Введение к работе
Актуальность темы. Углеродистые и низколегированные стали являются одним из важнейших конструкционных материалов промышленности, в силу чего возрастают требования к совершенствованию методов их антикоррозионной защиты, химического и электрохимического травления. Однако, разработка последних невозможна без знания закономерностей электрохимического поведения отдельных фазовых и структурных составляющих сплава, определяющих его структуру. Например, в составе травителей, полирующих смесей и в качестве фонового электролита используют перхлоратные среды, не учитывая при этом влияния морфологии поверхности на электрохимическое поведение сплава, что, в свою очередь, приводит к некорректной интерпретации кинетики его электрохимического растворения. В то же время, в отличие от чистого железа, отождествляемого с фазой феррита, в углеродистых сталях присутствует фаза цементита, значительно усложняющая кинетику электрохимических процессов, протекающих на железоуглеродистом сплаве. В свою очередь, ферритная и цементитная фазы входят в состав различных структурных составляющих железоуглеродистого сплава: межфазные границы феррит/цементит, межзеренные границы феррит/феррит, тело зерна структурно-свободного феррита, ферритная матрица перлита. Поэтому в последние десятилетия наблюдается рост научного интереса к изучению электрохимического поведения таких сложных систем с привлечением новых физических методов исследования состояния электродной поверхности в целом и внутреннего строения отдельных фазовых и структурных составляющих.
В то же время, из наиболее важных в прикладном аспекте процессов, обеспечивающих визуализацию микроструктуры железоуглеродистого сплава, являются его химическое и электрохимическое травление. В основе такой визуализации лежит селективность и различная скорость растворения отдельных элементов микроструктуры сплава, приводящие к формированию микрорельефа. Поскольку в настоящее время методы сканирующей зондовой, в частности атомно-силовой, микроскопии позволяют отслеживать in situ рельеф электродной поверхности с разрешением до нескольких нанометров, для развития электрохимической кинетики необходимы сведения о электрохимическом поведении отдельных фазовых и структурных составляющих сплава, соответствующие изменению состояния их поверхности в процессе электрохимического растворения. Таким образом, изучение влияния фазового и структурного состава на электрохимическое поведение железоуглеродистого сплава актуально как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах.
Цель: изучить влияние строения перлита и цементита на закономерности анодного поведения железоуглеродистых сплавов в перхлоратной среде.
Задачи:
-
Установить в какой очередности происходит анодное растворение элементов структуры: межфазных границ феррит/цементит, межзеренных границ феррит/феррит, тела зерна структурно-свободного феррита и ферритной матрицы пластинчатого и зернистого перлита.
-
Разработать методику уточнения анодных вольтамперограмм сплавов с учетом влияния морфологии отдельных структурных составляющих.
-
Оценить удельные скорости анодного и саморастворения элементов структуры доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавов.
-
Изучить влияние субструктуры цементита на скорость его анодного и саморастворения.
Научная новизна
Определена очередность развития анодного и саморастворения тела зерна структурно-свободного феррита, границ феррит/цементит и феррит/феррит, ферритной матрицы перлита в перхлоратной среде. Выявлено преобладание скорости растворения тела зерна структурно-свободного феррита над ферритной матрицей перлита при поляризации. Показано, что анодное поведение цементита определяется одновременным протеканием анодного растворения и механического разрушения. Выявлено, что при наложении и в отсутствие внешней поляризации механизм растворения цементита содержит различное число стадий. Рассчитаны удельные скорости анодного и саморастворения структурно-свободного феррита и ферритной матрицы пластинчатого и зернистого перлита сплавов с содержанием углерода до 1.200 масс.%.
Уточнены анодные вольтамперограммы доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавов на основе измерения шероховатости поверхности in situ методом АСМ. Показано, что уточнение анодных вольтамперограмм с учетом изменения рельефа и площади электродной поверхности при поляризации повышает значения их тафелевских наклонов.
Изучено влияние строения перлитной составляющей эвтектоидных сплавов на их анодное поведение в перхлоратной среде. Показано, что механизм анодного растворения сплава с пластинчатой формой цементита отличается от такового с глобулярным цементитом.
Практическая значимость работы
Установленные очередности процессов саморастворения элементов структуры феррито-цементитных сплавов и их растворения при анодной поляризации могут быть использованы для оптимизации химических и электрохимических методов травления, а также режимов электрохимической полировки нелегированных сталей с содержанием углерода до 1.2 масс.%.
Рассчитанные значения удельных скоростей анодного и саморастворения структурно-свободного феррита и ферритной матрицы перлита позволяют на основе металлографических измерений прогнозировать скорость электрохимической коррозии нелегированных сталей.
Положения, выносимые на защиту:
– очередность развития растворения элементов ферритной, феррито-перлитной, перлитной и перлито-цементитной структур в перхлоратной среде в диапазоне рН 1.55.5 в условиях анодного и саморастворения;
– данные о влиянии субструктуры цементита на скорость его анодного и саморастворения в перхлоратной среде;
– результаты расчета скоростей анодного и саморастворения структурно-свободного феррита и ферритных матриц пластинчатого и зернистого перлита;
– расчет и анализ уточненных анодных вольтамперограмм доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных железоуглеродистых сплавов на основе измерения шероховатости поверхности in situ методом АСМ в перхлоратной среде;
– данные о влиянии строения перлитной составляющей эвтектоидных сплавов на их анодное поведение в перхлоратной среде.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на XVII Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2010», г. Москва; Международной конференции «Актуальные проблемы химической науки, практики и образования», г. Курск, 2009 г; IV Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» ФАГРАН-2008, г. Воронеж; Всероссийских конференциях «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания», г. Липецк, 2007г и 2010г.
В 2009 году получено свидетельство о выполнении научно-исследовательской работы в научно-образовательном центре Воронежского государственного университета в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Публикации. Полученные результаты изложены в 20 работах, в том числе 6 статьях, из которых 3 в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации материалов диссертации [1-3], и 14 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 172 наименований и приложения, содержит 11 таблиц и 91 рисунок, изложена на 157 страницах машинописного текста.
