一种模拟镀层钢在极寒大气环境中腐蚀试验的方法

技术领域

本发明属于镀层的腐蚀模拟技术领域，具体涉及一种模拟镀层钢在极寒大气环境中腐蚀试验的方法。

背景技术

随着社会的发展，资源短缺现象愈发突出，资源丰富的极寒地区开始受到人们的关注，鉴于极寒地区环境的复杂性，研发和推广适用于极寒地区的材料对于推动该地区开发和建设至关重要。因此，近年来，极寒地区材料的应用研究受到了广泛关注。Zn-Al-Mg镀层是一种性能优越的耐蚀镀层，在公路护栏、光伏支架、家电建筑等领域具有广阔的应用前景。Zn-Al-Mg镀层暴露于不同的大气条件下的大气腐蚀近年来被重点报道。但现有的研究大多集中在强腐蚀性的大气中，由于较低的腐蚀速率，极寒大气腐蚀研究较少。然而在极寒地区，腐蚀仍会发生，甚至有研究发现极寒大气腐蚀甚至比其他常见区域的大气腐蚀更为严重，这与极寒大气的环境因子，如污染物、液态水分子、紫外辐照、温度变化等密切相关。

腐蚀问题是材料服役过程中的普遍存在的问题之一，在自然环境下，除了少数贵金属外，绝大多数的金属在热力学上是不稳定的，存在自发的腐蚀倾向。同样材料在服役过程中不可避免的会受到应力的影响，如焊接、机械加工、冷加工等制造、加工过程中产生的残余应力以及淬火、周期性加热和冷却、热膨胀等装配和使用过程中产生的应力。E.M.Gutman等人通过理论推导及试验验证，认为金属材料在外应力作用下会加速材料的腐蚀，并称这种现象为力学化学效应，(Mechanochemistry Effects,MCE)。

很多研究表明，弹性应力会引起腐蚀电位负移，显著加速材料的腐蚀。有人认为外加应力加速了铝合金/溶液界面双电层的形成，且形成时间随应力的增大而缩短。电位波动随加载时间的延长而逐渐减小。当应力从试件释放时，电位波动明显减弱。也有研究认为外加应力并不会影响扩散过程的腐蚀速度，但是会加速活化过程以及混合控制过程的腐蚀速度。通过线性扫描伏安法及交流阻抗法等电化学方法对钢在外应力作用下的电化学性质的研究中，发现随着外加弹性载荷的增大，样品的电化学阻抗有所下降，加速了金属的腐蚀。因此，极寒大气中多环境因素耦合作用下材料的应力腐蚀失效过程，在实际服役时是不可避免的。为进一步了解Zn-Al-Mg镀层在实际服役时的腐蚀失效机制，需要构建一种能有效模拟镀层钢在极寒大气环境中多因素耦合条件下应力腐蚀试验的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟镀层钢在极寒大气环境中腐蚀试验的方法，该方法具有模拟性、加速性和重现性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟镀层钢在极寒大气环境中腐蚀试验的方法，包括如下步骤：

(a)待测试样预处理：丙酮除油，酒精清洗，同时为避免边缘效应，样品两端及一面粘贴胶带，避免暴露在外部大气环境中被腐蚀；

(b)利用三点弯曲装置对待测试样进行应力加载；

(c)模拟腐蚀试验：将腐蚀介质NaHSO

本发明步骤(b)所述应力加载时试样最大挠度控制在0～600mm之间；最大弯曲应力与最大挠度之间的关系按照简支梁换算，假设试验平面和单向受力，经过推导可得到最大挠度和最大弯曲正应力之间的关系式为：

其中E为材料的弹性模量，h为梁的厚度，l为梁的跨度，б

本发明步骤(c)所述腐蚀试验过程中，每1-7个周期在试样表面沉积一次腐蚀介质。

本发明步骤(c)所述NaHSO

本发明步骤(c)所述常温阶段为循环试验开始前的预热过程，温度范围为10～30℃；所述恒低温阶段，湿度范围为-30～-60℃；所述常温润湿阶段，温度为10～30℃，湿度为80～95％RH；所述常温干燥阶段，温度为10～30℃，湿度为20-35％RH。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可模拟汽车、光伏发电和建筑用锌铝镁镀层钢在漠河极寒大气环境中的腐蚀过程，研究锌铝镁镀层在多因素耦合条件下的应力腐蚀失效过程。相比已有的室内加速方法，本发明增加了室内模拟试验的真实性。

(2)采用本发明方法获得的镀层表面腐蚀产物成分和实际极寒大气环境中暴露后的基一致。

(3)采用本发明方法，既可以单独研究极寒大气中温湿度交变作用下的应力腐蚀，也可以研究同等条件下，沉积盐和应力腐蚀的耦合作用。

(4)本发明方法具有模拟性、加速性和重现性，可以此来研究各种锌铝镁镀层钢在极寒大气环境下多因素耦合条件下的应力腐蚀过程，快速评价和预测其耐腐蚀性，为合理设计成分和提升性能提供依据。

附图说明

图1为模拟试验装置示意图，图中：1-高低温交变湿热试验箱；2-试样台；3-应力受力架；4-试样；5-螺栓。

图2为模拟极寒大气环境中腐蚀168h的腐蚀产物XRD谱图。

图3为漠河大气环境中暴晒360d的腐蚀产物XRD谱图。

图4为模拟试验应力和SO

图5为最大应力下腐蚀试样截面形貌。

具体实施方式

本发明建立了一种模拟镀层钢在极寒大气中多因素耦合条件下应力腐蚀试验的方法。该方法中所用的试验装置如图1所示。该试验装置是将常规高低温交变湿热试验箱1和应力受力架3进行组合，试样4放置于试样台2，利用螺栓5实现不同应力载荷作用。

所述应力受力架可实现不同应力载荷，最大弯曲应力与挠度之间的关系按照简支梁换算。假设试验平面和单向受力，经过推导可得到最大挠度和最大弯曲正应力之间的关系式为：

其中E为材料的弹性模量，h为梁的厚度，l为梁的跨度，б

各实施例和对比例使用Zn-2.0Al-1.5Mg镀层钢作为待测试样，镀层质量为275g·m

大气暴露试验所用试样尺寸为150mm×70mm×0.85mm，试验前将试样进行预处理：对试样进行编号，丙酮除油，酒精清洗，同时为避免边缘效应，样品四周粘贴胶带，避免暴露在外部大气环境中被腐蚀。

室内模拟试样所用试样尺寸为100mm×20mm×0.85mm。试验前将试样进行预处理：对试样进行编号，丙酮除油，酒精清洗，同时为避免边缘效应，样品两端及一面粘贴胶带，避免暴露在外部大气环境中被腐蚀。

表1 Zn-Al-Mg镀层的化学成分

大气暴露试验按照ISO-4542在黑龙江省北部的漠河市进行，其环境参数如表2所示。

表2漠河大气环境参数

室内模拟实验过程：利用三点弯曲装置对试样进行应力加载，试样最大挠度控制在0～600mm之间。加载完成后，预先沉积腐蚀溶液，所用的腐蚀介质为NaHSO

实施例1

利用微升注射器将腐蚀介质NaHSO

模拟试验后对试样表面的腐蚀产物进行XRD分析，结果如图2所示，腐蚀产物主要组成为Zn

对比例1

按照ISO-4542在黑龙江省北部的漠河市进行大气暴露试验，暴晒时间分别为360d。

对取回试样表面的腐蚀产物XRD分析，结果如图3所示，腐蚀产物主要组成为Zn

户外暴晒样品腐蚀产物组成同模拟加速腐蚀试验样品产物组成一致，说明该模拟极寒大气环境下的加速腐蚀试验方法可靠，为应力腐蚀试验方法的设计奠定了基础。

实施例2

利用微升注射器将腐蚀介质NaHSO

模拟腐蚀试验后，对腐蚀试样进行截面形貌分析，结果如图4所示。相较于有应力加载，最大挠度为0mm的Zn-Al-Mg镀层表面仅有少量的腐蚀产物生成，如图4中的(a)所示。而应力加载的镀层表面能够观察到明显的腐蚀产物；最大挠度为2mm的样品其镀层表面的腐蚀产物呈针状，腐蚀产物较为疏松，但并未观察到裂纹向纵向扩展，如图4中的(b)所示；最大挠度为4mm和6mm的截面形貌均发现裂纹向镀层的纵向扩展，且6mm的裂纹比4mm的更宽，分别如图4中的(c)和(d)所示，同时腐蚀产物沿着裂纹处生成，腐蚀产物更加致密，裂纹被腐蚀产物填充。

实施例3

对试样进行应力加载，最大挠度分别为0mm，2mm，4mm和6mm。试验按照“常温预热至20℃-恒低温-60℃，4h-常温润湿(T 20℃，95％RH)，1h-常温干燥(T 20℃，20％RH)，2h”进行交替试验，20℃降至-60℃过程设置为2.5h，从-60℃升温至20℃过程设置为2.5h。试验时间为840h。

模拟腐蚀试验后，对腐蚀试样进行截面形貌分析，最大应力水平下的试样截面状态如图5所示，镀层表面无明显的腐蚀，裂纹未向镀层纵向扩展。在无腐蚀介质作用下，应力在寒冷环境中并未导致表面的裂纹向镀层深处扩展，其他受力情况的截面形貌与之相似。由截面图观察，并未发现应力对于镀层内部的影响。

实施例4

利用微升注射器将腐蚀介质NaHSO

模拟试验后对试样表面的腐蚀产物进行XRD分析，结果同实施例1，腐蚀产物主要组成为Zn

实施例5

利用微升注射器将腐蚀介质NaHSO

模拟试验后对试样表面的腐蚀产物进行XRD分析，结果同实施例1，腐蚀产物主要组成为Zn

综上，采用本发明方法进行模拟镀层钢在极寒大气环境中多因素耦合条件下的应力腐蚀过程具有模拟性，加速性和重现性。本发明技术方案不但体现了极寒大气腐蚀的特征“低温、干/湿”循环交替，还考虑到实际应用中的应力腐蚀过程，可很好的模拟汽车、光伏发电和建筑用锌铝镁镀层钢在极寒大气环境中的应力腐蚀失效过程。

采用本发明技术方案，既可以单独研究极寒大气中温湿度交变作用下的应力腐蚀，也可以研究同等条件下，沉积盐和应力腐蚀的耦合作用，还可快速评价和预测锌铝镁镀层的耐腐蚀性，为合理设计成分和提升性能提供依据。