鄒海棠

（西寧市園林規(guī)劃設計院，西寧 810000）

引言

隨著近年來國民經濟的快速發(fā)展和綠地景觀建筑的蓬勃發(fā)展，鋼結構作為一種具有極具美觀和良好承載能力的建筑結構形式，在現(xiàn)代化綠地景觀鋼結構中得到了廣泛應用[1]。然而，由于綠地景觀中的鋼結構形式較為復雜，使用過程中往往并非采用單一的鋼種來制作，通常還會存在異種金屬連接以及金屬與非金屬之間的連接形式，由此會帶來鋼結構的縫隙腐蝕問題[2,3]，也正是因為縫隙腐蝕的存在，鋼結構的外觀和使用壽命都會受到明顯影響，嚴重情況下還會造成鋼結構破壞[4]。直到目前為止，雖然縫隙腐蝕已被廣大科研工作者所熟知，但是金屬與金屬、金屬與非金屬等縫隙結構形式對縫隙腐蝕的影響方面的報道仍然較少，具體作用機理也不清楚[5-8]。在此基礎上，本文設計了HP-13Cr/TP140、PTFE/TP140、TP140/TP140和 TP140鋼4種縫隙結構，通過浸泡腐蝕和電化學腐蝕來表征材料的耐腐蝕性能差異，結果將有助于具有良好耐縫隙腐蝕的綠地景觀鋼結構的開發(fā)與應用。

1 試驗材料與方法

試驗基材包括綠地景觀鋼結構用TP140鋼和HP-13Cr鋼，其中，TP140鋼的主要元素化學成分為（質量 分 數，%）：0.026C、0.25Si、0.92Mn、0.006P、0.001S、1.025Cr、0.422Mo、0.039Ni、0.098V、0.002Ti、0.001Nb、0.071Cu，余量為 Fe；HP-13Cr鋼的主要元素化學成分為（質量分數，%）：0.007C、0.17Si、0.42Mn、12.2Cr、5.79Ni、1.98Mo、0.082Ti，余量為 Fe。TP140鋼和HP-13Cr鋼的彈性模量分別為192 GPa和216 GPa、屈服強度分別為991 MPa和850 MPa。

根據ASTM G48和ASTM G78標準進行綠地景觀鋼結構用鋼的縫隙腐蝕試驗，縫隙腐蝕試樣的裝配圖如圖1，試樣尺寸為（30×40×5）mm；TP140鋼/聚四氟乙烯（PTFE）縫隙腐蝕試驗采用狹槽結構、TP140/HP-13Cr等構成的縫隙腐蝕試樣采用圓柱結構[9]。腐蝕介質組成為：188 mg/L HCO3-、12 780 mg/ Cl-、428 mg/L SO42-、8 170 mg/L Ca2+、550 mg/L Mg2+、6 600 mg/L K+、76 200 mg/L Na+。

采用高溫高壓釜進行浸泡腐蝕試驗，鋼結構試樣分氣相和液相置于反應釜中，溫度118 ℃、CO2氣體分壓為1 MPa、浸泡腐蝕時間為300 h，浸泡腐蝕結束后參照GB/T 16545-1996標準進行表面腐蝕產物清除，去除腐蝕產物溶液為500 mL鹽酸+4 g六次甲基四胺+500 mL蒸餾水，室溫去除20 min后分別用清水和無水乙醇清洗、吹干和稱重，計算腐蝕速率[10]；電化學性能測試在IE 6.0型電化學工作站中進行，標準三電極體系，Ag/AgCl為參比電極、鉑片為輔助電極、縫隙腐蝕試樣為工作電極，極化曲線測試的掃描速率為1 mV/s，交流阻抗譜的測試頻率范圍為100 kHz～10 MHz；采用日本電子IT500型鎢燈絲掃描電鏡對縫隙腐蝕表面形貌進行觀察。

2 結果及討論

表1為鋼結構用鋼在液相和氣相中的腐蝕速率統(tǒng)計結果，縫隙構成包括TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140?？梢?，在相同的溫度和腐 蝕 溶 液 中，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的腐蝕速率分別為0.534、1.840、2.232和3.142 mm/a，在氣相中的腐蝕速率分別為0.249、0.393、0.488和0.538 mm/a。對于相同縫隙構成的鋼結構用鋼，液相中的腐蝕速率要高于氣相中的腐蝕速率，且相同環(huán)境下，不同縫隙構成的鋼的腐蝕速率從大至小順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞ TP140。造成這種現(xiàn)象的原因在于，HP-13Cr/TP140縫隙結構中存在電偶腐蝕作用，腐蝕速率會有所加速；PTFE在浸泡腐蝕過程中會有輕微變形，促進縫隙腐蝕的萌生和發(fā)展，腐蝕速率也會相對較大[11]；TP140/TP140鋼由于存在縫隙，縫隙腐蝕的存在也會使得腐蝕速率相對TP140鋼更大。

圖1 縫隙腐蝕裝配圖

表1 鋼結構用鋼的縫隙腐蝕速率

圖2 TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的表面SEM形貌

圖2為TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的表面SEM形貌。對比分析可知，TP140鋼在液相中的腐蝕相對氣相中更加嚴重，液相中的表面腐蝕形貌中可見尺寸不等的顯微凹坑，而氣相中的表面腐蝕形貌中可見較淺的腐蝕凹坑。表面腐蝕形貌的觀察結果與表1的縫隙腐蝕速率的觀察結果保持一致，即液相中的腐蝕速率更大，腐蝕程度更加嚴重。

表2為TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的縫隙腐蝕程度統(tǒng)計結果。從最大腐蝕深度統(tǒng)計結果可知，TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在液相中的最大腐蝕深度分別為-86.91、-101.49和-139.88 μm，在氣相中的最大腐蝕深度分別為-10.34、-31.31和-37.27 μm；從平均腐蝕深度來看，TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的平均腐蝕深度分別為-9.14、-10.34和-11.37 μm，在氣相中的平均腐蝕深度分別為-0.01、-1.73和-2.67 μm?？梢姡畲蟾g深度和平均腐蝕深度從大至小的順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140。

圖3為鋼結構用鋼的陽極極化曲線，分別列出了TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蝕介質中的極化曲線測試結果，表3中同時列出了相應的極化曲線擬合結果。可見，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140的腐蝕電位分別為-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蝕電流密度分別為 0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蝕電位從大至小順序為：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蝕電流密度從大至小的順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。根據腐蝕電位和腐蝕電流密度從金屬材料耐腐蝕性能的對應關系可知，腐蝕電位越正則材料抵抗腐蝕的能力越強，腐蝕電流密度越大則腐蝕速率越快[11]，由此可知，綠地景觀鋼結構用鋼的耐腐蝕性能從高至低的順序為：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。

表2 TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的縫隙腐蝕程度統(tǒng)計結果

圖3 鋼結構用鋼的陽極極化曲線

表3 陽極極化曲線擬合結果

圖4 鋼結構用鋼的電化學阻抗譜圖

圖4為鋼結構用鋼的電化學阻抗譜圖，縫隙結構包 括 TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140。對比分析可知，4種不同縫隙結構的容抗弧半徑存在較大差異，其中，容抗弧半徑從大至小順序為：TP140＞ TP140/TP140＞ PTFE/TP140＞ HP-13Cr/TP140。根據電化學阻抗譜中容抗弧半徑與材料耐腐蝕性能之間的對應關系可知，容抗弧半徑越大則表示材料抵抗腐蝕的能力更強[13]，可見，電化學阻抗譜的測試結果與極化曲線測試結果相吻合。綜合而言，無論是TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140縫隙結構，其耐腐蝕性能都低于單一TP140鋼，這主要是因為縫隙結構中由于有縫隙的存在而形成了加速了縫隙腐蝕，且異種金屬的縫隙腐蝕會更加嚴重[14]，其次為PTFE/TP140，而同種金屬的縫隙腐蝕會相對較小。

3 結論

1）對于相同縫隙構成的鋼結構用鋼，液相中的腐蝕速率要高于氣相中的腐蝕速率，且相同環(huán)境下，不同縫隙構成的鋼的腐蝕速率從大至小順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。最大腐蝕深度和平均腐蝕深度從大至小的順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞ TP140/TP140。

2）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蝕介質中的腐蝕電位分別為-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蝕電流密度分別為0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蝕電位從大至小順序為：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蝕電流密度從大至小的順序為：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。

3）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140的容抗弧半徑從大至小順序為：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。電化學阻抗譜的測試結果與極化曲線測試結果相吻合，即綠地景觀鋼結構用鋼的耐腐蝕性能從高至低的順序為：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。