溫度對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕Q235碳鋼和HT150鑄鐵的影響

雷冠雄，孫煒海，陳紅遷，陳學榮，薛春芳

(1.裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072； 2.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

溫度對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕Q235碳鋼和HT150鑄鐵的影響

雷冠雄1，孫煒海1，陳紅遷1，陳學榮2，薛春芳1

(1.裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072； 2.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

為探究溫度對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕Q235碳鋼及HT150鑄鐵的影響,在溫度為4、15、25、35、45 ℃時利用電子萬能實驗機、光學顯微鏡和電子天平等分別對Q235碳鋼的抗拉強度和彎曲強度及HT150鑄鐵的抗壓強度進行了測試。結果表明：嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對Q235碳鋼和HT150鑄鐵產生高效腐蝕的最適宜溫度為15～45 ℃，在該溫度條件下可實現(xiàn)有效的生物去除加工。

微生物腐蝕； 溫度； 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌； Q235碳鋼； HT150鑄鐵； 力學性能

由材料表面生物膜內的微生物生命活動引起或促進材料的腐蝕和破壞稱為微生物腐蝕(Microbially Influenced Corrosion，MIC)。微生物腐蝕并非其本身對金屬的侵蝕作用，而是微生物生命活動的結果[1]。微生物對固體材料的作用形式包括合成生物體材料富集、浸出和材料腐蝕[2]。若能利用微生物對工程材料的加工作用，對工件表面預定部分進行預定量的去除或沉積，可形成一種新的加工方法——生物加工法[3]。制約微生物腐蝕能力的因素有很多，且不同菌種在不同條件下的腐蝕能力大不相同，但目前國內外對微生物腐蝕的作用及機理缺少系統(tǒng)深入的認識[4]。因此，開展生物加工法的基礎研究工作具有理論和實際意義。為探究溫度對生物加工效率的影響，筆者采用一種高效腐蝕鐵基材料的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌[5]進行腐蝕實驗，從力學性能方面揭示溫度對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕能力的影響規(guī)律，為利用微生物菌群腐蝕金屬進行有效的生物去除加工奠定基礎。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗材料為Q235碳鋼和HT150鑄鐵，其中Q235碳鋼化學成分為：ω(C)≤0.22%，ω(Mn)≤1.4%，ω(Si)≤0.35%，ω(S)≤0.050%，ω(P)≤0.045%。HT150鑄鐵化學成分為：ω(C)≤3.3%，ω(Mn)≤0.5%，ω(Si)≤2.0%，ω(S)≤0.12%，ω(P)≤0.2%。將Q235碳鋼制備成標準5倍圓柱狀拉伸試件和300 mm×10 mm×10 mm 三點彎曲試件，在腐蝕試驗過程中將其浸泡在8 L菌液中，充氣靜置。將HT150鑄鐵制備成φ10 mm×15 mm圓柱狀試件，在腐蝕試驗過程中浸泡在300 mL菌液錐形瓶中，放置于DHZ-D全溫度振蕩培養(yǎng)箱，振蕩頻率為150 Hz。

采用中科院微生物研究所和有色金屬研究總院礦業(yè)研究院培養(yǎng)的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌，此菌種由福建紫金銅礦的礦坑水和浸出液中提取的樣品進行富集并連續(xù)擴大培養(yǎng)而得到。培養(yǎng)的最終細菌濃度為6.8×108個/mL。

1.2 實驗方法

李茹等[6]研究表明：在低于0 ℃和高于50 ℃時，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌幾乎無代謝活性。因此，選擇4、15、25、35、45 ℃為實驗溫度。實驗周期為0～20 d，每2 d取出一組試件。通過光學顯微鏡直接計數(shù)法，測定不同溫度條件下20 d后的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕溶液中細菌的濃度。

在Q235碳鋼的拉伸試件和三點彎曲試件腐蝕試驗中，試件夾頭夾持部位用橡皮套包裹，并在腐蝕之后將其去掉，用蒸餾水清洗去除表面腐蝕產物，然后分別按GB/T228—2002[7]和GB/T232—2010[8]進行上述2種試驗。由于受到試驗條件限制，未進行45 ℃時的拉伸試件腐蝕試驗和35、45 ℃時的三點彎曲試件腐蝕試驗。

對HT150鑄鐵進行壓縮試件腐蝕試驗前，先將腐蝕后的試件用蒸餾水清洗去除表面腐蝕產物，干燥后用電子天平稱重，最后利用電子萬能試驗機按GB/T7314—2005[9]進行試驗。

2 結果分析與討論

2.1 溫度對微生物濃度的影響

微生物濃度測試結果表明：在實驗溫度下，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕Q235碳鋼和HT150鑄鐵時，溶液中嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的數(shù)量始終保持在108個/mL數(shù)量級，未隨環(huán)境溫度發(fā)生改變，這說明溫度主要影響其代謝活性，進而影響對Q235碳鋼和HT150鑄鐵的腐蝕效率和力學性能。

2.2 溫度對Q235碳鋼的影響

2.2.1 拉伸性能

Q235碳鋼拉伸試件理論抗拉強度σb和直徑d的變化曲線如圖1所示?？梢钥闯觯焊g20 d后，在4 ℃環(huán)境下，σb=417.02 MPa，d=9.48 mm，且隨著腐蝕時間的增加，兩者變化不明顯；在35 ℃環(huán)境下，σb=246.87 MPa，d=7.84 mm，說明隨著腐蝕溫度的升高，兩者變化顯著。

圖1 Q235碳鋼拉伸試件的σb和d變化曲線

由于Q235碳鋼在腐蝕后與空白試件斷后延伸率基本相同，為進一步揭示嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕造成的橫截面面積的減小對抗拉強度極限的影響，自定義一個參量——真實抗拉強度極限σbt：

(1)

式中：Fmax為試件承受的最大拉力(N)；dt為實測每組試件工作段平均直徑(mm)。

根據(jù)式(1)計算出的Q235碳鋼拉伸試件σbt的變化曲線如圖2所示?？梢钥闯觯好拷M試件的σbt基本保持不變，約為420 MPa,與常溫未腐蝕的空白試件抗拉強度σb=443.86 MPa相差不大。這說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕導致Q235碳鋼試件尺寸減小，承受載荷的有效橫截面積減小,從而使得其抗拉強度下降，但未對材料的塑性產生影響。

圖2 Q235碳鋼拉伸試件σbt變化曲線

2.2.2 彎曲力

相同撓度(γ=17 mm)下Q235碳鋼試件彎曲力的變化曲線如圖3所示。可以看出：4 ℃時彎曲力隨腐蝕時間的延長變化不大，腐蝕20 d后所需的彎曲力下降13.24%；15、25 ℃時，彎曲力隨著腐蝕時間延長明顯降低，腐蝕20 d后，15 ℃時下降44.93%，25 ℃時下降51.23%。

圖3 Q235碳鋼試件彎曲力變化曲線

2.3 溫度對HT150鑄鐵的影響

2.3.1 腐蝕速率

為了更直觀表示腐蝕程度，采用相對失重百分比w描述HT150鑄鐵試件的腐蝕速率，即

(2)

式中：m0為空白試件質量(g)；mi為腐蝕到第i天的試件質量(g)。

利用式(2)計算得到的HT150鑄鐵試件w的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯觯涸?、15、25、35、45 ℃時，腐蝕20 d的相對失重百分比分別為12.952%、54.844%、65.017%、86.599%和58.406%。這說明上述溫度條件下的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對HT150鑄鐵的腐蝕程度相差不大，且4 ℃時腐蝕程度最小。

圖4 HT150鑄鐵試件相對失重百分比的變化曲線

2.3.2 壓縮性能

圖5為HT150鑄鐵壓縮斷裂試件。可以看出：在不同溫度和腐蝕時間下，HT150鑄鐵試件經壓縮腐蝕試驗后最終略成鼓形，斷裂表面與HT150鑄鐵試件軸線大約成45°傾角。這是因為壓縮腐蝕試驗所用HT150鑄鐵試件為圓柱狀，試件受壓時上下兩端與試驗機墊板之間會產生很大的摩擦力，橫向變形受到阻礙，故壓縮后的試件成鼓形；當達到最大載荷后，主要由剪應力引起破壞而使試件破裂。

圖5 HT150鑄鐵壓縮斷裂試件

為進一步揭示嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕造成的橫截面面積減小對HT150鑄鐵抗壓強度極限的影響，類比真實抗拉強度σbt自定義一個參量——真實抗壓強度極限σct(σc為試件抗壓前度)。不同溫度時HT150鑄鐵試件壓縮試驗數(shù)據(jù)如表1-5所示。由于35、45 ℃時腐蝕20 d的數(shù)據(jù)差異太大，判定為無效數(shù)據(jù)，因此取18 d的數(shù)據(jù)為最終結果。可以看出：腐蝕18 d后，在4、15、25、35、45 ℃時，σc分別下降了17.5%、45.1%、61.3%、66.2%和64.6%,進一步說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌在溫度為15、25、35、45 ℃時對HT150鑄鐵的腐蝕嚴重，4 ℃時對HT150鑄鐵的腐蝕能力較弱；而真實抗壓強度極限相差不大，說明微生物腐蝕未對材料的脆性造成影響。

表1 4 ℃時HT150鑄鐵壓縮試驗數(shù)據(jù)

表2 15 ℃時HT150鑄鐵壓縮試驗數(shù)據(jù)

表3 25 ℃時HT150鑄鐵壓縮試驗數(shù)據(jù)

表4 35 ℃時HT150鑄鐵壓縮試驗數(shù)據(jù)

表5 45 ℃時HT150鑄鐵壓縮試驗數(shù)據(jù)

3 結論

通過嗜酸氧化亞鐵硫桿菌在實驗室不同溫度條件下對Q235碳鋼和HT150鑄鐵的腐蝕實驗，得到了溫度對腐蝕程度和力學性能的影響規(guī)律，結果表明：在15～45 ℃溫度下可以實現(xiàn)有效的生物去除加工。然而受試驗條件的制約，本文溫度區(qū)間劃分梯度太大，未能得到精準的腐蝕效率最高區(qū)間。為保證實驗數(shù)據(jù)的精度和可靠性，下一步應在25～45 ℃之間取更小的梯度進行驗證。

[1] 王保成.材料腐蝕與防護[M].北京:北京大學出版社,2012：1-2.

[2] 孫齊磊，王志剛，蔡元興.材料腐蝕與防護[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014：8-12.

[3] 劉宏芳，劉濤.嗜熱硫酸鹽還原菌生長特征及其對碳鋼腐蝕的影響[J].中國腐蝕與防護學報,2009,29(2):93-97.

[4] 張德遠,李雅芹,孫以凱.生物加工金屬材料的可行性研究[J].中國科學(C輯),1997，27(5)：410-414.

[5] 李松梅，杜娟，劉建華，等.A3鋼在氧化硫硫桿菌作用下的腐蝕行為[J].物理化學學報,2009,25(11):2191-2198.

[6] 李茹,張書平,崔心水,等.氧化亞鐵硫桿菌生長特性的研究[J].西安工程大學學報,2008,22(6):733-736.

[7] 原國家冶金工業(yè)局.金屬材料室溫拉伸試驗方法：GB/T228—2002[S].北京：中國標準出版社：2002.

[8] 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.金屬材料彎曲試驗方法：GB/T232—2010[S].北京：中國標準出版社：2011.

[9] 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.金屬材料室溫壓縮試驗方法：GB/T7314—2005[S].北京：中國標準出版社：2005.

(責任編輯:尚菲菲)

Influence of Temperature on Acidithiobacillus Ferrooxidans Corrosion of Q235 Carbon Steel and HT150 Cast Iron

LEI Guan-xiong1,SUN Wei-hai1,CHEN Hong-qian1,CHEN Xue-rong2,XUE Chun-fang1

(1.Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China；2.National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

To reveal the influence of temperature on acidithiobacillus ferrooxidans corrosion of Q235 carbon steel and HT150 cast iron,the electronic universal tensile testing,optical microscope,electronic balance and other analysis methods are used to test and analyze the tensile strength,bending strength of Q235 carbon steel and compressive strength of HT150 cast iron under different temperature conditions(4,15,25,35,45 ℃).The results show that the best corrosion effect of acidithiobacillus ferrooxidans on Q235 carbon steel and HT150 cast iron is in the temperature range of 15 ℃ to 45 ℃,and effective biological removal process can be achieved in the appropriate temperature environment.

Microbially Influenced Corrosion (MIC); temperature; acidithiobacillus ferrooxidans; Q235 carbon steel; HT150 cast iron; mechanical properties

1672-1497(2017)01-0095-04

2016-12-19

軍隊科研計劃項目

雷冠雄(1994-)，男，碩士研究生。

TG172.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.020