鋼鐵的腐蝕自上世紀以來就受到許多研究者的關注，按服役環境，鋼鐵腐蝕主要分為大氣腐蝕、土壤腐蝕和溶液體系中的腐蝕。其中大氣腐蝕是鋼鐵最為普遍的腐蝕形式，國內外已有許多研究者開展了鋼鐵的大氣腐蝕研究，研究者主要通過戶外暴露實驗和實驗室模擬加速實驗來考察鋼鐵在不同環境中的腐蝕行為，并對鋼鐵腐蝕產物及其微觀結構對鋼鐵大氣腐蝕動力學的影響作了系統的研究，并獲得了大量有價值的實驗結果。這對理解鋼鐵腐蝕動力學與周圍服役環境的關聯性提供了大量有價值的信息。目前，隨著鋼鐵部件應用范圍的拓展，仍有大量腐蝕防護工作者關注鋼鐵的大氣腐蝕，尤其在鋼鐵特定的服役環境及外部空間的影響。

電力行業是國民經濟的支柱產業，隨著我國經濟的飛速發展，電力需求日益增加，體現在輸電容量和輸電線路長度不斷增加；特高壓輸電線路也相繼出現，為了確保輸電網的安全運行，對輸電線路及輸電桿塔的服役有著極高的要求。然而，輸電線路長期運行在野外，受風吹日曬和雨水的侵蝕等各種惡劣環境作用，輸電線路中的桿塔，開關刀閘等金屬部件普遍出現了嚴重的腐蝕現象。有巡檢數據表明，相比于遠離輸電線路的鋼鐵部件，暴露于輸電線路周圍的金屬部件腐蝕要更加嚴重，這可能與輸電線路周圍存在著一定強度的電場有密切關系，因此，研究電場環境對鋼鐵腐蝕的影響對輸電線路中的金屬結構部件有著重要意義。本研究通過在自行建立的帶有直流電場的大氣腐蝕的體系中展開實驗，主要研究電場作用下，模擬海洋大氣環境下鋼鐵腐蝕產物的組成及其微觀結構特征，考察腐蝕產物對鋼鐵腐蝕行為的影響。

1 實驗方法

圖1為模擬大氣環境下直流電場體系的裝置，該裝置由兩部分組成，一部分是箱體，主要模擬一般大氣環境，內有溫控加熱墊，干濕球溫度計，以及用來調節箱內濕度的甘油水溶液槽，實驗期間箱內溫度保持在 （25±2） ℃，濕度維持在60%。第二部分是直流電場體系，箱體上部是提供高壓直流電場以及存放實驗樣品的電極板，外部是電路系統，主要連接外部高壓直流電源 （20 kV），通過電阻分壓實現所需的電場強度 （本實驗采用400 kV/m的電場強度）。此外，箱體內也設置了不加電場的極板，以放置對比試驗的空白樣品。

實驗樣品是將普通碳鋼切割成直徑為25 mm,厚度為2 mm的片狀，用樹脂封裝在圓形空心有機玻璃中，以獲取一定的容積來裝載一定量的溶液介質 （本實驗采用50 mmol/L FeCl2溶液 （分析純） 來模擬海洋大氣環境）。

實驗開始時，調節箱體內溫度為 （25±2） ℃，濕度為60%;將溶液介質倒入樣品，放置于試驗箱內，打開高壓直流電源，從而獲得實驗所需的直流電場強度 （400 kV/m）。暴露實驗為期30 d,分別在第7,第20、第30 d將樣品從實驗裝置中取出 （足夠數量的平行樣），用無水乙醇對腐蝕產物去水化，烘干，進行失重實驗和相關的腐蝕產物表征。需要注意的是，實驗過程中為防止樣品內溶液蒸發，應適時添加去離子水，防止因溶液離子濃度變化造成的實驗誤差。

碳鋼腐蝕樣品根據ISO8407-1991標準進行失重實驗的測量，實驗開始前，對所有碳鋼樣品進行稱重，并記錄相應初始質量；使用硬材質的刷子將樣品表面的腐蝕產物去除，靠近碳鋼基底的致密腐蝕產物采用化學方法去除；配制溶液1 L （500 mL鹽酸，3.5 g烏洛托品，500 mL去離子水） ,室溫下將樣品浸泡于該溶液中10 min,并輔助攪拌，待溶液反應溶解腐蝕產物后，取出碳鋼樣品，用大量去離子水沖洗，烘干，同時對空白對照樣品進行同樣的步驟獲得偏差值，并稱重計算碳鋼樣品失重數值。

采用自制的有機玻璃容器作為電解池進行電化學測試，極化曲線測試采用三電極體系，鉑電極為輔助電極，甘汞電極為參比電極，工作電極為碳鋼樣品表面，面積為0.049 m2,電解質溶液為0.35%NaCl溶液。采用1280B 型電化學工作站進行電化學測試，極化曲線測試前，進行10 min的開路電位測試；極化曲線掃描電位范圍為-100~100 mV （相對于開路電位），掃描速率為0.1667 mV/s,所有測試均在室溫下進行。

通過SU1500掃描電子顯微鏡 （SEM） 對暴露于電場環境以及沒有電場環境下的碳鋼的腐蝕產物進行微觀結構觀察。

2 結果與討論

2.1 失重實驗

圖2為不同直流電場強度下碳鋼樣品失重隨腐蝕時間的變化曲線。從整體上看，在前20 d,碳鋼的失重在不斷增加，隨后失重相對減少，這可能與碳鋼表面腐蝕產物大量生成并形成致密穩定的保護膜有關。對于暴露于400 kV/m直流電場強度下的樣品，碳鋼失重數值均大于空白樣品的失重，并且失重隨時間的變化趨勢與空白條件下碳鋼失重變化趨勢相同，這說明直流電場條件下加速了碳鋼的腐蝕失重，但并沒有改變碳鋼的腐蝕動力學。

2.2 電化學測試

圖3為不同時間下不同直流電場強度下碳鋼樣品的極化曲線，采用Corshow軟件對極化曲線進行擬合，表1列出極化曲線擬合得到的腐蝕電流密度值。對于空白樣品和暴露于400 kV/m直流電場下的碳鋼，腐蝕電流密度隨著時間的增加而增加；并且暴露于400 kV/m直流電場下的碳鋼在不同時間段均大于空白樣品的腐蝕電流密度；這說明了直流電場的存在加速了碳鋼在模擬海洋大氣環境下的腐蝕，這與碳鋼失重結果相一致。

2.3 腐蝕產物的結構表征

圖4和5分別是無直流電場和有直流電場作用下碳鋼表面腐蝕產物隨時間變化的SEM微觀結構圖。圖4a所示為腐蝕第7 d的腐蝕產物微觀結構，其中有棉球狀腐蝕產物 （圖中1） 出現在銹層中。根據已有的研究，這屬于典型腐蝕產物α-FeOOH的形貌，大量α-FeOOH會相互聯接成緊密的銹層結構具有保護性能[4]。此外，腐蝕產物中也有大量板片狀產物 （圖中2），這屬于γ-FeOOH的代表性形貌。并且在碳鋼初期銹層中，γ-FeOOH會大量生成并聯接形成大片的板片狀結構，很多研究已指出在碳鋼的腐蝕初期，腐蝕產物以γ-FeOOH為主,伴隨著腐蝕的進一步發展會轉化α-FeOOH,其中α-FeOOH是熱力學上較穩定的鐵的羥基氧化物。隨著腐蝕進行至第20和30 d,產物中的球狀產物 （圖4b中3示） 繼續生長，這說明片狀產物大量轉化并生成球狀α-FeOOH,這些棉球狀產物大量連接堆積有利于形成致密的保護膜層。

圖5a所示，對于400 kV/m直流電場下的碳鋼樣品，腐蝕第7 d中產物中有大量片狀γ-FeOOH （圖中2），產物中棉球狀產物較少并且生長不夠完全 （圖中1） 同時伴有少量無定型的鐵的氧化物；隨著腐蝕時間的增加，產物中片狀產物不斷增多，有些大量堆積連接形成大的花狀產物 （圖中3） 然而產物中并沒有大量生成結構完整的棉球狀產物，相比于空白樣品的腐蝕產物，這說明直流電場的存在抑制了棉球狀α-FeOOH的生成，實際上是抑制了片狀γ-FeOOH向α-FeOOH的轉化過程。

國內外已有大量關于碳鋼腐蝕產物對于碳鋼腐蝕行為影響的研究。腐蝕產物中，棉球狀的α-FeOOH是熱力學較穩定的產物。同時，棉球狀的結構在其大量聯接之后可以形成較為致密的銹層，這對碳鋼基底起到了很好的保護作用，可以減緩其腐蝕。而初期大量板片狀的γ-FeOOH存在于腐蝕產物中，并會在后期逐漸轉化為其它類型腐蝕產物，是銹層中不穩定的組分。盡管γ-FeOOH可以大量連接形成花狀結構，但由于此結構中存在空隙，并不能阻止一些具有腐蝕性離子侵蝕碳鋼基底，因此，這種結構對碳鋼并沒有保護作用。直流電場的作用下，促進了大量γ-FeOOH的生成，同時抑制了棉球狀的α-FeOOH的形成，從而減弱了整個銹層的保護性能。

3 結論

根據失重和極化曲線測試，結合腐蝕產物微觀結構的觀察，直流電場作用加速了碳鋼在模擬海洋大氣環境下的腐蝕，并沒有改變其腐蝕動力學；直流電場作用下時，腐蝕產物中α-FeOOH的量減少，但花片狀的γ-FeOOH量明顯增多，說明直流電場抑制了γ-FeOOH向穩定的α-FeOOH的轉化，這大大減弱了銹層的保護性能，從而加速了碳鋼的腐蝕。