的点蚀，而NO3-则对铝合金的腐蚀产生了抑制。 4. 利用EIS，极化曲线，扫描开尔文探针（SKP），XPS，FITR等方法，研究了雨水中纯铜表面形成的腐蚀产物对Cu的腐蚀动力学影响。在雨水中，铜表面形成的腐蚀产物主要是Cu2O，其随时间逐渐转化成Cu (Ⅱ)化合物。这种腐蚀产物在铜表面的局部沉积，造成了表面不同区域的电位差异，使铜表面 WP=3 存在腐蚀产物和无腐蚀产物区域间发生电偶腐蚀，使铜在雨水中的电化学腐蚀过程变得容易，因而促进了铜的溶解。其中，存在腐蚀产物或腐蚀产物较多、较致密的区域，腐蚀电位较高，在电偶电池中为阴极；无腐蚀产物或腐蚀产物较少的区域的腐蚀电位较低，因而成为阴极。 5．通过一套可调节液膜厚度的闭塞电池，研究了纯锌在模拟酸雨溶液及其液膜下的腐蚀行为。在pH值2.4~3.8 的模拟酸雨溶液中，纯锌的腐蚀过程受电荷传递过程控制，随溶液pH值的降低，腐蚀速率升高。锌对溶液中H+较敏感，在pH值较低的溶液中(pH2.4和pH 2.7)，由于较强的氢气析出过程，锌表面吸附的氢气泡周围锌的其溶解速率高于表面其它部分，即在pH值较低的酸雨溶液中，H+不仅通过去极化过程直接加速锌的腐蚀，同时也可能通过较强的析氢过程加速锌的溶解。 在薄液膜条件下，液膜厚度对纯锌的酸雨腐蚀过程影响显著。随之液膜厚度的降低，溶液中物质的扩散过程对锌的腐蚀行为影响逐渐明显，当液膜厚度低于100μm时，低频出现Warburg扩散阻抗构成，锌的腐蚀由电荷传递过程控制转为电荷传递和物质扩散混合控制。