Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong điều kiện khí hậu nhiệt đới việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

HOÀNG LÂM HỒNG

NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH LỚP BẢO VỆ VÀ
KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA THÉP BỀN THỜI TIẾT
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KIM LOẠI HỌC

HÀ NỘI, 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

HOÀNG LÂM HỒNG

NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH LỚP BẢO VỆ VÀ
KHẢ NĂNG CHỐNG ĂN MÒN CỦA THÉP BỀN THỜI TIẾT
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: KIM LOẠI HỌC
MÃ SỐ: 9.44.01.29

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. LÊ THỊ HỒNG LIÊN
TS. PHẠM THI SAN

HÀ NỘI, 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nào mà không có tôi tham gia.

Tác giả

Hoàng Lâm Hồng


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Lê Thị Hồng Liên và TS.
Phạm Thi San đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự cộng tác, giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ trong
Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu, viện Khoa học vật liệu, đặc biệt là các đồng


nghiệp trong nhóm Hóa học nước và Ăn mòn và nhóm Phân tích cấu trúc tế vi của
vật liệu.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp thuộc viện Nghiên cứu vật liệu quốc gia Nhật bản
(NIMS) và Tập đoàn thép Nhật Bản (JFE) đã cung cấp thép Cor-Ten B để tôi tiến
hành thử nghiệm, đồng thời đã giúp tôi tiến hành phân tích cấu trúc pha định lượng
lớp sản phẩm ăn mòn trên thép sau thử nghiệm.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ thuộc các trạm thử nghiệm đã giúp đỡ tôi trong quá
trình thử nghiệm mẫu trong tự nhiên.
Các kết quả thử nghiệm trong nội dung luận án được hoàn thành dưới sự hỗ trợ của
các đề tài Khoa học công nghệ quỹ Nafosted và đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam
– Nhật Bản – Thái Lan. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý giá này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng tới Ban lãnh đạo viện Khoa học vật liệu, bộ
phận Đào tạo viện Khoa học vật liệu đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
hoàn thành tốt công việc của mình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và
người thân trong gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận án.


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG……………………………………………………….......... iv
DANH MỤC HÌNH ……………………………………...……………….. ……

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………… ….. x
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………..

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN THÉP BỀN THỜI TIẾT TRONG KHÍ
QUYỂN………………………………………………………………………

4

1.1. Lịch sử phát triển của thép bền thời tiết……………………………………… 5
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền ăn mòn của thép bền thời tiết…………

7

1.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí quyển………………………… 7
1.2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hóa đến quá trình ăn mòn thép bền
thời tiết…………………………………………………………………………. 14
1.2.2.1. Ảnh hưởng của nguyên tố phốt pho P……………………………… 15
1.2.2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố đồng Cu………………………………… 15
1.2.2.3. Ảnh hưởng của nguyên tố crom Cr………………………………….. 18
1.2.2.4. Ảnh hưởng của nguyên tố niken Ni………………………………… 19
1.3. Đặc điểm của lớp sản phẩm ăn mòn trên thép bền thời tiết…………………

20

1.3.1. Thành phần của lớp sản phẩm ăn mòn trên thép bền thời tiết…………..

20

1.3.2. Cấu trúc của lớp gỉ trên thép bền thời tiết……………………………..

22

1.4. Cơ chế hình thành và phát triển của lớp sản phẩm ăn mòn trên thép bền thời
tiết…………………………………………………………………………….

23

1.4.1. Cấu trúc 2 lớp của lớp gỉ theo quan điểm của Horton………………

23

1.4.2. Sự hình thành lớp sản phẩm ăn mòn theo cơ chế điện hóa…………

24

1.4.3. Cơ chế tạo thành lớp sản phẩm ăn mòn trên WS theo quan điểm hiện đại.. 25
1.4.4. Sự phát triển của lớp gỉ trên thép bền thời tiết khi thử nghiệm trong thời gian
dài……………………………………………………………………………… 27
1.5. Một số điều kiện giới hạn để sử dụng thép bền thời tiết ở trạng thái không sơn
phủ……………………………………………………………………………
29
i


1.6. Đặc trưng của khí hậu Việt Nam…………………………………………

30

1.7. Tình hình nghiên cứu quá trình ăn mòn thép bền thời tiết ở Việt Nam……

35

Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………

37

2.1. Vật liệu nghiên cứu………………………………………………………

37

2.2. Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………

38

2.2.1. Thử nghiệm ngoài trời trong khí quyển tự nhiên không mái che……

38

2.2.2. Nghiên cứu cấu tạo và tính chất của lớp sản phẩm ăn mòn bằng các phương
pháp phân tích vật lí……………………………………………………….

39

2.2.3. Nghiên cứu tính chất của lớp SPAM bằng phương pháp điện hóa……..

43

2.2.4. Các phương pháp phân tích tạp khí khí quyển………………………….

46

Chương 3. ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH ĂN MÒN THÉP BỀN THỜI TIẾT TRONG
ĐIỀU KIỆN KHÍ QUYỂN VIỆT NAM……………………………………….

48

3.1. Tổn hao ăn mòn của thép bền thời tiết……………………………………

48

3.2. Quy luật động học ăn mòn khí quyển của thép bền thời tiết………………

50

3.3. Vai trò và quy luật tác động của các thông số môi trường đến quá trình ăn mòn
thép bền thời tiết…………………………………………………………………. 54
3.3.1. Tác động của nhiệt độ………………………………………………

57

3.3.2. Tác động của tỷ lệ thời gian khô/ướt………………………………..

58

3.3.3. Tác động của mưa ……………………………………………………

59

3.3.4. Tác động của độ muối khí quyển……………………………………

60

3.3.5. Tác động của hàm lượng SO2 trong khí quyển……………………….

61

3.3.6. Tác động của yếu tố mùa đến AMKQ WS……………………………… 61
Chương 4. SỰ HÌNH THÀNH VÀ KHẢ NĂNG BẢO VỆ CỦA LỚP SẢN PHẨM
ĂN MÒN TRÊN THÉP BỀN THỜI TIẾT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ QUYỂN VIỆT
NAM…………………………………………………………………………..
68
4.1. Sự hình thành lớp sản phẩm ăn mòn trên thép bền thời tiết trong giai đoạn đầu của
thử nghiệm…………………………………………………………………….
68
4.1.1. Hình thái học bề mặt của lớp sản phẩm ăn mòn…………………….

70

4.1.2. Sự xuất hiện các pha SPAM trong giai đoạn sớm………………….

71

ii


4.1.3. Sự xuất hiện của các nguyên tố hợp kim hóa trong SPAM ở giai đoạn đầu của
thử nghiệm…………………………………………………………………….

75

4.2. Đặc trưng tính chất và khả năng bảo vệ của lớp sản phẩm ăn mòn trên thép bền
thời tiết khi thử nghiệm dài hạn………………………………………………

77

4.2.1. Hình thái học bề mặt và cấu trúc mặt cắt ngang của lớp SPAM…….

77

4.2.2. Thành phần pha của lớp SPAM………………………………………

82

4.2.3. Sự phân bố của các nguyên tố đồng (Cu) và crom (Cr) trong lớp SPAM…86
4.2.4. Khả năng bảo vệ của lớp sản phẩm ăn mòn tạo thành trên WS…….

90

4.3. Cơ chế hình thành và phát triển lớp gỉ bảo vệ trên thép bền thời tiết trong điều
kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam……………………………………………

96

KẾT LUẬN…………………………………………………………………….

101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ………………………….

103

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………

104

iii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại WS thông dụng, % khối lượng….

6

Bảng 1.2. Mức độ ảnh hưởng của tạp khí trong khí quyển tới một số kim loại…

11

Bảng 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng S và Cu đến AMKQ của WS trong môi trường
khí quyển công nghiệp……………………………………………….
17
Bảng 1.4. Thành phần của SPAM trên WS…………………………………..

21

Bảng 2.1. Thành phần hóa học của mẫu thử nghiệm, % khối lượng……………..

38

Bảng 3.1: Đặc điểm của môi trường thử nghiệm (giá trị trung bình năm từ 20102013)…………………………………………………………………….. 48
Bảng 3.2. Phương trình mô tả THAM WS ở các trạm thử nghiệm…………..

52

Bảng 3.3. Phương trình mô tả THAM thép CS ở các trạm thử nghiệm (tính toán từ đồ
thị trong hình 3.6)…………………………………………………..
53
Bảng 3.4. THAM WS tính từ phương trình động học trong thời gian 20 năm….

54

Bảng 3.5. Các thông số của môi trường thử nghiệm, số liệu trung bình năm 2014.. 55
Bảng 3.6. Các thông số của môi trường khí quyển Hà Nội (giá trị trung bình tháng năm
2015)………………………………………………………………….
62
Bảng 3.7. Các thông số của môi trường khí quyển Đồng Hới (giá trị trung bình tháng
năm 2015)…………………………………………………………..
65
Bảng 4.1. Các thông số khí tượng khi thử nghiệm ngắn ngày………………..

69

Bảng 4.2. Thành phần hoá học của nguyên tố Cr và Cu trong lớp SPAM sát bề mặt
WS trong giai đoạn thử nghiệm sớm tại các trạm, % khối lượng………
Bảng 4.3. Thành phần các pha SPAM của lớp gỉ trên WS, % khối lượng………

76
84

Bảng 4.4. Thành phần pha Lepidocrocite, pha vô định hình và các tỷ lệ ư, k/ư phụ
thuộc vào thời gian thử nghiệm……………………………………...

85

Bảng 4.5. Giá trị điện trở sau khi fit mạch……………………………………

95

iv


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số công trình xây dựng sử dụng thép bền thời tiết: a) - cầu vượt đại lộ
Melbourne (Úc), b) - tháp kỉ niệm 100 năm Hokaido (Nhật Bản), c) - cầu New
River Gorge (Mĩ)………………………………………………………..

4

Hình 1.2. So sánh tổn hao do ăn mòn của thép Corten B, thép ổ trục chứa Cu và CS
trong môi trường khí quyển công nghiệp tại Kearny, Mỹ…………….
5
Hình 1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối đến AMKQ của thép cán…………..

8

Hình 1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới TĐAM của một số hợp kim của sắt……… 8
Hình 1.5. Tổn hao do ăn mòn theo thời gian của thép Corten A (a) và Corten B (b)
trong các môi trường khí quyển khác nhau…………………………..
10
Hình 1.6. Ảnh hưởng của độ muối khí quyển đến TĐAM của WS……………..

12

Hình 1.7 Tổn hao do ăn mòn theo thời gian thử nghiệm của WS và CS trong khí quyển
có hàm lượng SO2 khác nhau………………………………………………. 13
Hình 1.8. Tổn hao khối lượng do ăn mòn của WS là hàm của mức độ ô nhiễm SO2
trong khí quyển………………………………………………………….
14
Hình 1.9. Ảnh hưởng của hàm lượng Cu và P đến độ bền ăn mòn của WS, môi trường
khí quyển công nghiệp ở Bayonne (trái) và Kearny (phải)……………..
15
Hình 1.10. Ảnh hưởng của hàm lượng Cu đến độ bền ăn mòn của WS trong các môi
trường khí quyển khác nhau…………………………………………….
16
Hình 1.11. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr và Cu đến độ bền ăn mòn của WS trong môi
trường khí quyển công nghiệp sau 18,1 năm……………………………….. 18
Hình 1.12. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr và Cu đến độ bền ăn mòn của WS tại Kearny
(khí quyển công nghiệp) và Kure (khí quyển biển), thời gian: 3,5 năm……. 19
Hình 1.13. Ảnh hưởng của hàm lượng Ni đến độ bền ăn mòn của WS tại Kure (khí
quyển biển), thời gian: 15,5 năm……………………………………….
19
Hình 1.14. Ảnh hưởng của hàm lượng Cu đến TĐAM của WS chứa 1% Ni tại Kearny
(khí quyển công nghiệp) và Kure (khí quyển biển), thời gian: 15,5 năm…
20
Hình 1.15. Sơ đồ cơ chế tạo thành gỉ của Horton…………………………….

23

Hình 1.16. Lớp SPAM tạo thành theo cơ chế điện hóa của Evans và cộng sự..

24

Hình 1.17. Lớp SPAM tạo thành trên WS theo cơ chế của Okada và cộng sự….

25

v


Hình 1.18. Lớp SPAM tạo thành theo cơ chế của Misawa và cộng sự……….

25

Hình 1.19. Phản ứng AMKQ của thép theo mô hình của Stratmann…………

26

Hình 1.20. Quá trình tạo lớp gỉ bền trên WS theo công bố của Yamashita……..

27

Hình 1.21. Hàm lượng Cr ảnh hưởng đến kích thước hạt Cr-FG trong lớp SPAM.. 28
Hình 1.22. Quan hệ giữa tỷ lệ α/ với thời gian thử nghiệm và TĐAM………

29

Hình 1.23. Nhiệt độ, độ ẩm không khí (a), lượng mưa và số giờ nắng (b) tại các vùng
khí hậu trên cả nước; số liệu trung bình năm 2014……………………….

30

Hình 1.24 Biến thiên nhiệt độ T (a), độ ẩm RH (b) và thời gian lưu ẩm TOW (c) tại
các trạm khí tượng miền Bắc năm 2014…………………………………

31

Hình 1.25. Biến thiên lượng mưa (bên trái) và số giờ nắng (bên phải) tại các trạm khí
tượng miền Bắc năm 2014………………………………………………
31
Hình 1.26. Biến thiên nhiệt độ T (a), độ ẩm RH (b) và thời gian lưu ẩm TOW (c) tại
các trạm khí tượng miền Trung và Tây Nguyên (Pleiku) năm 2014……..
33
Hình 1.27. Biến thiên lượng mưa (a) và số giờ nắng (b) tại các trạm khí tượng miền
Trung và Tây Nguyên (Pleiku) năm 2014………………………………

33

Hình 1.28. Biến thiên nhiệt độ T (a), độ ẩm RH (b) và thời gian lưu ẩm TOW (c) tại
các trạm khí tượng miền Nam năm 2014………………………………..
34
Hình 1.29. Biến thiên lượng mưa (bên trái) và số giờ nắng (bên phải) tại các trạm khí
tượng miền Nam năm 2014……………………………………………….
34
Hình 1.30. Cầu Chợ Thượng tại huyện Đức Thọ, Hà Tĩnh – cây cầu đầu tiên tại Việt
Nam được làm từ thép bền thời tiết………………………………………… 35
Hình 2.1. Vị trí các địa điểm thử nghiệm AMKQ WS……………………….

37

Hình 2.2. Trạm thử nghiệm Đồng Hới………………………………………….

38

Hình 2.3. Thiết bị hiển vi điện tử quét Jeol 6490, Nhật Bản…………………..

39

Hình 2.4. Sơ đồ nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể…………………………………

40

Hình 2.5. Mô hình minh họa tán xạ Raman……………………………………

42

Hình 2.6. Thiết bị hiển vi quang học Axiovert 40MAT, Đức………………..

42

Hình 2.7. Thiết bị đo điện hóa AutoLab PGSTAT302N………………………..

43

Hình 2.8. Mạch điện tương đương của một bình điện hoá…………………….

44

Hình 2.9. Phổ tổng trở điện hóa………………………………………………

45

vi


Hình 3.1. THAM của WS và thép CS tại các trạm thử nghiệm…………………

49

Hình 3.2. THAM và TĐAM của WS tại các trạm thử nghiệm……………….

49

Hình 3.3. Biến thiên THAM theo thời gian thử nghiệm trong môi trường khí quyển
thành phố Hà Nội……………………………………………………….

51

Hình 3.4. Biến thiên THAM theo thời gian thử nghiệm trong môi trường khí quyển
biển tại Đồng Hới……………………………………………………….
51
Hình 3.5. Biến thiên THAM theo thời gian thử nghiệm trong môi trường khí quyển
biển tại Phan Rang……………………………………………………….

52

Hình 3.6. THAM của thép CS tại các trạm thử nghiệm………………………..

52

Hình 3.7. Quy luật tác động của với nhiệt độ không khí đến THAM……….

57

Hình 3.8. Quan hệ của THAM với tỷ lệ thời gian khô/ướt…………………..

59

Hình 3.9. Quan hệ của THAM với tổng lượng mưa………………………….

59

Hình 3.10. Quan hệ của THAM với độ muối khí quyển……………………….

60

Hình 3.11. Quan hệ của THAM với hàm lượng SO2 trong khí quyển………….

61

Hình 3.12. Mối quan hệ THAM với: (a) – nhiệt độ, (b) – lượng mưa, (c) – tỷ lệ thời
gian ướt ư và (d) – tỷ lệ k/ư tại Hà Nội………………………………………

63

Hình 3.13. Mối quan hệ THAM với: (a) – độ muối và (b) – hàm lượng SO2 sa lắng
trong khí quyển tại Hà Nội………………………………………………
63
Hình 3.14. Mối quan hệ THAM với: (a) – nhiệt độ, (b) – lượng mưa, (c) – tỷ lệ thời
gian ướt ư và (d) – tỷ lệ k/ư tại Đồng Hới………………………………

65

Hình 3.15. Mối quan hệ THAM và độ muối khí quyển tại Đồng Hới……….

66

Hình 4.1. Biến thiên nhiệt độ và độ ẩm tại các trạm khi thử nghiệm ngắn ngày…

68

Hình 4.2. Biến thiên ư và k/ư khi thử nghiệm ngắn ngày…………………….

69

Hình 4.3. Bề mặt mẫu WS sau 14 ngày thử nghiệm……………………………

70

Hình 4.4. Hình thái học bề mặt lớp SPAM trên WS sau 30 ngày thử nghiệm…

71

Hình 4.5. Phổ Raman của các mẫu WS thử nghiệm tự nhiên tại Đồng Hới và Hà Nội,
thời gian phơi mẫu 1, 3, 7 ngày…………………………………………..
72
Hình 4.6. Phổ X-ray các mẫu WS tại Hà Nội sau 1 và 3 ngày thử nghiệm…….

73

Hình 4.7. Phổ X-ray mẫu WS tại Đồng Hới sau 1 ngày thử nghiệm……………

73

Hình 4.8. Sơ đồ chuyển pha trong SPAM thép…………………………………

74

vii


Hình 4.9. Phổ X-ray mẫu WS thử nghiệm 3 và 7 ngày ở Phan Rang………….

74

Hình 4.10. Lớp gỉ nằm sát bề mặt WS………………………………………..

75

Hình 4.11. Thành phần hóa học của lớp gỉ nằm sát bề mặt sau 1 ngày thử nghiệm tại
Hà Nội (a), Đồng Hới (b) và Phan Rang (c)……………………………..

76

Hình 4.12. Thành phần hóa học của lớp gỉ nằm sát bề mặt sau 3 ngày thử nghiệm tại
Hà Nội (a), Đồng Hới (b) và Phan Rang (c)………………………………… 76
Hình 4.13. Hình thái học bề mặt của mẫu WS sau 6 tháng thử nghiệm………..

78

Hình 4.14. Hình thái học bề mặt của mẫu WS sau 24 tháng thử nghiệm………… 79
Hình 4.15. Sự “khâu” lại các vết nứt của SPAM trên WS…………………….

79

Hình 4.16. Mặt cắt ngang lớp gỉ sau 12 tháng thử nghiệm, 500x………………

80

Hình 4.17. Mặt cắt ngang lớp gỉ sau 24 tháng thử nghiệm, 500x………………

80

Hình 4.18. Mặt cắt ngang lớp gỉ sau 36 tháng thử nghiệm, 500x…………….

81

Hình 4.19. SPAM mới tạo thành (màu nâu tối) điền đầy các khe nứt; mẫu WS thử
nghiệm 12 tháng tại Đồng Hới; x50…………………………………….
81
Hình 4.20. Mặt cắt ngang mẫu thép các bon (CS) sau 24 tháng thử nghiệm, 500x.. 82
Hình 4.21. Phổ X-ray của các mẫu WS thử nghiệm trong khí quyển Hà Nội……. 83
Hình 4.22. Phổ X-ray của các mẫu WS thử nghiệm trong khí quyển Đồng Hới…

83

Hình 4.23. Phổ X-ray của các mẫu WS thử nghiệm trong khí quyển Phan Rang…. 83
Hình 4.24. Thành phần pha goethite α-FeOOH trong SPAM tạo thành trên WS sau 3
năm thử nghiệm…………………………………………………………..
85
Hình 4.25. Tỷ lệ pha α/ trong lớp gỉ sau 3 năm thử nghiệm………………..

85

Hình 4.26. Mối quan hệ giữa tỷ lệ α/ và TĐAM WS………………………..

86

Hình 4.27. Hình ảnh đường phân tích EDX trên mặt cắt ngang lớp SPAM sau 24 tháng
thử nghiệm………………………………………………………………..
87
Hình 4.28. Sự phân bố của Cu và Cr trong lớp gỉ tạo thành tại Hà Nội………

88

Hình 4.29. Sự phân bố của Cu và Cr trong lớp gỉ tạo thành tại Đồng Hới………

88

Hình 4.30. Sự phân bố của Cu và Cr trong lớp gỉ tạo thành tại Phan Rang……… 88
Hình 4.31. Sự phân bố của nguyên tố Cu và Cr trong lớp gỉ sau 3 tháng TN…….. 89
Hình 4.32. Sự phân bố của nguyên tố Cu và Cr trong lớp gỉ sau 24 tháng TN…..
viii

89


Hình 4.33. Đường cong phân cực của các mẫu WS thử nghiệm tại các trạm; dung dịch
NaCl 0,1N; tốc độ quét: 1mV/s; điện cực đối: Pt, điện cực so sánh: calomen bão
hòa………………………………………………………………………..

91

Hình 4.34. Mạch tương đương của bề mặt WS khi có lớp SPAM……………..

92

Hình 4.35. Phổ tổng trở của lớp SPAM thử nghiệm tại Hà Nội; dung dịch đo NaCl
0,1N; tần số quét: 100kHz – 5mHz; đường nét liền là đường mô phỏng theo
mạch điện hóa tương đương của lớp gỉ…………………………………
93
Hình 4.36. Phổ tổng trở của lớp SPAM tại Đồng Hới; dung dịch đo NaCl 0,1N; tần số
quét: 100kHz – 5mHz; điện cực đối: Pt, điện cực so sánh: calomen bão hòa;
đường nét liền là đường mô phỏng theo mạch điện hóa tương đương của lớp
gỉ…………………………………………………………………………
94
Hình 4.37. Phổ tổng trở của lớp SPAM thử nghiệm tại Phan Rang; dung dịch đo NaCl
0,1N; tần số quét: 100kHz – 5mHz; điện cực đối: Pt, điện cực so sánh: calomen
bão hòa; đường nét liền là đường mô phỏng theo mạch điện hóa tương đương của
lớp gỉ……………………………………………………………………

94

Hình 4.38. Phổ tổng trở của WS sau 36 tháng thử nghiệm; dung dịch đo NaCl 0,1N;
tần số quét: 100kHz – 5mHz; điện cực đối: Pt, điện cực so sánh: calomen bão
hòa ………………………………………………………………………
96
Hình 4.39. So sánh phổ tổng trở của lớp SPAM trên CS và WS; dung dịch đo NaCl
0,1N; tần số quét: 100kHz – 5mHz; điện cực đối: Pt, điện cực so sánh: calomen
bão hòa …………………………………………………………………
96
Hình 4.40. Sơ đồ hình thành lớp gỉ trên nền WS trong môi trường khí quyển Việt
Nam………………………………………………………………………...
99

ix


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AMKQ

: Ăn mòn khí quyển

ASTM

: Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kì

Ccp

: Điện dung lớp sản phẩm ăn mòn, F

Cdl

: Điện dung lớp kép, F

CS

: Thép các bon

ĐH

: Đồng Hới

EDX

: Phổ tán xạ tia X

EIS

: Phổ tổng trở



: Giai đoạn

G

: Pha goethite

HN

: Hà Nội

ISO

: Hiệp hội Tiêu chuẩn Quốc tế

KQ

: Khí quyển

L

: Pha lepidocrocite

PR

: Phan Rang

Qcp

: Tụ điện của lớp sản phẩm ăn mòn

Qdl

: Tụ điện của lớp kép

RH

: Độ ẩm tương đối của không khí, %

Rcp

: Điện trở của lớp sản phẩm ăn mòn, 

Rct

: Điện trở chuyển điện tích, 

Rs

: Điện trở dung dịch, 

SEM

: Hiển vi điện tử quét

SPAM

: Sản phẩm ăn mòn

T

: Nhiệt độ, 0C

TĐAM

: Tốc độ ăn mòn

THKL

: Tổn hao khối lượng do ăn mòn
x


k/ư

: Tỉ lệ thời gian khô/thời gian ướt

ư

: Tỉ lệ thời gian ướt/tổng thời gian thử nghiệm, %

k

: Tỉ lệ thời gian khô/tổng thời gian thử nghiệm, %

TN

: Thử nghiệm

TNGT

: Thử nghiệm gia tốc

TNTN

: Thử nghiệm tự nhiên

TOW

: Thời gian lưu ẩm

X-ray

: Nhiễu xạ rơnghen

ZW

: Điện trở khuếch tán, 

WS

: Thép bền thời tiết

α/

: Tỉ lệ pha goethite/lepidocrocite

xi


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

MỞ ĐẦU

Thép bền thời tiết (Weathering Steel - WS) là loại thép hợp kim thấp có khả năng
tự bảo vệ khỏi ăn mòn (sau đây gọi tắt là “bảo vệ”) dưới tác động của môi trường khí
quyển mà không cần sử dụng các lớp sơn như đối với các loại thép thông thường khác,
vì thế nó còn được gọi là thép “không sơn” – uncoated steel. Việc sử dụng loại thép
này sẽ làm giảm khối lượng thép thiết kế, đặc biệt là giảm thiểu các chi phí bảo dưỡng
chống ăn mòn, có hiệu quả cao khi áp dụng cho các công trình giao thông vận tải, cầu
đường, các công trình thế kỷ. WS được biết đến đầu tiên ở Mỹ với các mác thép
Corten A (ASTM-A242), Corten B (ASTM-588, ASTM-A606) và loại WS mới được
phát triển gần đây là A 709-HPS 100W (ASTM A709/A709M) - trong đó, Corten B là
loại thép bền thời tiết được dùng phổ biến nhất. Ngay từ khi mới ra đời, thép bền thời
tiết đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp ô tô, xây dựng và làm cột
truyền tải điện. Khoảng giữa những năm sáu mươi của thế kỷ trước, WS bắt đầu được
sử dụng rộng rãi để làm cầu và các kết cấu thép lớn. Thép bền thời tiết cũng thích hợp
khi áp dụng cho các công trình kiến trúc nghệ thuật đài tưởng niệm đặt ngoài trời đòi
hỏi một vẻ bề ngoài thô sơ, cổ xưa.
Với những tính năng rất tuyệt vời, WS đã được ứng dụng rất nhiều tại châu Âu,
Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia thuộc châu Mĩ. Tại Việt Nam, thép bền thời tiết đã
bước đầu được đưa vào sử dụng cho một số công trình cầu đường sắt. Tuy nhiên, thép
bền thời tiết được ra đời, nghiên cứu và phát triển tại các quốc gia vùng ôn đới có khí
quyển tương đối khô nên khả năng áp dụng loại thép này trong điều kiện khí hậu nhiệt
đới ẩm, mưa nhiều ở nước ta như thế nào chưa được nghiên cứu đầy đủ và có hệ
thống. Vì vậy, để xây dựng các luận cứ khoa học cho việc đưa WS vào sử dụng cho
các công trình xây dựng, cầu đường cao tốc, các công trình thế kỷ... ở Việt Nam, đồng
thời cung cấp những thông tin cần thiết để lựa chọn và sử dụng hiệu quả thép bền thời
tiết (Corten B) trong từng vùng khí hậu, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự
hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong điều kiện
khí hậu nhiệt đới Việt Nam”. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu của Luận án còn là
1


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

những số liệu có giá trị khoa học đóng góp vào cơ sở dữ liệu kiến thức đang còn hạn
chế của thế giới về ăn mòn và sử dụng thép bền thời tiết trong điều kiện nhiệt đới ẩm,
đặc biệt là khu vực châu Á.
 Mục đích của luận án:
 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số khí hậu và môi trường đến sự hình
thành, cấu trúc và thành phần của lớp sản phẩm ăn mòn tạo thành trên bề mặt WS
trong các vùng khí hậu khác nhau của Việt Nam.
 Nghiên cứu cơ chế hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của WS
trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam.
 Đối tượng nghiên cứu:
Trong các loại thép bền thời tiết, Corten B được dùng phổ biến nhất do tính tính dễ
hàn và kinh tế khi chế tạo và sử dụng. Do đó, thép Cor-Ten B được lựa chọn là đối
tượng nghiên cứu của luận án.
 Phương pháp nghiên cứu:
 Để nghiên cứu độ bền ăn mòn và khả năng tạo thành lớp phủ bảo vệ trên WS
trong điều kiện khí hậu thực tế của Việt Nam, WS đã được thử nghiệm tự nhiên
tại 3 vùng khí hậu khác nhau: miền Bắc (Hà Nội) với khí hậu 4 mùa, nhiệt độ
trong năm dao động mạnh, độ ẩm cao, thời gian lưu ẩm dài và mùa đông lạnh;
khí quyển biển ẩm, nhiệt độ thay đổi theo mùa và độ muối lớn (Đồng Hới); khí
quyển biển khô, ít mưa và nhiệt độ cao quanh năm (Phan Rang). Ảnh hưởng của
các thông số khí hậu và môi trường đến quá trình ăn mòn WS được nghiên cứu
trên các mẫu thử nghiệm tự nhiên tại 15 vực khí hậu đặc trưng tại Việt Nam: Sơn
La, Yên Bái, Tam Đảo, Cửa Ông, Cồn Vành, Hà Nội, Đồng Hới, Quảng Ngãi,
Pleiku, Phan Rang, Biên Hòa, Tp.Hồ Chí Minh, Cần Thơ, Rạch Giá và Cà Mau.
 Tổn hao do ăn mòn được xác định bằng phương pháp khối lượng. Các thông số
của môi trường được thu thập và xác định đồng thời trong cùng thời gian thử nghiệm.
 Các phương pháp vật lý (SEM-EDX, nhiễu xạ tia X, tán xạ Raman, hiển vi quang
học ..) được sử dụng để nghiên cứu hình thái học, cấu trúc, thành phần hóa học và
thành phần pha của lớp gỉ hình thành trên WS sau khi thử nghiệm tự nhiên.

2


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

 Các phương pháp điện hóa (đo đường cong phân cực, phổ tổng trở) được áp dụng để

khảo sát tính năng bảo vệ của WS.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
 Việc nghiên cứu ăn mòn khí quyển WS trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt
Nam lần đầu tiên được thực hiện một cách có hệ thống. Ảnh hưởng của các điều
kiện môi trường khí quyển đến động học quá trình ăn mòn và sự hình thành lớp
gỉ bảo vệ trên WS được bàn luận. Một số giá trị giới hạn để sử dụng WS ở trạng
thái thép trần trong khí hậu Việt Nam bước đầu được đề cập trong luận án.
 Các kết quả nghiên cứu có thể tham khảo làm luận cứ khoa học để ứng dụng WS
ở Việt Nam, đồng thời cung cấp những thông tin cần thiết để lựa chọn và sử dụng
hiệu quả các loại WS trong từng vùng khí hậu
 Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp những số liệu có giá trị khoa học
vào cơ sở dữ liệu đang còn thiếu của thế giới về WS trong điều kiện nhiệt đới
ẩm, đặc biệt là khu vực châu Á.
 Bố cục của luận án: luận án gồm 113 trang, 17 bảng và 94 hình được chia thành
4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về ăn mòn khí quyển thép bền thời tiết
 Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án
 Chương 3: Đặc trưng quá trình ăn mòn thép bền thời tiết trong điều kiện khí
quyển Việt Nam.
 Chương 4: Sự hình thành và khả năng bảo vệ của lớp sản phẩm ăn mòn trên
thép bền thời tiết trong điều kiện khí quyển Việt Nam.
 Kết luận
 Danh mục các công trình đã công bố và tài liệu tham khảo sử dụng trong luận
án.

3


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN THÉP BỀN THỜI TIẾT
TRONG KHÍ QUYỂN

Thép bền thời tiết (WS) là một loại thép hợp kim thấp với hàm lượng nguyên tố
các bon dưới 0,2% khối lượng, các nguyên tố hợp kim hóa như đồng (Cu), crom (Cr),
niken (Ni), phốt pho (P), silic (Si) và mangan (Mn) được thêm vào thép với tổng lượng
không vượt quá 3 ÷ 5% khối lượng [1]. Tên gọi “thép bền thời tiết” có nghĩa là nó có
khả năng tự bảo vệ dưới tác động của các điều kiện môi trường khí quyển mà không
cần dùng các lớp sơn phủ bảo vệ như đối với các loại thép thông thường khác, vì thế nó còn
được gọi là thép không sơn.
Khả năng bền ăn mòn của WS là do sự hình thành của một lớp sản phẩm ăn mòn
(SPAM) đặc sít có liên kết tốt với nền, được gọi là lớp gỉ có tính bảo vệ (patina).
Không chỉ có độ bền cơ học và điện trở ăn mòn lớn hơn thép các bon thường (CS), lớp
gỉ bền trên WS còn có hình thức bên ngoài hấp dẫn và khả năng “tự lành” [2, 3].
Thép bền thời tiết được sử dụng trong các công trình xây dựng, cầu đường và các
kết cấu chịu tải, cột điện, các tháp ngoài trời, các công trình nghệ thuật trang trí cũng
như mặt tiền và mái nhà.

c)
a)
b)
Hình 1.1. Một số công trình xây dựng sử dụng thép bền thời tiết: a) - cầu vượt đại lộ
Melbourne (Úc), b) - tháp kỉ niệm 100 năm Hokaido (Nhật Bản), c) - cầu New River
Gorge (Mĩ)
Trong một số vùng khí hậu không quá khắc nghiệt, việc sử dụng WS làm giảm chi
phí tới 30% so với thép CS do không cần sơn hay nhúng kẽm, không cần bảo dưỡng
chống ăn mòn... cũng vì vậy mà WS còn được coi là vật liệu thân thiện với môi trường
4


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

[2, 3]. Trong các vùng khí hậu thích hợp, WS được sử dụng rất tuyệt vời cho các công
trình thế kỷ với vì tổn hao ăn mòn (THAM) sau 100 năm chỉ là 1mm! [2]
1.1. Lịch sử phát triển của thép bền thời tiết
Lịch sử phát triển của thép bền thời tiết được khởi đầu từ các kết quả nghiên cứu
của D.M. Buck thuộc tập đoàn thép Mỹ (năm 1910), ông đã phát hiện thấy trong môi
trường khí quyển, thép các bon chứa từ 0,03% Cu trở lên có độ bền ăn mòn tốt hơn
hẳn so với thép không chứa Cu. Độ bền ăn mòn của thép chứa 0,07% Cu cao hơn
khoảng 1,5 ÷ 2% so với CS khi thử nghiệm ở cùng một điều kiện khí quyển. Các
nghiên cứu ban đầu này cũng đã chỉ ra rằng khi hàm lượng Cu trong thép vượt quá
0,15% thì độ bền ăn mòn của thép tăng lên không đáng kể [1, 2, 5-7].
Các kết quả nghiên cứu của D.M. Buck đã mở đường cho sự phát triển của một
loại thép mới sử dụng trong môi trường khí quyển: thép bền thời tiết. Năm 1926, các
kết quả thử nghiệm tự nhiên tại 4 địa điểm ở Mĩ đã cho thấy thép tấm chứa 0,2% Cu
có độ bền ăn mòn lớn gấp 2 lần so với thép tấm không chứa Cu. Đồng thời, các nhà
nghiên cứu đã phát hiện hàm lượng nguyên tố P cao sẽ làm tăng độ bền ăn mòn của
thép [2, 4, 8]. Các kết quả nghiên cứu của V.V. Kendall và E.S.Taylerson (1929) [8, 9]
trong môi trường khí quyển công nghiệp giàu SO2 và môi trường khí quyển nông thôn

Tổn hao do ăn mòn, m

cũng cho thấy ảnh hưởng tương tự của Cu và P đến độ bền ăn mòn của thép.

Thép các bon (CS)
Thép ổ trục chứa Cu

Thép Corten B

Thời gian, năm

Hình 1.2. So sánh tổn hao do ăn mòn của thép Corten B, thép ổ trục chứa Cu và CS
trong môi trường khí quyển công nghiệp tại Kearny, Mỹ [4]
5


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Năm 1933, ngành sản xuất thép Mĩ cho ra đời dòng sản phẩm WS đầu tiên mang
tên thép Corten. Tên gọi này xuất phát từ 2 tính chất nổi bật của WS, đó là: độ bền ăn
mòn cao (cor: corrosion resistance) và độ bền kéo tốt (ten: tensile strength) – hình 1.2.
Độ bền cơ học thép Corten vượt trội hơn 30% so với CS. Theo các kết quả nghiên cứu
trên thế giới [2], tốc độ ăn mòn (TĐAM) của WS sau 7-8 năm thử nghiệm chỉ bằng
0,41 ÷0,56 TĐAM của CS trong môi trường khí quyển biển và bằng 0,28 ÷ 0,57
TĐAM thép CS trong các môi trường khí quyển khác. Ban đầu, thép Corten là hệ thép
hợp kim Fe – Cu – Cr – P; về sau, nguyên tố Ni được thêm vào thép Corten nhằm tăng
độ bền ăn mòn của các công trình thép sử dụng trong môi trường khí quyển biển. Dựa
vào hàm lượng nguyên tố P, thép Corten được chia làm 2 loại: Corten A hay còn được
gọi WS phốt pho cao (0,07 ÷ 0,15% khối lượng) và Corten B với hàm lượng P thấp (≤
0,04% khối lượng) [2, 8, 9].
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại WS thông dụng, % khối lượng [12, 15, 16]
Loại thép

C

ASTM A242 (Corten
A)


0,15

ASTM A588 (Corten
B)


0,19

ASTM
A709 (HPS
70W)


0,11

Si

Mn

P

S

Cu

Cr

Ni

V

≤ 1,0


0,15

<
0,05

0,25
÷ 0,4

0,5 ÷
0,8

0,5 ÷
0,65

0,3 ÷
0,65

0,8 ÷
1,25


0,04

<
0,05

0,25
÷ 0,4

0,4 ÷
0,65

0,02
÷ 0,3

0,02
÷ 0,1

0,3
÷0,5

1,1 ÷
1,35


0,02

<
0,006

0,25
÷ 0,4

0,45
÷ 0,7

0,25
÷ 0,4

0,04
÷
0,08

Nhằm xác định ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hóa đến độ bền ăn mòn của
WS, năm 1941, ban soạn thảo tiêu chuẩn ASTM A-5 đã tiến hành một chương trình
thử nghiệm lớn với 71 loại WS có thành phần hợp kim khác nhau trong môi trường khí
quyển công nghiệp và khí quyển biển [10, 11]. Sau đó, năm 1942, Tập đoàn thép Mĩ
đã tiến hành thử nghiệm 3 loại vật liệu: thép cán, thép hợp kim đồng và Corten trong
khí quyển công nghiệp, khí quyển biển và khí quyển bán nông thôn. Các kết quả thử
nghiệm cho thấy lớp gỉ trên bề mặt WS sử dụng trong môi trường khí quyển công
nghiệp có khả năng bảo vệ tốt hơn so với trong môi trường khí quyển biển [4]. Từ các
chương trình nghiên cứu trên, lần đầu tiên WS đã được tiêu chuẩn hóa trong tiêu chuẩn
ASTM A-242. Loại thép này tương tự như thép Corten A với thành phần hợp kim là
6


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Cu, P (≤ 0,15%) và Ni (0,5 ÷ 0,65%) [12]. Độ bền ăn mòn của nó cao gấp 4 lần so với
CS. Tuy nhiên, hàm lượng P trong thép cao đã làm giảm tính hàn của thép và làm cho
thép bị giòn [13, 14].
Theo [2, 15], năm 1968, tiêu chuẩn ASTM A-242 đã chia WS thành 2 loại theo
hàm lượng P: loại P cao (P ≤ 0,15%) và loại P thấp (P ≤ 0,04%). Sau đó, người ta đã
xây dựng bộ tiêu chuẩn mới ASTM A-588 với loại WS tương tự như thép Corten B.
Độ bền ăn mòn của thép này kém hơn so với thép quy định trong tiêu chuẩn ASTM A242 nhưng bù lại tính hàn của thép đã được cải thiện (bảng 1.1).
Năm 1992, Cục Quản lí đường cao tốc liên bang của Mĩ (FHWA), viện Nghiên
cứu sắt và thép Mĩ (AISI) và Hải quân Mĩ đã nghiên cứu và phát triển thêm một loại
WS có đặc tính cao HPS (High Performance Steel) sử dụng cho các công trình cầu
đường (bảng 1.1). Đến năm 1997, cây cầu đầu tiên được làm từ thép HPS-70W đã
được xây dựng tại Nebraska. Thép HPS-70W đã đạt được 3 tiêu chí đối với vật liệu
dùng cho các công trình cầu đường, đó là: (a) – tăng tính hàn của thép do giảm hàm
lượng C, P và S; (b) – tăng độ bền cơ học của vật liệu, đặc biệt là độ dai và độ bền cơ
do đã tăng hàm lượng Mn trong thép; (c) – lớp gỉ tạo thành trên bề mặt thép có khả
năng bảo vệ rất tốt [17, 18].
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền ăn mòn của thép bền thời tiết
1.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường khí quyển
1.2.1.1. Ảnh hưởng của chế độ nhiệt ẩm
Ăn mòn kim loại trong môi trường khí quyển là quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra
trong màng dung dịch điện li trên bề mặt kim loại [19, 20]. Để tồn tại màng dung dịch
điện li trên bề mặt vật liệu, môi trường khí quyển phải có độ ẩm đủ lớn. Trong nghiên
cứu ăn mòn khí quyển (AMKQ), thời gian lưu ẩm bề mặt TOW (time of wetness- thời
gian ướt) là một khái niệm được dùng phổ biến và được tính bằng khoảng thời gian mà
bề mặt kim loại đủ ướt để cho quá trình ăn mòn xảy ra. Khi TOW tăng thì tốc độ
AMKQ các kim loại sẽ tăng lên. Theo ISO 9223, TOW được định nghĩa là khoảng
thời gian không khí có RH > 80% và T > 00C, TOW được sử dụng như một thông số
khí hậu chính để giải thích các ảnh hưởng đến ăn mòn [21].

7


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Độ ẩm làm tăng thời gian lưu ẩm trên bề mặt nhưng ảnh hưởng của độ ẩm đến
AMKQ thép tăng lên rất nhiều khi môi trường khí quyển có chứa tạp khí và bụi
(h.1.3). TĐAM của thép tăng đột biến trong điều kiện khí quyển có RH > 80% và chứa
đồng thời tạp khí SO2 và bụi [22-26].

Chiều dày mất do ăn mòn

Cao
KQ chứa
SO2 và bụi

KQ
chứa
SO2
KQ sạch

Thấp

Độ ẩm tương đối RH, %

Hình 1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối đến AMKQ của thép cán [22]

Hình 1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới TĐAM của một số hợp kim của sắt [27]
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ăn mòn kim loại không đơn giản theo một
chiều. Một mặt, sự tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ các quá trình hoá học và vật lý, trong
đó có phản ứng hoá học, phản ứng điện hoá, quá trình khuếch tán. Mặt khác, nhiệt độ
tăng làm tăng tốc độ bay hơi của màng dung dịch trên bề mặt vật liệu, do đó làm giảm
thời gian lưu ẩm trên bề mặt kim loại. Sự tăng nhiệt độ cũng làm giảm sự hoà tan oxy
và các loại khí gây ăn mòn khác.
8


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Theo hình 1.4, trong môi trường khí hậu vùng ôn đới, khi nhiệt độ lớn hơn 00C và
nhỏ hơn 110C thì tốc độ ăn mòn thép tăng theo chiều tăng của nhiệt độ; khi nhiệt độ
tiếp tục tăng lớn hơn 110C, tốc độ ăn mòn kim loại giảm khi nhiệt độ tăng [27].
Nguyên nhân là do trong khoảng nhiệt độ 0 < T <110C thì thời gian lưu ẩm TOW tăng.
Còn khi nhiệt độ lớn hơn 110C, tốc độ bốc hơi tăng đã làm giảm thời gian lưu ẩm.
Chế độ nhiệt ẩm là một thông số quan trọng thúc đẩy hoặc kìm hãm quá trình hình
thành và phát triển lớp gỉ có khả năng bảo vệ trên WS. Thời gian lưu ẩm TOW của
không khí làm cho màng ẩm tồn tại trên bề mặt vật liệu nhưng nhiệt độ, gió…là các
nguyên nhân làm khô màng ẩm này. Cần phải lưu ý rằng, quá trình ăn mòn kim loại
trong khí quyển thường xảy ra ở khoảng thời gian chuyển tiếp giữa 2 chu kì khô (là
khoảng thời gian có T> 00C và độ ẩm RH< 80%) và ướt (thường là thời điểm giao
giữa ngày và đêm, giữa mưa và tạnh mưa…). Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra
rằng tốc độ ăn mòn thép rất lớn khi chiều dày của màng ẩm trên bề mặt đạt từ 1 ÷ 30
µm. TĐAM thép càng lớn khi màng nước càng mỏng và đạt cực đại tại thời điểm bề
mặt chuyển từ ướt sang khô.
Sự lặp lại theo chu kì của quá trình hòa tan, kết hợp và kết tủa làm cho các lớp
SPAM bị thay đổi về thành phần hóa học, vi cấu trúc, tinh thể, độ dày, độ xốp và các
tính chất khác. Đối với WS, độ dài, tần suất và tỷ lệ của các chu kì khô - ướt giữ vai
trò cực kì quan trọng trong việc hình thành và phát triển của lớp gỉ chắc đặc có khả
năng bảo vệ trên WS. Các phản ứng hòa tan sắt, các SPAM của sắt và các nguyên tố
hợp kim hóa (Cu, Cr, Ni…) xảy ra trong chu kì ướt; quá trình kết tủa, chuyển pha tạo
thành pha sản phẩm bền goethite và các hợp chất của Cu, Cr xảy ra khi bề mặt chuyển
từ ướt sang khô. Sự bay hơi nhanh của màng ẩm đảm bảo cho chu kì ướt không quá
dài, đồng thời quá trình kết tủa lại hoặc chuyển pha xảy ra nhanh sẽ làm cho các tinh
thể mới tạo thành có kích thước nhỏ. Vì vậy, trong khí quyển ẩm có TOW dài hoặc
trong môi trường khí quyển biển, do khoảng thời gian khô ngắn nên lớp gỉ tạo thành
trong điều kiện này xốp hơn và có độ bền kém. Các kết quả nghiên cứu trong h.1.5 cho
thấy không nên sử dụng WS ở trạng thái thép trần trong môi trường khí quyển biển vì
lớp gỉ bảo vệ không có khả năng hình thành tại đây [2, 3, 29, 30].

9


Nghiên cứu sự hình thành lớp bảo vệ và khả năng chống ăn mòn của thép bền thời tiết trong
điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam

Tổn hao do ăn mòn, m

KQ biển
KQ công nghiệp

KQ nông thôn

Tổn hao do ăn mòn, m

Thời gian, năm

KQ biển

KQ công nghiệp

KQ nông thôn
Đường cao tốc

Thời gian, năm

Hình 1.5. Tổn hao do ăn mòn theo thời gian của thép Corten A (a) [2, 28] và Corten B
(b) trong các môi trường khí quyển khác nhau [2, 29, 30]

1.2.1.2. Ảnh hưởng của lượng mưa
Mưa ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình ăn mòn khí quyển. Mưa làm thay đổi độ ẩm
tương đối của không khí nên cũng làm thay đổi thời gian lưu ẩm trên bề mặt mẫu. Mưa
đem theo các tạp chất khí quyển sa lắng trên bề mặt mẫu nhưng mưa cũng làm giảm hàm
lượng của các tạp chất này trong khí quyển, vì vậy, tính chất của lớp màng dung dịch điện
li trên bề mặt kim loại thay đổi khi có mưa. Mặt khác, mưa còn rửa trôi lớp SPAM trên
bề mặt thép, thúc đẩy quá trình ăn mòn tiếp tục xảy ra. Đối với WS, lớp gỉ trên bề mặt
gồm lớp trong chắc đặc và lớp gỉ xốp bên ngoài. Chính lớp gỉ xốp bên ngoài là nơi tích tụ
ẩm và các tạp chất gây ăn mòn, kéo dài thời gian ẩm trong lớp gỉ khiến cho SPAM ngày
càng xốp hơn. Khi lớp ngoài xốp bị rửa trôi, thời gian lưu ẩm thực tế trên bề mặt WS sẽ
giảm. Nhiều kết quả nghiên cứu AMKQ WS đã chứng tỏ khi thử nghiệm WS trong điều
kiện có mái che, sự thiếu hụt tác động của mặt trời khi làm khô bề mặt và không có sự rửa
10


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×