挂片试验_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

挂片试验技术方法研究

挂片试验是一种经典的腐蚀与防护性能评价方法，通过将预先制备的标准化金属试片（即挂片）暴露于特定的腐蚀环境中，经过一定周期后取出，通过测量其质量、尺寸、力学性能的变化以及观察表面形貌，来定量和定性评估材料的耐腐蚀性能、缓蚀剂的效果或环境的腐蚀性。该方法具有直观、可靠、经济等特点，在工业领域应用广泛。

一、检测项目

挂片试验的检测项目根据试验目的可分为以下几类：

腐蚀速率计算：这是最核心的定量指标。通过测量挂片在试验前后的质量变化，计算得出平均腐蚀速率。
- 计算公式：通常采用以下公式计算：
  腐蚀速率 = (K × ΔW) / (A × T × D)
  其中：
  - K 为常数（取决于速率单位，如对于毫米/年，K值通常为8.76×10⁴）。
  - ΔW 为质量损失（克）。
  - A 为挂片暴露的总表面积（平方厘米）。
  - T 为暴露时间（小时）。
  - D 为材料密度（克/立方厘米）。
- 解释：该结果反映了材料在单位时间内的平均厚度损失，是评价材料耐蚀性的关键依据。
点蚀评价：对于局部腐蚀行为的评估，此项目尤为重要。
- 点蚀深度测量：使用点蚀深度计或光学显微镜测量挂片表面出现的最深点蚀坑的深度。
- 点蚀密度计算：统计单位面积上的点蚀坑数量。
- 点蚀因子：通过最大点蚀深度与平均腐蚀深度（由腐蚀速率换算）的比值来评估局部腐蚀的严重程度。点蚀因子越大，表明局部腐蚀风险越高。
表面形貌分析：
- 宏观形貌：观察并记录挂片表面的腐蚀产物颜色、分布、是否起泡、剥落等。
- 微观形貌：利用体视显微镜或扫描电子显微镜（SEM）观察腐蚀产物的微观结构、裂纹形态以及点蚀、缝隙腐蚀的微观特征。
腐蚀产物分析：
- 成分分析：采用X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）等技术确定腐蚀产物的化学组成和物相结构，有助于分析腐蚀机理。
力学性能变化评估（可选）：
- 对于需要评估腐蚀对材料力学性能影响的试验，可在试验前后对挂片进行拉伸试验，测量其抗拉强度、屈服强度和延伸率的变化。
缓蚀剂效率评价（当试验目的为此项时）：
- 计算公式：缓蚀效率 = [(V₀ - V₁) / V₀] × 100%
  其中：
  - V₀ 为未加缓蚀剂时的腐蚀速率。
  - V₁ 为添加缓蚀剂后的腐蚀速率。

二、检测范围

挂片试验适用于多种材料和腐蚀环境，常见的检测样品/体系包括：

金属材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金、镍基合金、钛及钛合金等。
工业介质：
- 水系统：循环冷却水、锅炉给水、油田采出水、海水、工业废水等。
- 化学工艺介质：酸、碱、盐溶液以及各种有机化工原料和产品。
- 大气环境：工业大气、海洋大气、乡村大气等（此时试验称为“大气暴露挂片试验”）。
涂层与防护层：用于评价电镀层、化学镀层、涂料层、防锈油等在特定环境下的保护性能。
模拟工况：在实验室中模拟高温高压、流动状态等实际工况，对设备候选材料进行筛选和评价。

三、标准方法

挂片试验的实施需遵循严格的标准规范，以确保结果的可靠性和可比性。国内外相关标准主要涵盖以下几个方面：挂片制备、清洗程序、试验装置和结果计算。

国际标准
- ASTM G1：《Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens》（制备、清洗和评价腐蚀试验试样的标准规程）。这是挂片试验最基础、最核心的参考标准。
- ASTM G31：《Standard Guide for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals》（金属实验室浸入式腐蚀试验标准指南）。详细规定了浸入试验的通用方法。
- ASTM G46：《Standard Guide for Examination and Evaluation of Pitting Corrosion》（点蚀的检查和评价标准指南）。
- NACE TM0169 / ASTM G31：《Laboratory Corrosion Testing of Metals》（金属的实验室腐蚀试验），在石油天然气工业应用广泛。
- ISO 8407：《Corrosion of metals and alloys — Removal of corrosion products from corrosion test specimens》（金属与合金的腐蚀-从腐蚀试验试样上清除腐蚀产物）。
- ISO 11845：《Corrosion of metals and alloys — General principles for corrosion testing》（金属与合金的腐蚀-腐蚀试验通用原则）。
中国国家标准
- GB/T 16545：《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》。
- GB/T 18590：《金属和合金的腐蚀点蚀评定方法》。
- GB/T 10124：《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》。
- SY/T 0026：《水腐蚀性测试方法挂片法》，主要针对油田水系统。
- HB 5257：《钢及合金均匀腐蚀全浸试验方法》，在航空工业领域常用。

四、检测仪器

挂片试验涉及的主要检测设备及其功能如下：

挂片试验装置：
- 试验容器：由玻璃、塑料或耐蚀金属（如不锈钢）制成的烧杯、反应釜或特制试验箱，用于盛放腐蚀介质和悬挂试片。
- 恒温系统：包括水浴锅或油浴锅，用于维持试验介质在整个暴露期间的温度恒定，消除温度波动对腐蚀速率的影响。
- 搅拌系统：磁力搅拌器或机械搅拌器，用于模拟流体流动状态，避免介质分层和腐蚀产物在挂片表面过度积聚。
挂片制备与处理设备：
- 精密切割机：用于将原材料切割成标准尺寸的挂片毛坯。
- 磨床/抛光机：用于对挂片表面进行精磨和抛光，以获得统一、光洁的表面状态，这是保证结果可比性的前提。
- 干燥器：用于存放清洗后并干燥的挂片，避免在试验前发生大气腐蚀。
分析测量仪器：
- 分析天平：精度至少为0.1 mg，用于精确称量试验前后挂片的质量。
- 体视显微镜：用于低倍数下观察挂片的宏观腐蚀形貌和初步判断点蚀分布。
- 金相显微镜/扫描电子显微镜（SEM）：用于高倍数下观察腐蚀的微观机理，如晶间腐蚀、点蚀形貌、裂纹扩展等。
- X射线衍射仪（XRD）：用于分析腐蚀产物的物相组成。
- 能谱仪（EDS）：通常与SEM联用，用于分析腐蚀产物及基体表面的元素分布。
- 点蚀深度测量仪：专用千分表或带有探针的测量系统，用于精确测量点蚀坑的深度。