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典型不锈钢微观组织演变与腐蚀性能的研究

作　者: 龚佳
导　师: 李劲
学　校: 复旦大学
专　业: 物理电子学
关键词: 铁素体不锈钢奥氏体不锈钢双相不锈钢高温氧化晶间腐蚀选择性腐蚀同位素示踪二次离子质谱电化学动电位再活化扫描电化学显微镜扩散机制二次析出相
分类号: TG142.71
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文的工作主要分两大方面开展：铁素体不锈钢的高温氧化,以及奥氏体和双相不锈钢的局部腐蚀。铁素体不锈钢具有优良的耐高温腐蚀和应力腐蚀性能、低的热膨胀系数、和优良的性价比,因此在高温环境下得到广泛应用。在高温环境下,铁素体不锈钢能在表面形成一层致密氧化膜而增加其抗高温氧化性能。然而,在高温水汽环境下使用会改变氧化膜的形成机制并且加速材料氧化速率,而最终导致保护性的氧化膜破裂而失效,因此有必要深入理解其水汽环境下的氧化机制。给实际应用和新型钢种开发提供理论支持。具体的研究内容及创新点如下：首次在国内成功建立水同位素示踪技术,并结合二次离子质谱(SIMS)深入研究铁素体在水汽环境下的氧化机制：氧化膜主要由金属元素向外扩散氧化形成,但还存在少量水分子扩散进入参与氧化；同时,进一步研究添加元素Nb和Ti对氧化的影响,得出结论：Nb元素的单独添加,会增加430SS的氧化速率,然而复合添加Nb和Ti则能有效降低氧化速率。奥氏体和双相不锈钢在实际应用过程当中往往会因为不适当的热处理和焊接等导致二次相的析出,如：碳化物、氮化物、σ、χ和R等等,而导致腐蚀更容易发生,最终导致材料失效。因此,非常有必要研究合金成分与热处理制度(高温固溶和中温时效敏化)对双相不锈钢微观结构演变及其耐局部腐蚀能力的影响,得出典型双相不锈钢的合金设计与组织控制原则,为新型双相不锈钢的设计提供重要的科学依据。双相不锈钢是较复杂的体系,它包含有铁素体和奥氏体两相。因此,首先从简单体系出发,研究理解单相奥氏体不锈钢的腐蚀发生机制。具体的研究内容及创新点如下：采用双环电化学动电位回扫方法(DL-EPR)研究理解单相奥氏体AISI 301B和301S在500-900℃温度区间时效处理不同时间的晶间腐蚀演变情况,并绘制出温度-时间-敏感性曲线。通过观察材料的微观结构,得到碳化物析出形态、位置以及与晶间腐蚀敏感程度之间的对应关系。最后根据碳化物的形核、长大和贫铬区的演变情况,提出AISI 301B和301S奥氏体不锈钢整个晶间腐蚀发生过程的理论模型和相应预防晶间腐蚀的措施。研究得出碳化物的析出导致周边形成贫Cr区是晶间腐蚀发生的根本原因；同时由于301B的含碳量低于301S,因此其抗晶间腐蚀性能也更优；301B和301S不锈钢的鼻尖温度都为800℃,在低温下析出碳化物占主导,高温下Cr元素在晶界处的重新分布(再愈合)占主导；最后提出三项预防晶间腐蚀措施,及降低体系含碳量、添加有益合金元素如：Nb, Ti等等和控制碳化物沉淀的部位和比例。在理解单相奥氏体晶间腐蚀基础上,对复杂体系双相不锈钢开展研究。具体的研究内容及创新点如下：对DL-EPR方法进行优化,首次建立针对双相不锈钢的DL-EPR电化学方法；应用DL-EPR方法分析析出相动力学、贫铬区演变以及选择性腐蚀敏感性之间的内在联系；并且,首次采用微区电化学扫描(SECM)进一步研究双相不锈钢微观局部的电化学特性。研究得出DL-EPR的最优化条件是：溶液介质为2mol/L H2SO4+lmol/L HCl,扫描速率为1.66mV/s,溶液温度为30℃；双相不锈钢选择性腐蚀发生的根本原因是6相的析出,随着时效时间的延长,腐蚀敏感性增加直到24小时之后出现“再愈合”现象；最后,成功采用SECM电化学方法测得不同区域的微区电化学特性,表面活性区域奥氏体的K0为0.009cm s一,非活性区域铁素体和。的Ko为0.056 cm s-1。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
第一章前言  11-27
  1.1 不锈钢的发展历史与现状  11-12
  1.2 不锈钢的分类  12-15
    1.2.1 铁素体不锈钢  13-14
    1.2.2 奥氏体不锈钢  14
    1.2.3 马氏体不锈钢  14
    1.2.4 沉淀硬化不锈钢  14-15
    1.2.5 双相不锈钢  15
  1.3 不锈钢的腐蚀  15-19
    1.3.1 腐蚀的分类及影响  15-19
  1.4 研究问题的提出  19-26
    1.4.1 铁素体高温氧化  19-21
    1.4.2 奥氏体和双相不锈钢的局部腐蚀  21-26
  1.5 文章结构  26-27
第二章实验材料及制备  27-35
  2.1 实验材料  27
  2.2 高温氧化测试  27-28
    2.2.1 高温氧化样品准备  27
    2.2.2 高温氧化测试  27-28
    2.2.3 接续氧化测试  28
  2.3 电化学测试  28-32
    2.3.1 电化学测试的试样处理  28-30
    2.3.2 临界点蚀温度(CPT)和再钝化温度(T_r)测量  30
    2.3.3 微工作电极恒电位亚稳态和稳态点蚀动力学测量  30-31
    2.3.4 极化曲线测量(Tafel)  31
    2.3.5 双环电化学动电位再活化测量(DL-EPR)  31
    2.3.6 电化学阻抗谱(EIS)  31-32
    2.3.7 微区电化学扫描测量(SECM)  32
  2.4 实验分析表征  32-35
    2.4.1 微观组织表征  32
    2.4.2 形貌和成分分析  32-35
第三章 430系列铁素体不锈钢高温氧化  35-53
  3.1 引言  35-37
  3.2 430 SS在水汽中的高温氧化行为研究  37-42
    3.2.1 微观结构  37-39
    3.2.2 XRD分析  39-40
    3.2.3 SIMS分析  40-42
  3.3 Nb,Ti添加元素对430 SS高温氧化性能影响  42-47
    3.3.1 氧化膜截面形貌  42-43
    3.3.2 XRD结果  43-44
    3.3.3 SIMS结果  44-47
  3.4 分析讨论  47-50
    3.4.1 430SS水汽中氧化机制  47-48
    3.4.2 Nb,Ti的添加对氧化行为影响  48-49
    3.4.3 高温氧化扩散机制的理论分析  49-50
  3.5 小结  50-53
第四章单相奥氏体局部腐蚀性能研究  53-73
  4.1 引言  53-54
  4.2 实验结果  54-62
    4.2.1 微观结构分析  54-58
    4.2.2 双环电化学动电位再活化(DL-EPR)研究AISI 301B/S不锈钢晶间腐蚀  58-60
    4.2.3 TTS曲线的绘制  60-62
  4.3 分析与讨论  62-70
    4.3.1 热处理制度对微观结构演变及其晶间腐蚀性能的影响  62-63
    4.3.2 元素含量对其晶间腐蚀性能影响  63-65
    4.3.3 晶间腐蚀贫铬区成分演变的理论分析  65-69
    4.3.4 晶间腐蚀的控制  69-70
  4.4 小结  70-73
第五章双相不锈钢SAF 2205的局部腐蚀研究  73-93
  5.1 引言  73-75
  5.2 实验结果  75-90
    5.2.1 微观结构  75-78
    5.2.2 DL-EPR方法建立及测试结果  78-85
    5.2.3 SECM建立及测试结果  85-90
  5.3 分析与讨论  90-91
    5.3.1 热处理制度对微观结构演变及选择性腐蚀影响  90
    5.3.2 微区电化分析各相电化学活性  90-91
  5.4 小结  91-93
第六章全文总结  93-95
参考文献  95-111
攻读博士期间发表的论文及成果  111-113
致谢  113-114

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