【文章內(nèi)容簡介】 蝕 性的研究最 早 可以追溯到 上個世紀的 20 年代。 早在 1928年，美國 Alcoa實驗室開展了相當廣泛的變形鋁合金和鑄造鋁合金試樣的大氣暴露試驗。1931 年美國材料試驗學(xué)會 (ASTM)的 B 一 3 和 B 一 7 委員會開始了一系列的研究工作，隨著這些試驗項目的進行和新型鋁合金的加入，提供了鋁及其合金的大量大氣腐蝕數(shù)據(jù)。日本于 20 世紀 70 年代開始建立標準暴露試驗室，正式關(guān)注大氣腐 蝕，但對鋁合金大氣環(huán)境腐蝕的研究不多，時間很短。我國于 1955 年開始建立大氣腐蝕試驗網(wǎng)站， 1980 年在國家科委組織和有關(guān)部門的共同支持下，我國大氣、海水、土壤腐蝕試驗網(wǎng)站全部恢復(fù)建設(shè)，開始了我國常用材料 (包括鋁及其合金 )大氣、海水、土壤環(huán)境中長期、系統(tǒng)的腐蝕試驗研究，并取得了大量有價值的研究成果 [17]。 但是，由于 鋁和鋁合金的大氣腐蝕研究現(xiàn)狀和歷史 ， 以及傳統(tǒng)的大氣暴露試驗和室內(nèi)模擬加速試驗所做的工作和不足 ， 鋁和鋁合金的大氣腐蝕機理方面 ， 傳統(tǒng)的實驗技術(shù)往往不能給出滿意的結(jié)果 。 一些原位測量技術(shù) ， 如環(huán)境掃描電 鏡 ， 開爾文探針和紅外吸收光譜等已在大氣腐蝕研究中應(yīng)用 ， 為清晰地描述鋁和鋁合金的大氣腐蝕機理提供了有利條件 ?？梢哉f，在現(xiàn)在多種技術(shù)結(jié)合的結(jié)合和運用之下，對于我們?nèi)祟惤沂句X及鋁合金的大氣腐蝕是具有非常大的幫助的。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 第 2 章 本論 試驗材料 試驗設(shè)備 電化學(xué)工作站：電化學(xué)測量系統(tǒng)，將恒電位儀，恒電流儀和電化學(xué)交流阻抗分析儀有機的結(jié)合在一起，既能夠檢測電池電壓、電流、容量等基本參數(shù)，又能夠檢測體現(xiàn)電池反應(yīng)機理的交流阻抗參數(shù)，從而完成對多種狀態(tài)下電池參數(shù)的跟蹤和分析；在試驗中，用于檢測高強度鋁合金的腐蝕電極電位。 光學(xué)金相顯微鏡：利用光學(xué)的原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取所測的試樣的微細結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器；在試驗中，用于觀察試樣腐蝕后的金相組織 。 掃描電 子顯微 鏡 ：利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)；在試驗中對試樣進行成像分析。 能譜儀：利用不同元素 X 射線光子特征能量不同這一特點來進行成分分析；在試驗中用來對試樣微區(qū)成分元素種類與含量分析，配合 掃描電 子顯微 鏡 一起使用。 水浴鍋：傳感器將 水槽內(nèi)的水的溫度裝換為電阻值，經(jīng)過集成放大器的放大、比較以后，輸出控制信號，有效的控制電加熱管的平均加熱功率，使水槽內(nèi)的水保持恒定的溫度；在試驗中用于浸泡試驗，使試樣在恒定溫度的鹽溶液中進行腐蝕。 電子稱：稱取試樣腐蝕前后的重量變化。 超聲波清洗機 ： 把試驗浸泡在丙酮中，丙酮液體中的每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓，這種現(xiàn)象稱為“空化作用”，超聲波清洗機正是用液體中氣泡的破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖刷試驗內(nèi)外表面的作用。在試驗中，用于清洗腐蝕前后的試驗。 試驗藥品 不同合金元素的高強度鋁合金材料（ AlSi、 AlCu） ，銅線， NaCl ，除銹液，蒸餾水，酒精，丙酮 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 試驗內(nèi)容和方法 測定試驗材料的腐蝕電位和極化曲線 （一）基本原理 電化學(xué)工作站在電池檢測中占有十分重要的地位，是本試驗測量試樣電極電位最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。它將恒電位儀、恒電流儀和電化學(xué)交流阻抗分析儀有機的結(jié)合在了一起，即可做三種基本功能的常規(guī)試樣，也可以做基于這三種基本功能的程式化試驗。在試驗中即能檢測電測電壓、電流 、容量等基本參數(shù)，又能檢測體現(xiàn)電池反應(yīng)機理的交流阻抗參數(shù)，從而完成對多種狀態(tài)下電池參數(shù)的跟蹤和分析。電極是與電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，為多相體系。電化學(xué)體系借助于電極實現(xiàn)電能的輸入和輸出，電極是實施電極反應(yīng)的場所。一般電化學(xué)體系分為二電極體系和三電極體系，用的較多的是三電極體系，本實驗采用的就是三電極體系。相應(yīng)的三電極體系為：工作電極、參比電極和輔助電極。 工作電極：又稱為研究電極，是指所研究的反應(yīng)在該電極上發(fā)生。一般來講，對工作電極的基本要求是：（ 1）所研究的電化學(xué)反應(yīng)不會應(yīng)電極自身所發(fā)生 的反應(yīng)而受到影響，并且能夠在較大的電位區(qū)域中進行測定；（ 2）電極必須不能與溶劑或電解液組分發(fā)生反應(yīng)；（ 3）電極面積不宜太大，電極表面最好應(yīng)是均一平滑的，且能夠通過簡單的方法進行表面的凈化等清潔工作。 為了滿足工作電極的上述的要求，我把需要測定電極電位的高強度鋁合金材料制作成工作面積為一個平方厘米的大小的正方形試樣，從 0 粗砂紙到 6 細砂紙依次對試樣進行金相的磨制；為了防止試樣除去工作面的其他部分與電解液發(fā)生反應(yīng)，我把試樣的其 他面用絕緣的膠水封住，并在密封之前在試樣的背面焊接了一根電導(dǎo)線，這樣既保證了工作電極在用膠水密封住凝固后依然導(dǎo)電，又保證了工作電極的絕緣性，不與電解液發(fā)生反應(yīng)。 參比電極：是指一個已經(jīng)知道其電勢的接近于理想不極化的電極。參比電極上基本上是沒有電流通過的，用于測定研究電極，相對于參比電極的電極電勢。在控制電位試驗中，因為參比半電池保持固定的電勢，因而加到電化學(xué)池上的電勢的任何變化值直接表現(xiàn)在工作電極和電解質(zhì)溶液的界面上。而實際上，參比電極既起著熱力學(xué)參比，又將工作電極作為研究體系隔離起來的雙重作用。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 參比電極 的種類有很多，不同的研究體系可以選擇不同的參比電極。水溶液體系中常見的參比電極有：飽和甘汞電極（ SEC）、 AlClAl/ 電極、標準氫電極等。本試驗是在10%的飽和 NaCl 水溶液中進行的，所以選擇的是飽和甘汞電極。 輔助電極：又稱對電極，輔助電極和工作電極組成回路，使工作電極上電流暢通，以保證所研究的反應(yīng)在工作電極上進行，但必須無任何方式限制電池觀測的響應(yīng)。由于工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)時，輔助電極上可以安排為氣體的析出反應(yīng)或工作電極反應(yīng)的 逆反應(yīng)，以使電解液的組分不變，即輔助電極的性能一般不顯著影響研究電極上的反應(yīng)。但減少輔助電極上的反應(yīng)對工作電極的干擾的最好方法就是用燒結(jié)玻璃、多孔陶瓷或離子交換膜等來隔離兩電極區(qū)的溶液。 本試驗選擇的是 10%的飽和 NaCl 溶液來作為電解液。 圖 21 電化學(xué)工作站的工作原理圖 浸泡試驗 （一）試驗工作原理 水浴鍋 工作原理：恒溫水浴鍋內(nèi)水平放置 有 不銹鋼管狀加熱器，水槽的內(nèi)部放有帶孔的鋁制擱板。上蓋上配有不同口徑的組合套圈，可 以 適應(yīng)不同口徑的燒瓶 放置 。水浴鍋左側(cè)有放水管，恒溫水浴鍋右側(cè)是電氣箱，電氣箱前面板上裝有溫度控制儀表、電源開關(guān)。電氣箱內(nèi)有電熱管和 傳感器 。該溫度控制系統(tǒng)采用了優(yōu)質(zhì)電子元件，控溫靈敏、 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 性能可靠、使用方便。其工作原理：傳感器將水槽內(nèi)水的溫度轉(zhuǎn)換為電阻值，經(jīng)過集成放大器的放大、比較后，輸出控制信號，有效地控制電加熱管的平均加熱功率，使水槽內(nèi)的水保持恒溫。 浸泡試驗 工作原理： 就是將試樣以一定方式浸泡在實驗室配制的溶液中或現(xiàn)場介質(zhì)中 ,在達到規(guī)定的時 間的基 礎(chǔ) 之上 ， 來計算試驗的腐蝕速率， 適用于實驗室和現(xiàn)場試驗 ，也是測定金屬腐蝕速度最可靠方法之一 。本 試驗主要是 著重闡述實驗室重量法 來 評定的浸泡試驗 的腐蝕速率。 （二）試驗內(nèi)容 在試驗的過程中，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我把所要研究的兩種高強度鋁合金材料（ AlSi、AlCu）做了尺寸上的處理，分別把兩組材料制成了規(guī)則的幾何形狀且大致均勻的試樣。每組四個試樣，分別用酒精和丙酮清洗之后，稱取每個試樣的重量，記錄，用不同顏色的絕緣導(dǎo)線捆綁來進行每個試樣的識別。最后，懸掛在裝滿電解溶液的燒杯里來進行浸泡試驗。由于本試驗研究的是模擬海洋腐蝕環(huán)境下高強度鋁合金的腐蝕情況，為了配合之前對試驗所測的試樣的電極電位，本試驗選擇 的腐蝕溶液也是 10%的 NaCl 溶液。因為高強度鋁合金材料在鹽水的腐蝕是一個比較緩慢的過程，為了試驗效果能夠比較明顯，我把水浴鍋的溫度設(shè)定為 C?40 ，并把實驗的周期定位 8 天，即每兩天取出一組試驗進行分析和觀察。 試樣的金相觀察和成分分析 （一） 光學(xué)金相顯微鏡 工作原理： 是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、 計算機 圖像處理技術(shù)完美地結(jié)合在一起而開發(fā)研制成的高科技產(chǎn)品，可以在計算機上很方便地觀察金相圖像，從而對金相圖譜進行分析，評 級等以及對圖片進行輸出、打印。 本試驗用的是電腦型的金相顯微鏡系統(tǒng)，是將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡與計算機、數(shù)碼相機通過光電轉(zhuǎn)換有機的結(jié)合在一起，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，還能在計算機顯示屏幕上觀察實時動態(tài)圖形，并能將所需要的圖片進行編輯、保存和打印。 特點：本試驗采用的光學(xué)金相顯微鏡系統(tǒng)擁有 耐磨的先進光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡，明場、暗場、偏光、微分干涉等觀察功能齊全，高精度的萬能物鏡，超寬的視野，使觀察者在進行試驗時非常的舒適；采用的是 UIS 無限遠補正光學(xué)系統(tǒng)，視野周邊非常明亮、清晰；在觀察過程中，試樣的觀察面倒置，用橡皮泥 包裹后壓平，使觀察面在一個水平的狀態(tài) 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 之下， 提高 了 檢查 的 功效 ；顯微鏡的 放大倍數(shù) 的范圍比較寬泛，在 50 倍 ～ 1000 倍 ， 適合多種觀察的要求，且擁有 精密 的 鏡頭，圖像 的 質(zhì)量 很 高 ； 前置調(diào)光器及粗微 可以 同軸調(diào)焦，使用者操作舒適 ； 照明光源 是 6V30W 長壽燈泡，可選配至 100W； 可連接數(shù)碼成像系統(tǒng)及金相分析軟件 。 在試驗的過程中，光學(xué)金相顯微鏡用于觀察試樣腐蝕前后進行組織，并把觀察到的金相圖像用圖片的形式記錄下來，以便后期對試樣的腐蝕情況的分析。在本試驗中，我選用的光學(xué)金相顯微鏡的放大倍數(shù)為 200 倍 。 （二） 掃描電 子顯微 鏡 工作原理： 在樣品室中，掃描電子束與樣品發(fā)生相互作用后產(chǎn)生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、 X 射線、吸收電子、俄歇 (Auger)電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾 nm 至幾十 nm 的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像， 利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即是用極其狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，在試驗中對試樣進行成像分析， 它是研究樣品表面形貌的最 有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個閃爍體，當電子打到閃爍體上時， 1 就在其中產(chǎn)生光，這種光被光導(dǎo)管傳送到光電倍增管，光信號即被轉(zhuǎn)變成電流信號，再經(jīng)前置放大及視頻放大，電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。 掃描電子顯微鏡主要由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成。 特點： 能夠直接觀察樣品表面的結(jié)構(gòu)，樣品的尺寸可 以 大至 120mm80mm50mm ； 樣品制備過程 相對 簡單，不用切成薄片 ； 樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉(zhuǎn)，可以從各種角度對樣品進行觀察 ； 景深大， 掃描電鏡的景深較光學(xué)顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大 到 幾十倍 ，且 圖象富有立體感 ；放大倍數(shù)非常大， 可放大十幾倍到幾十 萬倍，它基本上包括了從放大鏡、光學(xué)顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍 ，； 圖象的放大范圍廣，分辨率也比較高 ； 分辨率介于光學(xué)顯微鏡與透射電鏡之間，可達 3nm； 電子束對樣品的損傷與污染程度較小 ； 在觀察形貌的同時，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號作微區(qū)成分分析。 在試驗中與能譜儀一起使用，用于試樣的成分分析和含量分析。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 14 頁 （三）能譜儀 工作原理：利用不同元素 X 射線光子特征能量不同這 一特點來進行成分分析。 X 射線能量色散譜分析法是電子顯微技術(shù)最基本和一直使用的具有成分分析功能的方法，通常稱為 X 射線能譜分析法。特征 X 射線的產(chǎn)生，是入射電子使內(nèi)層電子激發(fā)而發(fā)生的現(xiàn)象，即內(nèi)層電子被轟擊后跳到比費米能到的能級上，電子軌道內(nèi)出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子填滿時，作為多余的能量放出的就是特征 X 射線。高能級的電子落入空位的時候，要遵從所謂的選擇規(guī)則。特征 X 射線具有元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后，根據(jù)它的能量值就可以確定元素的種類，而且在根據(jù)譜的強度分析就可以確定其含量。 特點：分析速度快，可以 同時接受和檢測所有不同能量的 X 射線光子信號，故可以在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有的元素；靈敏度高， X 射線收集立體角度大，由于能譜中的 Si 探頭可以放在離發(fā)生源很近的地方，無需進過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，此外，能譜儀可以在低入射電子束流的條件下工作，有利于提高分析的空間分辨率；譜線重復(fù)性好，由于能譜儀沒有運動部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復(fù)性好且不存