钢铁材料耐海洋与工业大气环境腐蚀实验

一、实验目的

二、实验设备

1. 盐雾试验箱：型号为 [具体型号]，具备精确的温度、湿度和盐雾浓度控制功能，可模拟海洋环境中的盐雾腐蚀条件。

2. 二氧化硫腐蚀试验箱：能够调节二氧化硫气体浓度、温度和湿度，用于模拟工业大气中含硫污染物的腐蚀环境。

3. 高精度分析天平：用于测量钢铁材料在腐蚀实验前后的质量变化，精确到 0.1mg，以计算腐蚀速率。

4. 金相显微镜：型号 [具体型号]，用于观察钢铁材料腐蚀后的微观组织结构变化，分析腐蚀对材料内部结构的影响。

5. 扫描电子显微镜（SEM）：搭配能谱分析仪（EDS），可对腐蚀产物的形貌、成分进行详细分析，深入探究腐蚀机理。

三、实验材料

1. 实验钢铁材料：选取不同种类的钢铁材料，包括普通碳素钢（如 Q235）、低合金钢（如 Q345）以及不锈钢（如 304、316 不锈钢），每种材料制备成标准尺寸的试样，试样形状为长方体，尺寸为 50mm×25mm×3mm。

2. 腐蚀介质：

• 盐雾试验：采用质量分数为 5% 的氯化钠（NaCl）溶液作为盐雾腐蚀介质，溶液需使用去离子水配制，以确保纯度。

• 二氧化硫腐蚀试验：使用纯度为 99.9% 的二氧化硫（SO₂）气体作为工业大气腐蚀模拟介质，通过气体流量计精确控制其在试验箱内的浓度。

四、实验设置

1. 盐雾试验参数设置：

• 盐雾箱内温度设定为 35℃±2℃，这一温度接近海洋环境的平均温度，有利于加速盐雾腐蚀反应。

• 盐雾沉降量控制在 1 - 2mL/80cm²・h，通过调节喷雾压力和时间来实现，确保盐雾均匀地覆盖在钢铁试样表面。

• 实验周期为 720 小时，期间每隔 24 小时取出试样进行一次外观观察和质量测量，记录腐蚀情况的变化。

2. 二氧化硫腐蚀试验参数设置：

• 试验箱内温度设置为 40℃±2℃，模拟工业环境中较为典型的温度条件。

• 二氧化硫气体浓度维持在 100ppm±10ppm，以反映工业大气中含硫污染物的浓度水平。

• 相对湿度控制在 70% RH±5% RH，通过加湿器和除湿器协同工作来保证湿度的稳定。

• 实验时长为 480 小时，每 12 小时对试样进行一次检查，观察腐蚀特征并记录相关数据。

五、实验步骤

1. 试样制备与预处理

• 将钢铁材料试样使用砂纸依次从 200# 打磨至 1000#，使试样表面平整、光滑，去除表面的氧化皮和加工痕迹。

• 用无水乙醇对试样进行超声清洗 10 分钟，去除表面的油污和杂质，然后在干燥箱中以 60℃的温度干燥 2 小时，使试样处于干燥、洁净的状态。

• 使用精度为 0.01mm 的游标卡尺测量试样的尺寸，并记录初始尺寸数据，用于后续计算腐蚀体积损失。

• 使用分析天平测量试样的初始质量，精确到 0.1mg，作为腐蚀质量损失计算的基础数据。

2. 盐雾试验操作

• 将预处理后的试样放置在盐雾试验箱内的试样架上，试样与垂直方向成 20° - 30° 夹角，确保盐雾能够均匀地沉降在试样表面。

• 按照设定的盐雾试验参数启动盐雾试验箱，开始盐雾腐蚀实验。在实验过程中，定期检查盐雾箱的运行状态，包括温度、湿度、盐雾浓度和喷雾系统等，确保实验条件的稳定。

• 每隔 24 小时，使用镊子将试样从盐雾箱中取出，用去离子水轻轻冲洗试样表面的盐雾沉积物，然后用滤纸吸干表面水分，注意不要损伤试样表面的腐蚀产物。

• 使用分析天平测量试样的质量，记录质量数据，并观察试样表面的腐蚀形貌，如腐蚀坑的大小、深度、分布等，使用数码相机拍摄试样表面照片，以便后续对比分析。

3. 二氧化硫腐蚀试验操作

• 将另一组预处理后的试样放入二氧化硫腐蚀试验箱内的专用支架上，确保试样之间互不接触且均匀分布在箱内。

• 依据设定的二氧化硫腐蚀试验参数开启试验箱，启动二氧化硫气体供应系统和温湿度控制系统，开始实验。在实验期间，持续监测试验箱内的二氧化硫浓度、温度和湿度，使其保持在设定范围内。

• 每 12 小时打开试验箱，迅速取出试样，在通风橱内观察试样的腐蚀情况，记录腐蚀特征，如变色、生锈、腐蚀产物的形态等。同样使用分析天平测量试样质量，并拍摄表面照片。观察完毕后，将试样尽快放回试验箱内，继续实验，以减少环境变化对实验结果的影响。

4. 腐蚀后分析

• 盐雾试验和二氧化硫腐蚀试验结束后，将试样从试验箱中取出，再次用去离子水清洗试样表面的腐蚀产物，然后采用化学清洗法（如使用特定的除锈剂）去除顽固的腐蚀产物，清洗后的试样用酒精冲洗并干燥。

• 使用金相显微镜观察试样腐蚀后的微观组织结构，分析腐蚀对晶粒边界、相组成等微观结构的影响，拍摄金相照片。

• 利用扫描电子显微镜（SEM）对腐蚀产物进行形貌观察，通过能谱分析仪（EDS）测定腐蚀产物的元素组成，确定腐蚀产物的成分，从而深入探究腐蚀机理。

• 根据实验前后试样的质量变化和尺寸变化，计算钢铁材料在盐雾和二氧化硫腐蚀环境下的腐蚀速率。腐蚀速率计算公式为：（其中，为腐蚀速率，为试样初始质量，为试样腐蚀后质量，为试样表面积，为实验时间，为钢铁材料密度），对于尺寸变化引起的腐蚀体积损失，可通过测量腐蚀前后试样的尺寸变化计算得出。

六、实验注意事项

1. 实验人员在操作盐雾试验箱和二氧化硫腐蚀试验箱时，应严格遵守操作规程，佩戴防护手套、护目镜等个人防护装备，防止盐雾、二氧化硫气体等对人体造成伤害。

2. 试验箱内的温度、湿度、盐雾浓度和二氧化硫浓度等参数应定期进行校准，确保实验数据的准确性和可靠性。校准周期建议为每 3 个月一次，可使用标准温度计、湿度计、盐雾浓度计和二氧化硫检测仪进行校准。

3. 在试样制备和处理过程中，应确保试样表面的处理条件一致，如砂纸打磨的力度、方向、时间以及清洗的方法和时间等，以减少实验误差。

4. 实验过程中，应保持实验室环境的清洁和干燥，避免灰尘、杂质等对实验结果产生影响。同时，要注意试验箱的通风换气，及时排出试验过程中产生的有害气体。

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