熱烈慶祝

上海材料研究所有限公司

值此歡慶之時(shí)，分析一篇上海材料研究所有限公司的科研文章《環(huán)境因素對(duì)地鐵鋼軌用U75V鋼腐蝕行為的影響》。

環(huán)境因素對(duì)地鐵鋼軌用U75V鋼腐蝕行為的影響

何兆如，紀(jì)開(kāi)強(qiáng)，李光福

(上海材料研究所有限公司 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

地鐵鋼軌在潮濕甚至積水的隧道環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕，鋼軌的銹蝕將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅到地鐵的安全可靠運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋼軌的腐蝕問(wèn)題已進(jìn)行了相關(guān)研究，包括環(huán)境因素、顯微組織、加工工藝等對(duì)鋼軌腐蝕的影響。其中，環(huán)境因素導(dǎo)致鋼軌腐蝕失效的問(wèn)題值得關(guān)注。

上海地鐵主要使用U75V鋼制造的鋼軌，關(guān)于U75V鋼的腐蝕問(wèn)題，已有學(xué)者做了一些研究，主要包括U75V鋼的早期腐蝕行為及其在模擬環(huán)境中的縫隙腐蝕行為，但是針對(duì)該鋼在地鐵隧道環(huán)境中的腐蝕研究還不夠深入。因此，深入研究其影響因素、重要規(guī)律和機(jī)理，探索防護(hù)方法有重要意義。

本工作以上海市地鐵隧道某地段的U75V鋼軌失效件為研究對(duì)象，通過(guò)浸泡試驗(yàn)和腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)研究其腐蝕行為及溶液濃度和溫度的影響，并采用溶液除氧的方式探索其腐蝕機(jī)理，以期為尋找鋼軌的腐蝕防護(hù)方法提供理論基礎(chǔ)。

01   試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自上海地鐵某隧道環(huán)境中服役一段時(shí)間后因腐蝕失效而更換下來(lái)的鋼軌底部。該鋼軌為U75V型，其顯微組織為典型的片層狀珠光體組織。

浸泡試驗(yàn)

根據(jù)JB/T 7901-2001《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，采用線切割從失效鋼軌底部位置取樣，尺寸為50 mm×25 mm×5 mm。用氧化鋁砂紙逐級(jí)打磨試樣后，采用1 μm金剛石拋光液拋光，清洗干燥后測(cè)量試樣尺寸并稱量。

在敞口于空氣的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.0%、3.0%、5.0%、10.0%）NaCl溶液中，每種濃度條件下設(shè)三片試樣，30 ℃恒溫浸泡90天，每30天取出一片試樣，清洗并用毛刷去除腐蝕產(chǎn)物、干燥、稱量，計(jì)算腐蝕速率。試驗(yàn)結(jié)果取三片試樣的平均值。

電化學(xué)試驗(yàn)

參照TCSCP0035.15-2017《低合金結(jié)構(gòu)鋼試驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn) 第15部分：低合金結(jié)構(gòu)鋼腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)方法》進(jìn)行腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)，用ZF-100電化學(xué)工作站測(cè)試動(dòng)電位極化曲線，通過(guò)Tafel外推法計(jì)算自腐蝕電流密度，并通過(guò)Faraday定律換算得到腐蝕速率。

測(cè)試主要是在敞口燒杯中進(jìn)行，采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），工作電極為試樣。相對(duì)自腐蝕電位-0.20 V開(kāi)始動(dòng)電位極化曲線掃描，掃描速率0.5 mV/s。試驗(yàn)溶液為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.0%、2.0%、3.0%、3.5%、5.0%、10.0%）NaCl溶液，溫度為10，30，50 ℃。

另進(jìn)行除氧試驗(yàn)以對(duì)比研究溶液中氧的影響，探索腐蝕機(jī)理。具體操作為：采用五口瓶，在測(cè)試前向溶液中通入純度為99.999%氮?dú)忸A(yù)除氧30分鐘，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)通入氮?dú)獬酢Ｓ霉鈱W(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣。

02  試驗(yàn)結(jié)果與討論

浸泡試驗(yàn)

由圖1可見(jiàn)：在30 ℃的1.0% NaCl溶液中浸泡90天后，試樣宏觀上表現(xiàn)為均勻腐蝕，微觀上可以直接觀察到腐蝕后產(chǎn)生的片層狀珠光體。

（a）OM形貌

（b）SEM形貌

圖1 試樣在30 ℃的1.0% NaCl溶液中浸泡90天后的腐蝕形貌

由圖2可見(jiàn)：隨著NaCl濃度的升高，試樣的腐蝕速率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，但并不顯著。

圖2 試樣在30 ℃、不同濃度NaCl溶液中的腐蝕速率

電化學(xué)試驗(yàn)

NaCl濃度的影響

由圖3可見(jiàn)：試樣的腐蝕速率隨著NaCl濃度升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這與浸泡試驗(yàn)結(jié)果相似，但腐蝕速率低于浸泡試驗(yàn)結(jié)果。

（a）自腐蝕電位（Ecorr）30 ℃

（b）自腐蝕電流密度（Jcorr）30 ℃

（c）腐蝕速率（vcorr）30 ℃

圖3 試樣在不同濃度NaCl溶液中的電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

這可能是因?yàn)榻菰囼?yàn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，表面被大量腐蝕產(chǎn)物包覆而受到某種保護(hù)，所以腐蝕速率較低。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果有一定離散性，但隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，離散性減小。NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)腐蝕行為的影響機(jī)理還有待研究。

溫度的影響

由圖3還可見(jiàn)：隨著溫度的升高，試樣的平均自腐蝕電流密度明顯升高，即腐蝕速率升高。試樣的陽(yáng)極和陰極過(guò)程反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極過(guò)程：

Fe→Fe2++2e- 或 Fe3++3e-     (1)

  陰極過(guò)程：

O2+2H2O+4e-→4OH-

氧去極化反應(yīng)式 （溶液中氧較充分時(shí)）  (2)

2H2O+2e-→H2+2OH-

或 2H++2e-→H2

氫去極化反應(yīng)式 （溶液中缺氧時(shí)）   (3)

可以認(rèn)為在陽(yáng)極過(guò)程方面，溫度升高加速電極反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕速率隨著溫度的升高而加快；陰極過(guò)程方面，溫度升高使水中物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大，更多的溶解氧擴(kuò)散到金屬表面的陰極區(qū)，加速腐蝕。

溶解氧的影響

由圖4和圖5可見(jiàn)：試樣在未除氧環(huán)境中的腐蝕電流密度和自腐蝕電位顯著高于除氧環(huán)境中的。

（a）1.0% NaCl

（b）10.0% NaCl

圖4 試樣在30 ℃除氧與未除氧試驗(yàn)溶液中的極化曲線

圖5 試樣在30 ℃除氧與未除氧的不同NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)溶液中的平均自腐蝕電流密度

這是因?yàn)槲闯鯐r(shí)，由于溶液中富氧，陰極極化為氧去極化過(guò)程；隨著溶液中氧含量降低，陰極過(guò)程變成氧去極化-氫去極化綜合控制；充分除氧后，陰極極化過(guò)程變成氫去極化主導(dǎo)，因此自腐蝕電位和腐蝕速率顯著下降。即在含有氧氣的環(huán)境中，試樣更容易發(fā)生腐蝕。

由圖4還可見(jiàn)：試樣在未除氧與除氧環(huán)境中的極化曲線均無(wú)明顯的過(guò)鈍化材料應(yīng)有的陽(yáng)極反應(yīng)特征，屬于活化極化控制的腐蝕體系。該體系主要是受陰極控制的腐蝕過(guò)程，而溶液中的氧含量會(huì)影響陰極的腐蝕過(guò)程。在氧氣充分的情況下，自腐蝕電位、自腐蝕電流密度均大于除氧情況下，腐蝕速率也明顯較高。而在除氧溶液中，NaCl濃度對(duì)試樣腐蝕速率的影響很小。

03   結(jié)論

(1) 在敞開(kāi)于空氣中的NaCl溶液中，鋼軌試樣的腐蝕速率隨著NaCl含量的升高而下降。

(2) 在本試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)（10~50 ℃），鋼軌試樣的腐蝕速率隨著溫度的升高而升高。

(3) 試樣在NaCl溶液中的腐蝕是陰極控制的活化極化腐蝕，當(dāng)氧氣充分時(shí)陰極發(fā)生氧去極化過(guò)程，除氧之后陰極主要發(fā)生氫去極化過(guò)程。