大氣降水對(duì)金屬材料環(huán)境適應(yīng)性能影響研究

杜天君，孫開爭，耿曄，林靜，徐國棟

（山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，濟(jì)南 250100）

引言

酸雨為酸性沉降中的濕沉降，包括所有氣狀污染物或粒狀污染物，隨著雨、雪、 霧或雹等降水形態(tài)而落到地面者，也包括從空中降下來的落塵所帶的酸性物質(zhì)，主要又分硝酸型酸雨和硫酸型酸雨兩種。我國的西南地區(qū)、華中地區(qū)和華東沿海地區(qū)的酸雨大多為硫酸型酸雨，且華中酸雨是我國酸雨污染范圍最大、中心強(qiáng)度最高的酸雨污染區(qū)。在大氣降水變化過程中，金屬材料尤其是量大面廣的鋼絲材料對(duì)酸雨的環(huán)境適應(yīng)性的影響較大[1]，長時(shí)間的酸雨不僅會(huì)對(duì)鋼絲的表面形貌造成較大影響，且還會(huì)影響鋼絲的綜合力學(xué)性能，降低使用壽命[2,3]。因此，有必要對(duì)酸雨環(huán)境下鋼絲的腐蝕行為進(jìn)行研究，搞清楚腐蝕時(shí)間與鋼絲腐蝕深度以及剩余壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系或者得到相應(yīng)的預(yù)測模型，都可為降低鋼絲的腐蝕破壞和增強(qiáng)腐蝕防護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原料為直徑7 mm的鍍鋅鋼絲，鋼絲主要元素化學(xué)成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得結(jié)果見表1。

鋼絲表面經(jīng)過清洗除油和干燥后備用；在QJYS-70型鹽霧試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行模擬自然腐蝕環(huán)境的鹽霧腐蝕試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為模擬華中地區(qū)酸雨配制的溶液，成分配比如表2[4]，使用的水為去離子水，室溫調(diào)節(jié)pH值至4。根據(jù)GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕 酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》和GB/T 10125-2012 《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》對(duì)原料鋼絲進(jìn)行間歇式噴霧處理（噴12 h停12 h為一周期），試驗(yàn)溫度為35 ℃，控制鹽霧沉降率為1.5 ml/80 cm2.h。

鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后用清潔球去除表面銹蝕產(chǎn)物，再分別用清水沖洗、酒精超聲清洗后吹干，用JA2603B型電子天平稱量鋼絲腐蝕前后的質(zhì)量；采用華為P30手機(jī)對(duì)鋼絲的宏觀形貌進(jìn)行拍攝；采用JUD/HGF-32型粗糙度儀對(duì)鋼絲表面腐蝕深度進(jìn)行測量。

表1 鋼絲的化學(xué)成分（wt,%）

表2 模擬華中地區(qū)酸雨腐蝕溶液配比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為去除腐蝕產(chǎn)物前鋼絲表面的宏觀形貌。當(dāng)鹽霧腐蝕試驗(yàn)為10天時(shí)，鍍鋅鋼絲表面出現(xiàn)了少量白亮，而隨著鹽霧腐蝕時(shí)間延長至20天時(shí)，鍍鋅層表面出現(xiàn)較多的銹蝕斑，并在鹽霧腐蝕時(shí)間為40天時(shí)銹蝕斑幾乎覆蓋整個(gè)表面；當(dāng)鹽霧腐蝕時(shí)間延長至60天時(shí)，鋼絲表面顏色發(fā)生變化，表明鋼絲基體已經(jīng)開始銹蝕[5，6]；在鹽霧時(shí)間為80天時(shí)，鋼筋表面銹蝕顏色有所加深，且在鹽霧腐蝕時(shí)間為100天時(shí)呈明顯紅棕色，鋼絲表面銹蝕較為嚴(yán)重。

圖2為去除腐蝕產(chǎn)物后鋼絲表面的宏觀形貌。對(duì)比分析可知，隨著鹽霧腐蝕時(shí)間從10天增加至100天，鍍鋅鋼絲的表面腐蝕凹坑數(shù)量逐漸增多、腐蝕坑深度不斷增加，在腐蝕時(shí)間為100天時(shí)可見鋼絲表面已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重腐蝕，整個(gè)表面都凹凸不平。

圖1 去除腐蝕產(chǎn)物前鋼絲表面的宏觀形貌

圖2 去除腐蝕產(chǎn)物后鋼絲表面的宏觀形貌

對(duì)鹽霧腐蝕100天后鋼絲的表面腐蝕形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3?？梢姡摻z表面修飾較為嚴(yán)重，成紅棕色或黑褐色，局部可見沿鋼絲縱向分布的半橢球腐蝕坑以及半球形腐蝕坑，同時(shí)還黑斑區(qū)域出現(xiàn)沿鋼絲橫向分布的半橢球腐蝕坑。

圖4為不同鹽霧腐蝕時(shí)間下鋼絲的均勻腐蝕深度-概率密度曲線，表5為鋼絲表面的均勻腐蝕深度與腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系?？梢?，當(dāng)腐蝕時(shí)間為10天時(shí)，鋼絲表面均勻腐蝕深度約為6.36 μm；腐蝕時(shí)間延長至120天，鋼絲表面均勻腐蝕深度逐漸增加至53.60 μm；隨著鹽霧腐蝕時(shí)間的延長，鋼絲表面腐蝕深度逐漸增加，這表明在鹽霧腐蝕試驗(yàn)過程中，鹽霧腐蝕時(shí)間的延長會(huì)使得腐蝕更加嚴(yán)重[7]；此外，隨著腐蝕時(shí)間的延長，均勻腐蝕深度離散性呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而均勻腐蝕深度離散性變小。圖5中的擬合曲線將均勻腐蝕深度與腐蝕時(shí)間曲線分為兩段，其中，鹽霧腐蝕時(shí)間為40天前表示表面鍍鋅層發(fā)生腐蝕的階段，而鹽霧腐蝕時(shí)間超過40天時(shí)則為鋼絲基體的腐蝕；由兩段直線的斜率可知，鍍鋅層的腐蝕速率要高于鋼絲基體，這主要是由于表面鍍鋅層的耐鹽霧腐蝕能力較鋼絲基體更弱的緣故[8]。

圖3 鹽霧腐蝕100天后鋼絲的表面腐蝕形貌

圖4 不同鹽霧腐蝕時(shí)間下鋼絲的均勻腐蝕深度-概率密度曲線

圖5 鋼絲表面的均勻腐蝕深度與腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系

鍍鋅鋼絲在使用過程中的使用壽命主要與鋼絲表面最大點(diǎn)蝕深度有關(guān)，而最大點(diǎn)蝕深度的分布應(yīng)遵循下述公式[9]：

式中：

F(x)—最大點(diǎn)蝕深度不超過x的概率；

λ—最大點(diǎn)蝕深度；

α—點(diǎn)蝕深度的平均值[10]。

圖6為不同鹽霧腐蝕時(shí)間下鋼絲的點(diǎn)蝕深度-概率密度曲線，表3為鋼絲表面點(diǎn)蝕最大深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可見，腐蝕后鋼絲表面點(diǎn)蝕坑深度都大于腐蝕前，且隨著腐蝕時(shí)間從10天延長至120天，鋼絲表面腐蝕坑深度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

根據(jù)公式（1）得到了不同腐蝕時(shí)間下的λ和α估計(jì)值，由此得到圖7所示的鋼絲的參數(shù)估計(jì)值與腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系曲線。可見，鍍鋅鋼絲的λ和α與腐蝕時(shí)間都大體呈線性關(guān)系。通過線性擬合后得到本文的鍍鋅鋼絲的點(diǎn)蝕與腐蝕時(shí)間存在如下關(guān)系式：

3 結(jié)論

1）當(dāng)腐蝕時(shí)間為10天時(shí)，鋼絲表面均勻腐蝕深度約為6.36 μm；腐蝕時(shí)間延長至120天，鋼絲表面均勻腐蝕深度逐漸增加至53.60 μm；隨著鹽霧腐蝕時(shí)間的延長，鋼絲表面腐蝕深度逐漸增加，這表明在鹽霧腐蝕試驗(yàn)過程中，鹽霧腐蝕時(shí)間的延長會(huì)使得腐蝕更加嚴(yán)重。

2）鹽霧腐蝕時(shí)間為40天前表示表面鍍鋅層發(fā)生腐蝕的階段，而鹽霧腐蝕時(shí)間超過40天時(shí)則為鋼絲基體的腐蝕；鍍鋅層的腐蝕速率要高于鋼絲基體。

3）腐蝕后鋼絲表面點(diǎn)蝕坑深度都大于腐蝕前，且隨著腐蝕時(shí)間從10天延長至120天，鋼絲表面腐蝕坑深度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；的鍍鋅鋼絲的點(diǎn)蝕與腐蝕時(shí)間存在如下關(guān)系式：

圖6 不同鹽霧腐蝕時(shí)間下鋼絲的點(diǎn)蝕深度-概率密度曲線

表3 最大點(diǎn)蝕深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 鋼絲的參數(shù)估計(jì)值與腐蝕時(shí)間的變化關(guān)系