不銹鋼具有較好的焊接性能、拋光性能、耐熱性能以及優(yōu)良的抗全面腐蝕能力，因此被廣泛應(yīng)用于油井、油氣管線、化工裝置、火電核電設(shè)施、國(guó)防武器裝備等諸多領(lǐng)域。然而，點(diǎn)腐蝕是不銹鋼設(shè)備腐蝕失效的主要形式之一，點(diǎn)蝕的發(fā)生具有隨機(jī)性和隱蔽性，很難通過有效的檢測(cè)方法做出估計(jì)。

    通過開爾文探針可以測(cè)試出不同粗糙度不銹鋼表面的功函數(shù)，得到功函數(shù)對(duì)應(yīng)的粗糙度關(guān)系，這對(duì)研究表面粗糙度對(duì)點(diǎn)腐蝕發(fā)生的影響有重要的作用，得到不銹鋼的表面狀態(tài)參數(shù)，能準(zhǔn)確地反映出所測(cè)定材料表面的結(jié)構(gòu)特征與發(fā)生的物理化學(xué)變化，對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕敏感性的機(jī)理研究起到很大的幫助。

    1 試驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)KPTechnology公司RHCO20型掃描開爾文探針，掃描開爾文探針技術(shù)概況如圖1。

    圖1 掃描開爾文探針系統(tǒng)

    試樣樣品為 1 cm × 1 cm方形304不銹鋼試樣，其化學(xué)成分見表1。

    表1  304不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）

    三維顯微鏡原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)采用日本浩視公司KH770三維顯微鏡原位監(jiān)測(cè)304不銹鋼早期點(diǎn)腐蝕，用日本浩視公司KH770三維顯微鏡對(duì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕的試樣表面進(jìn)行點(diǎn)蝕形貌分析，計(jì)算點(diǎn)蝕深度、體積面積，分析點(diǎn)蝕坑生長(zhǎng)規(guī)律。

    2  結(jié)果與討論

    2.1 開爾文探針探測(cè)不銹鋼表面功函數(shù)

    四種不同粗糙度的不銹鋼原位監(jiān)測(cè)局部電位變化與三維顯微鏡監(jiān)測(cè)試樣表面局部狀態(tài)對(duì)比見圖2。結(jié)果表明，粗糙度越大，則功函數(shù)波動(dòng)越大。功函數(shù)反映表面物理與化學(xué)特性的穩(wěn)定性，不銹鋼表面功函數(shù)波動(dòng)越大，則試樣表面特性越不穩(wěn)定，在外界誘導(dǎo)下易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

    圖2  不同表面粗糙度對(duì)應(yīng)的功函數(shù)圖 ：（a）0.25 μm；（b）0.21 μm；（c） 0.15 μm；（d）0.10 μm；

    在不銹鋼表面上，點(diǎn)蝕都是在一些敏感區(qū)域生成。這些敏感位置（即點(diǎn)蝕活性點(diǎn)）包括： 晶界、晶格缺陷 、非金屬夾雜（特別是硫化物如MnS），都是很容易發(fā)生點(diǎn)蝕的地方。通過開爾文探針表征表面狀態(tài)的功函數(shù)，找出這些點(diǎn)蝕敏感區(qū)域，就能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕的萌生地點(diǎn)。

    2.2 三維視頻顯微鏡分析點(diǎn)蝕形貌

    如下圖3是粗糙度為0.10 μm 的304不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%NaCl溶液中25℃下恒溫浸泡24 h點(diǎn)蝕形貌。其點(diǎn)蝕形貌是一上寬下窄形狀不規(guī)則的蝕坑，蝕坑向四周腐蝕，主要向主視圖上下兩個(gè)方向生長(zhǎng)，由于這兩個(gè)方向存在點(diǎn)蝕活性點(diǎn)（晶界、晶格缺陷、非金屬夾雜），留下不規(guī)則的狹長(zhǎng)蝕坑形貌。這些蝕坑是穩(wěn)定生長(zhǎng)的，會(huì)隨著浸泡腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù)長(zhǎng)大。

    圖 3  粗糙度為  0.10 μm 的304不銹鋼在3%NaCl溶液中浸泡24h后點(diǎn)蝕形貌

    如下圖4是粗糙度為0.15 μm 的304不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%NaCl溶液中25℃下恒溫浸泡24 h點(diǎn)蝕形貌。其點(diǎn)蝕形貌最主要是不規(guī)則的圓錐型，蝕坑向四周腐蝕，留下不規(guī)則的四周形貌。這些蝕坑是穩(wěn)定生長(zhǎng)的，會(huì)隨著浸泡腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

    圖 4  粗糙度為 0.15 μm 的304不銹鋼在3%NaCl溶液中浸泡24h后點(diǎn)蝕形貌

    如下圖5是粗糙度為0.21 μm 的304不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%NaCl溶液中25℃下恒溫浸泡24 h點(diǎn)蝕形貌。其點(diǎn)蝕形貌類似圖3形貌，蝕坑向四周腐蝕，留下不規(guī)則的四周形貌，但受某些點(diǎn)蝕敏感點(diǎn)的作用形貌略有不同。圖5-c‘蝕坑深度較圖4-b’和圖3-a‘深。這些蝕坑是穩(wěn)定生長(zhǎng)的，會(huì)隨著浸泡腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

    圖5  粗糙度為 0.21 μm 的304不銹鋼在3%NaCl溶液中浸泡24h后點(diǎn)蝕形

    如下圖6是粗糙度為0.25 μm 的304不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%NaCl溶液中25℃下恒溫浸泡24 h點(diǎn)蝕形貌。較圖3、圖4、圖5，該蝕坑腐蝕明顯嚴(yán)重。這些蝕坑是穩(wěn)定生長(zhǎng)的，會(huì)隨著浸泡腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

    圖6  粗糙度為 0.25 μm 的304不銹鋼在3%NaCl溶液中浸泡24h后點(diǎn)蝕形貌

    表 2 不同粗糙度的304不銹鋼在3%NaCl溶液中點(diǎn)蝕幾何參數(shù)

    近年來，人們對(duì)宏觀點(diǎn)蝕定量模型不斷研究探討，Newman在濃度梯度的基礎(chǔ)上提出了解釋點(diǎn)蝕生長(zhǎng)的半定量模型，并認(rèn)為點(diǎn)蝕生成時(shí)產(chǎn)生的花邊蓋阻滯了物質(zhì)的傳遞，因而使得點(diǎn)蝕成瓶頸狀發(fā)展。Macdonald根據(jù)鈍化膜的點(diǎn)蝕缺陷模型提出了關(guān)于點(diǎn)蝕引發(fā)的具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的分布函數(shù)。

    3  結(jié)論

    （1）功函數(shù)反映出了所測(cè)定表面的結(jié)構(gòu)特征與發(fā)生的物理化學(xué)變化，隨不銹鋼表面粗糙度升高，不銹鋼表面功函數(shù)隨之升高。粗糙度高的不銹鋼表面功函數(shù)波動(dòng)很大，點(diǎn)蝕敏感區(qū)易發(fā)生點(diǎn)蝕。

    （2）三維視頻顯微鏡監(jiān)測(cè)試樣結(jié)果顯示，隨粗糙度的增大，不銹鋼在相同腐蝕介質(zhì)和相同腐蝕時(shí)間下，蝕坑越來越大，蝕坑最大深度越來越大，不銹鋼表面耐腐蝕性能隨之降低。

    （3）開爾文探針技術(shù)檢測(cè)不銹鋼表面耐蝕敏感性與三維視頻顯微鏡監(jiān)測(cè)試樣結(jié)果一致，說明開爾文探針檢測(cè)不銹鋼表面狀態(tài)，找出點(diǎn)蝕敏感區(qū)域，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕萌生地點(diǎn)有重要作用。

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責(zé)任編輯：王元

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