
掃描電子顯微鏡(SEM)廣泛應(yīng)用于材料、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、生物、考古、石油、刑偵、造紙、紡織等研究領(lǐng)域。由于操作方便,制樣簡(jiǎn)單,景深大,成像富有立體感,SEM已成為表面分析的一種重要手段,并可配備能譜儀(EDS)、波譜儀(WDS)、背散射電子衍射儀(EBSD)等設(shè)備,甚至可以通過(guò)升級(jí)改造,實(shí)現(xiàn)與其它儀器設(shè)備(如激光拉曼光譜儀)的聯(lián)用,以得到更多的信息,使測(cè)試內(nèi)容更加多樣化。
現(xiàn)列舉實(shí)例闡述我所應(yīng)用掃描電鏡進(jìn)行金屬材料腐蝕與防護(hù)研究方面的情況。
按照美國(guó)材料學(xué)會(huì)(ASM)的定義,腐蝕分為五大類:均勻腐蝕,局部腐蝕,冶金質(zhì)量引起的腐蝕,環(huán)境引起的開(kāi)裂,微生物引起的腐蝕等。實(shí)際的金屬腐蝕行為比較復(fù)雜,往往是兩種以上腐蝕綜合作用的結(jié)果。通過(guò)SEM可以觀察腐蝕形貌,分析腐蝕機(jī)理,評(píng)價(jià)材料性能。
1. 微生物腐蝕
以硫酸鹽還原菌(SRB)對(duì)A3鋼和高錳鋁青銅的腐蝕為例。取回腐蝕后的樣品,為了觀察盡量真實(shí)的菌群形貌,將其中一個(gè)樣品用戊二醛固定。其它試樣用蒸餾水沖洗、干燥后直接放入電鏡樣品室。腐蝕形貌見(jiàn)圖1。
從圖1可以看出,A3鋼和鋁青銅的腐蝕產(chǎn)物形貌不同,但很明顯,二者都發(fā)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。從圖1a可以看出SRB呈紡錘形,長(zhǎng)約3μm,密集地分布在腐蝕產(chǎn)物周圍。圖1b顯示A3鋼表面覆蓋了一層致密的產(chǎn)物,其間分布著一個(gè)個(gè)突起的吸盤(pán)狀腐蝕產(chǎn)物。高錳鋁青銅表面的腐蝕產(chǎn)物比較疏松。圖1c右側(cè)產(chǎn)物脫落,露出直徑約35μm的點(diǎn)蝕坑。圖1d局部表現(xiàn)出腐蝕癤瘤,并且癤瘤互相有連接。這4張圖片是鋁青銅和A3鋼在SRB中典型的腐蝕形貌,說(shuō)明SRB對(duì)于這兩種金屬的腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕。
2. 斷口觀察
SEM景深大的特點(diǎn)對(duì)于斷口觀察非常有利,圖2是高強(qiáng)度鋼柱在海水中長(zhǎng)期服役發(fā)生的應(yīng)力腐蝕斷裂的形貌。
圖2a是斷口的宏觀形貌,表面很不平整,但整張圖片很清晰,沒(méi)有因高度不一而產(chǎn)生圖像發(fā)虛、無(wú)法聚焦的地方。圖2b是斷口處的橫切面,可以看出,腐蝕裂紋正向鋼柱縱深處延伸,海水正繼續(xù)往金屬內(nèi)部滲透。圖2c是斷口的中心處,表現(xiàn)出韌窩韌性斷裂的特點(diǎn)。圖2d表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂,表面有微孔,晶粒間有裂縫,說(shuō)明發(fā)生了氫脆腐蝕。
3. 沖刷腐蝕
金屬表面與流體(含多組元流體)的相互機(jī)械作用,或是受液體或固體沖擊的機(jī)械作用和化學(xué)作用所引起的表面材料損傷和損失,稱為沖刷腐蝕或沖蝕。我們研究的主要是艦船用金屬材料的沖刷腐蝕情況。圖3是四種金屬在海水介質(zhì)中的沖刷腐蝕形貌。
圖3a是黃銅的腐蝕形貌,表面能看出鋅的脫成分腐蝕,并且顯現(xiàn)出晶粒,出現(xiàn)沿晶腐蝕的特點(diǎn)。圖3b局部有馬蹄狀形貌,還有迎水側(cè)邊損耗的現(xiàn)象,水流的流向應(yīng)是從左上角往右下角。圖3c水流的方向從左往右非常明顯,表現(xiàn)出流線狀條紋。圖3d是B30的沖刷腐蝕表面,腐蝕出現(xiàn)向不同方向發(fā)展的臺(tái)階。
1.鈦基金屬氧化物涂層
在鈦基體表面加一層氧化物涂層作為陽(yáng)極,用于電解海水防污,它的使用性能和壽命是重要的考察指標(biāo),借助SEM可以研究其表面形貌與性能的關(guān)系。圖4是某鈦基貴金屬氧化物涂層的形貌。
從圖4a能看到涂層表面布滿龜裂紋,放大后在邊緣發(fā)現(xiàn)一些微小的顆粒狀析出物,見(jiàn)圖4b,這些析出物密集分布在裂紋邊緣上。試驗(yàn)證明,偏析物的存在能增加電極與溶液的接觸面積,從而得到高的電流效率。
2、鋅鋁涂層
在海洋環(huán)境中,船舶的內(nèi)艙和舷外結(jié)構(gòu)、平臺(tái)和港工設(shè)施的潮差飛濺及大氣段均存在著嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。這些部位采用常規(guī)的涂層和陰極保護(hù)技術(shù)無(wú)法滿足其長(zhǎng)效防護(hù)的要求,噴涂金屬防護(hù)涂層技術(shù)是目前國(guó)際上解決海洋環(huán)境長(zhǎng)效防護(hù)問(wèn)題的重要手段。掃描電鏡可以對(duì)其涂覆情況、防腐性能及使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5是鹽霧試驗(yàn)前后鋅鋁涂層的形貌。
圖5a是冷噴涂鋅鋁涂層的表面形貌,可見(jiàn)鋅鋁涂層緊密地平鋪在基體上,表面沒(méi)有孔隙。圖5b是經(jīng)過(guò)鹽霧試驗(yàn)后的表面,可見(jiàn)表面遭到破壞,產(chǎn)生了疏松的Al(OH)3和長(zhǎng)條狀的Zn(OH)2。
3、Ni—
化學(xué)鍍Ni—P合金作為一個(gè)無(wú)公害排放的表面處理工藝,曾獲得“綠色環(huán)保”技術(shù)的美稱,同時(shí)還具有高耐蝕性和高硬度的優(yōu)點(diǎn),成本低,操作簡(jiǎn)單。Ni—P鍍的表面呈現(xiàn)出光滑點(diǎn)綴半球狀鼓包。圖6是鹽霧試驗(yàn)前后的SEM圖像。
這組圖片是同一位置腐蝕前后的形貌對(duì)比。圖6a是剛制出的Ni—P鍍層,表面很光滑,有兩個(gè)鼓包。鹽霧試驗(yàn)后的形貌見(jiàn)圖6b,左側(cè)小包已經(jīng)完全破碎,右側(cè)的處于破碎的開(kāi)始階段。圖6很直觀地說(shuō)明,Ni—P鍍層在鹽霧試驗(yàn)中的腐蝕,首先由表面的鼓包開(kāi)始,由此向周圍擴(kuò)展。
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