CN102590069B - 不锈钢腐蚀试验用试样及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不锈钢腐蚀试验用试样，该试样整体呈水滴形，包括两块对称设置的矩形样板，两样板的一对短边的端面通过相拼并焊接，另一对短边处的内侧面通过向中间弯曲并贴合相固定。本发明还公开了一种不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法。本发明不但模拟了材料在使用过程中最为关注的连接、应力与缝隙等因素，兼顾了不锈钢的五大类局部腐蚀及均匀腐蚀的特征区域，并通过试样在各特征区域腐蚀程度的比较，可迅速判定该不锈钢材料在特定环境中的主要腐蚀失效形式，为产品使用指导及失效分析提供了有力支撑，从而能够满足只需一种通用试样一次试验就能够同步综合评价材料多种常见局部腐蚀性能。

Description

不锈钢腐蚀试验用试样及其制作方法

技术领域

本发明涉及材料耐腐蚀性分析技术，更具体地说，涉及一种不锈钢腐蚀试验用试样及其制作方法。

背景技术

由于不锈钢材料的服役环境非常复杂，往往会导致不锈钢局部腐蚀的发生。局部腐蚀已成为不锈钢在实际服役条件下最重要的失效形式，主要包括应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和电偶腐蚀等，并且上述五类腐蚀占据了绝大部分。此外，各种腐蚀形式还会相互促进和诱导，从而加剧了不锈钢的腐蚀。因此，对不锈钢各种局部腐蚀进行研究和评价是不锈钢品种开发和应用的重要基础。目前，针对不锈钢的局部腐蚀问题，已开展了大量系统研究工作，形成了针对各类局部腐蚀研究和评价的相关表征方法和试样设计。

然而，在现有不锈钢局部腐蚀评价的国际标准或国家标准中，试样设计多采用标准尺寸的柱状、块状或片状试样，一种试样和相应的腐蚀试验方法只能针对单一的一种腐蚀形态进行试验和评价，一组试验只能给出一种局部腐蚀性能的评价结果。欲要表征某一钢种的几种类型腐蚀性能，必须分别进行相应的试验，并且加工数量众多的形状与尺寸各异的试样，从而导致评价周期和试验量成倍增加。而且，各项腐蚀性能数据还是彼此孤立的，无法考虑各腐蚀类型间的关系。正因此，采用标准试样获得的标准腐蚀结果，往往难以在分析材料真正腐蚀失效时应用。譬如最典型的太阳能热水器内桶，由于结构及环境的复杂，该腐蚀体系包含了上述所有五类腐蚀倾向。对于这种腐蚀体系，若采用常规腐蚀试样进行分析，实验量惊人，而且获得的结果还对失效分析无任何实质性意义。

综上所述，对于此类问题，学术界只能借助用户的产品成品进行事后分析，如此一方面因为成品结构过于复杂尺寸过于庞大，会对后续腐蚀分析带来诸多不便，易因失误而疏漏导致失效的主要原因，另一方面由于这种失效后进行的分析工作属于亡羊补牢，会对用户构成一定的经济损失。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种不锈钢腐蚀试验用试样及其制作方法，以适用于不同的腐蚀试验。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种不锈钢腐蚀试验用试样的整体呈水滴形，包括两块对称设置的矩形样板，两样板的一对短边的端面通过相拼并焊接，另一对短边处的内侧面通过向中间弯曲并贴合相固定，该固定方式为点焊、咬接或铆接。

所述的样板的长度为50～500mm，宽度为30～300mm，厚度为0.3～3mm。

所述的两样板为相同的不锈钢材料或不同的不锈钢材料。

另一方面，一种不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，包括以下步骤：

A．制作两块矩形样板，

B．将两样板的一对短边的端面通过相拼并焊接；

C．将两样板向中间弯曲成U形状；

D．对U形状的样板平行段进行加压，将另一对短边处的内侧面相贴合并固定，形成一水滴形的试样，该固定方式为点焊、咬接或铆接。

在步骤A中，通过剪切、锯切或电火花线切割的方式制作两块矩形样板，每块样板的长度为50～500mm，宽度为30～300mm，厚度为0.3～3mm，并对样板表面去油、超声波清洗后风干。

在步骤A中，选择相同的不锈钢材料或者不同的不锈钢材料制作两样板。

在步骤B中，在焊接后还对样板表面进行清洗去污、风干处理，并对样板正反面拍照记录。

在步骤D中，所述的贴合并固定的方式为点焊、咬接或铆接。

在上述技术方案中，本发明的不锈钢腐蚀试验用试样及其制作方法，通过简单的结构，能够模拟材料在使用过程中最为关注的连接、应力与缝隙等因素，兼顾了不锈钢的五大类局部腐蚀及均匀腐蚀的特征区域，并通过试样在各特征区域腐蚀程度的比较，可迅速判定该不锈钢材料在特定环境中的主要腐蚀失效形式，为产品使用指导及失效分析提供了有力支撑，从而能够满足只需一种通用试样一次试验就能够同步综合评价材料多种常见局部腐蚀性能。

附图说明

图1a～图1d分别是本发明的试样在制作中分别经过四个步骤后的结构示意图；

图2a～图2d分别是本发明的四种试验摆放方式示意图；

图3是太阳能热水器的腐蚀区域示意图；

图4是本发明的试样的腐蚀敏感区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1a～图1d所示，本发明的不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，包括以下步骤：

A．制作两块矩形样板1；可通过剪切、锯切或电火花线切割的方式制作两块矩形样板1（见图1a），每块样板1的长度为50～500mm，宽度为30～300mm，厚度为0.3～3mm，并对样板1表面去油、超声波清洗后风干。在此需要说明的是，可选择相同的不锈钢材料来制作两样板1，当然还可以采用不同的不锈钢材料来分别制作两样板1，用以两种材料耐蚀性的对比。

B．将两样板1的一对短边的端面通过相拼并焊接（见图1b），在焊接后还对样板表面进行清洗去污、风干处理，并对样板正反面拍照记录。

C．将两样板1向中间弯曲成U形状（见图1c）

D．对U形状的样板平行段进行加压，将另一对短边处的内侧面相贴合并对齐固定，形成一水滴形的试样10（见图1d）。而贴合并固定的方式可根据研究目的不同，选择点焊、咬接或铆接等方式，以评价相应连接方式的腐蚀性。

在此需要说明的是，本发明的不锈钢腐蚀试验用试样与上述试样的制作方法实质内容相同，在此不再赘述。

请结合图3所示，采用本发明的试样10进行腐蚀试验：

将两个以上的试样10放入一定的腐蚀介质环境中进行浸泡实验。

由于本发明的试样设计本身对试验环境及条件无特殊要求，视研究目的不同，可分别采用不同的试验环境和条件，表1是列举的各种代表性实验环境：

表1

并且在试验中，试样10的放置方式也可根据研究目的而灵活选择，可供选择的放置方式包括平放（见图2a）、侧卧（见图2b）、直立（见图2c）、倒立（见图2d）等，可以采用支架2放置也可以打孔悬挂。试样10在介质中可以是全浸没状态也可以是半浸入状态。试验过程中可将试样取出观察并拍照，同时还可以进行适当的文字记录，记录下试验时间及试样的腐蚀情况，包括腐蚀部位、形态特征及严重程度等，之后可将试样放入继续进行试验。

实验结束后，将试样10取出，表面吹干或者风干；然后将试样10沿固定部位打开、展平，再对试样10的正反面拍照，并与试验前的照片进行比较分析。根据试验后试样各特征区域的腐蚀情况，判断材料在典型环境中的综合腐蚀性能，或进一步对特征腐蚀区域腐蚀产物取样分析。而试验前、后试样表面的腐蚀形貌照片是能获取的最为直观且有效的试验结果。另外，根据研究目的的不同，还可获得材料腐蚀深度、失重、锈蚀面积、点蚀深度、最大蚀坑深度、穿孔时间、起锈时间、裂纹萌生时间、裂纹贯穿时间甚至特征区域的金相组织照片等信息作为重要结果。

试样10的各特征区域的腐蚀状况是试验结果的重要内容，根据这些特征区域，将有利于我们综合判断材料在典型环境中优先发生的腐蚀类型。

请参阅图4所示，该试样10的具体腐蚀特征区域如下：

（1）对焊连接区域A，为焊接接头腐蚀/应力腐蚀等敏感区。

该区域存在焊缝，可考察材料的焊接接头腐蚀敏感性，当然也包括了焊接热影响区因为焊接工艺控制不当导致碳化物析出而发生的晶间腐蚀；同时，该区域也是试样变形及承受最大拉应力的区域，因此也可以考察材料的应力腐蚀敏感性。发生在该区域的晶间腐蚀与应力腐蚀表现形式不一，应力腐蚀表现为裂纹，而晶间腐蚀则产生沟槽腐蚀或局部区域丧失金属光泽，通过肉眼即可区别。

（2）固定贴合区域B，为缝隙腐蚀敏感区。

该区域由于采用板面贴合后固定连接，会形成宽度连续变化的缝隙，因此是缝隙腐蚀敏感区，故该区域可用以研究材料的缝隙腐蚀敏感性。

（3）中间区域（内外壁）C，为点蚀/均匀腐蚀/晶间腐蚀/电偶腐蚀等敏感区。

在该区域，根据试样所处环境不同，可以考察材料的点蚀、均匀腐蚀，甚至晶间腐蚀。例如，采用FeCl₃溶液或NaCl溶液，可以评价点蚀；采用H₂SO₄溶液可以评价均匀腐蚀；采用硝酸、氢氟酸溶液，可以评价晶间腐蚀。另外，如果采用两种不同的不锈钢材料样板对焊，则可以同步评价这两种材料，进行对比研究。如果两种不同材料的腐蚀电位存在较大差异，还可以研究评价两样板间的电偶腐蚀情况。

请参阅图3所示，太阳能热水器内桶3是一个典型的综合了多种腐蚀类型的复杂腐蚀体系，下面将以该环境为例，说明本发明的实施效果：

太阳能热水器内桶3的成形加工工艺较为简单：两侧端盖31冲压成形，桶身32对接拼焊之后翻边，最后再将成形好的端盖31与桶身32通过电阻环焊连接。而排气孔33则通过胀接或螺旋方式与端盖31直接连接。

结合太阳能热水器的结构及腐蚀环境，我们发现其腐蚀极具特殊性：

1、环境腐蚀性强

太阳能热水器内桶的常态是充满3/4以上的水，长时间处于较高的温度下，在夏季甚至高达90℃至100℃。另外，由于太阳能热水器的水源大多是生活用自来水，自来水在长时间高温下不断挥发，导致氯离子不断浓缩，腐蚀性增强。

2、腐蚀类型全面

（1）应力腐蚀：在图3中的圆圈区域，均经过较大塑性变形，会存在较大残余应力，加之高温氯离子水环境是典型的应力腐蚀环境，因此，红点区域是应力腐蚀敏感区。

（2）缝隙腐蚀：在图3中的三角所指区域，即端盖与桶身连接处，由于存在宽度连续变化的缝隙，构成缝隙腐蚀敏感区。

（3）点腐蚀：高温下水分不断的蒸发，将导致水中氯离子浓度增加、酸碱度变化及产生水垢等，构成了典型的点蚀危险环境，因此在整个内桶的内壁区域内，都会存在点腐蚀敏感性。

（4）电偶腐蚀：热水器内桶端盖上的排气口与桶身端盖直接电接触，有些生产商为降低成本采用劣质材料制作排气口。这种结构会使该处（图5中的网格区域）耐蚀性差的排气口成为小阳极而被牺牲，从而发生电偶腐蚀。

（5）氧浓差腐蚀：在气液相交接处（图3中的虚线框区域），由于随深度变化，氧浓度会变小，从而因氧浓差而导致水线腐蚀。

（6）焊缝腐蚀：桶身对接拼焊处（图3中的实线框区域）如果处理不当，会存在焊缝腐蚀的危险性。

因此，太阳能热水器内桶3是一个集合了几乎不锈钢的所有局部腐蚀形态的复杂腐蚀体系。要研究该体系中不锈钢的耐腐蚀性，采用常规腐蚀方法和试样分别评价，其工作量几乎无法想象。因此，在太阳能行业内，客户往往不得不采用内桶成品进行试验，造成浪费。而且，由于成品桶尺寸巨大，无法利用现成腐蚀设备加速腐蚀，只能进行户外实验。具体做法是：将内桶成品在太阳下暴晒（表面温度超过100℃）一段时间之后泼洒海水，如此反复，耗时数月甚至半年，通过观察桶身外表面的腐蚀状况来评价材料的耐蚀性。这种方法由于试验条件与使用情况差异较大，无法真实反映桶内腐蚀情况，而且试验条件无法精确控制，使得评价结果的有效性和可靠性大打折扣；由于耗时过长，往往等样品发现出现腐蚀时，已有大批材料投放市场，造成不必要的损失。

而采用本发明的试样进行相应实验，能够有效解决上述问题，以下是具体实施例：

实施例1：

目的：采用本发明的试样并通过实验室模拟加速试验方法，评价一种不锈钢新钢种445J1M在模拟太阳能热水器使用环境下的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长150mm×宽100mm×厚度1mm，通过钨极惰性气体对接拼焊（以下简称TIG）后拍照，最后贴合采用点焊连接。

腐蚀试验：将试样放入加热炉内加热至180℃，保温5min，之后浸入室温3.5%NaCl溶液中冷却1min，然后再加热保温，如此反复一定周期后观察试样腐蚀形态，进行综合分析。采用这种方法加速模拟了用户检验产品泼洒盐水的过程。试验200周期后将试样沿点焊部位打开，并拍照。

对比样板实验前、后内外表面形貌，发现200周期实验后的试样外表面只有零星锈点，而在试样内表面，除了表面锈点外，还在点焊形成的缝隙处，因缝隙腐蚀而出现了大面积锈蚀。可见，对于该钢种该条件下，在可能的局部腐蚀中，缝隙腐蚀是最主要的失效形式。

实施例2：

目的：采用本发明的试样并通过实验室模拟加速试验方法，评价太阳能热水器行业应用最普遍的304不锈钢的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长150mm×宽100mm×厚度1mm，TIG对接拼焊后拍照，最后贴合采用点焊连接。

腐蚀试验：将试样放入加热炉加热至180℃，保温5min，之后浸入室温3.5%NaCl溶液中冷却1min，然后再加热保温，如此反复一定周期后观察试样腐蚀形态，进行综合分析。试验200周期后将试样沿点焊部位打开，并拍照。

对比样板实验前后内外表面形貌，我们发现了类似实施例1的结果，样品内表面点焊缝隙处也出现了因缝隙腐蚀而导致的大片锈迹。

比较实施例1和2两种材料的腐蚀情况，发现二者腐蚀程度接近。

实施例3：

目的：采用本发明的试样设计和实验室CCT加速腐蚀试验方法，评价一种不锈钢新钢种445J1M在模拟太阳能热水器使用环境下的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长150mm×宽100mm×厚度1mm，TIG对接拼焊后拍照，最后采用点焊连接。

腐蚀试验：将试样放入CCT循环腐蚀试验机中进行干湿交替试验。具体试验环境为：盐雾环境（35℃±2℃、50g/L±5g/LNaCL溶液）2小时，干环境（60℃±2℃、湿度<30%）4小时，湿环境（50℃±2℃、湿度>95%）2小时，如此循环。33个实验周期（264小时）后将试样取出，吹干后打开，展平，观察拍照。

根据试样腐蚀后照片，发现材料除了表面大面积锈蚀外，在缝隙处也出现最严重的锈蚀，焊缝则是另一个腐蚀比较严重的区域。

实施例4：

目的：采用本发明的试样设计和实验室CCT加速腐蚀试验方法，评价太阳能热水器行业应用最普遍的304不锈钢的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长150mm×宽100mm×厚度1mm，TIG对接拼焊后拍照，然后将样板按图2加工，采用点焊连接。

腐蚀试验条件与实施例3相同，33个实验周期（264小时）后将试样取出，吹干后打开，展平，观察拍照。

根据试样腐蚀后照片，同样发现，材料表面大面积锈蚀。缝隙处腐蚀有加速迹象但不如445J1M明显，焊缝也是另一个腐蚀比较严重的区域。

对比例1：

目的：采用实验室CCT方法和常规平板试样，评价一种不锈钢新钢种445J1M在模拟太阳能热水器使用环境下的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长75mm×宽50mm×厚度1mm，用3M胶带封边。

腐蚀试验条件与实施例3相同，33个实验周期（264小时）后将试样取出，吹干后观察拍照

根据试样试验后的表面状态，只能反映出材料表面出现了大量锈蚀，不能获得其它有用信息，无法获得材料优先发生的腐蚀类型。

对比例2：

目的：采用实验室CCT方法和常规平板试样，评价太阳能热水器行业应用最普遍的304不锈钢的腐蚀性能。

试样：样板尺寸为长75mm×宽50mm×厚度1mm，用3M胶带封边。

腐蚀试验条件与实施例3相同，33个实验周期（264小时）后将试样取出，吹干后观察拍照。

根据试样试验后的表面状态，只能反映出材料表面出现了大量锈蚀，锈蚀程度弱于445J1M，不能获得其它有用信息，无法获得材料优先发生的腐蚀类型。

根据上述实施例与对比例的比较，可以明显发现：采用常规平板样品进行腐蚀实验，最多只能反映材料表面腐蚀情况，无法考虑多种腐蚀行为综合竞争相互干扰后带来的结果，因此也很难评价出其在太阳能热水器使用环境下的综合腐蚀性能，其结果无太大参考价值。而采用本发明试样后，则可以通盘考虑各种可能存在的腐蚀因素，考虑其相互影响，并做出判断。根据结果可以看出，材料在模拟太阳能热水器腐蚀环境中，在综合考虑所有典型腐蚀形态综合竞争前提下，将最优先发生缝隙腐蚀。而根据从太阳能热水器用户处的实际统计，上述材料太阳能热水器内桶中发生腐蚀最严重且频率最大的也是在端盖与桶身接合处的缝隙腐蚀。由此可见，采用本发明的试样进行实验，可以在极短的时间内（三个工作日），实现所选材料针对特定使用条件下易发腐蚀类型的判断，与材料实际使用情况完全吻合，为该产品的使用指导及失效分析提供了有力的支撑。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种不锈钢腐蚀试验用试样，其特征在于，

该试样整体呈水滴形，包括两块对称设置的矩形样板，两样板的一对短边的端面通过相拼并焊接，另一对短边处的内侧面通过向中间弯曲并贴合相固定，该固定方式为点焊、咬接或铆接。

2.如权利要求1所述的不锈钢腐蚀试验用试样，其特征在于，

所述的样板的长度为50～500mm，宽度为30～300mm，厚度为0.3～3mm。

3.如权利要求1所述的不锈钢腐蚀试验用试样，其特征在于，

所述的两样板为相同的不锈钢材料或不同的不锈钢材料。

4.一种不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，其特征在于：

包括以下步骤：

A.制作两块矩形样板；

B.将两样板的一对短边的端面通过相拼并焊接；

C.将两样板向中间弯曲成U形状；

D.对U形状的样板平行段进行加压，将另一对短边处的内侧面相贴合并固定，形成一水滴形的试样，该固定方式为点焊、咬接或铆接。

5.如权利要求4所述的不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，其特征在于：

在步骤A中，通过剪切、锯切或电火花线切割的方式制作两块矩形样板，每块样板的长度为50～500mm，宽度为30～300mm，厚度为0.3～3mm，并对样板表面去油、超声波清洗后风干。

6.如权利要求4所述的不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，其特征在于：

在步骤A中，选择相同的不锈钢材料或者不同的不锈钢材料制作两样板。

7.如权利要求4所述的不锈钢腐蚀试验用试样的制作方法，其特征在于：

在步骤B中，在焊接后还对样板表面进行清洗去污、风干处理，并对样板正反面拍照记录。

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