景观钢结构的腐蚀行为研究

邹海棠

（西宁市园林规划设计院，西宁 810000）

引言

随着近年来国民经济的快速发展和绿地景观建筑的蓬勃发展，钢结构作为一种具有极具美观和良好承载能力的建筑结构形式，在现代化绿地景观钢结构中得到了广泛应用[1]。然而，由于绿地景观中的钢结构形式较为复杂，使用过程中往往并非采用单一的钢种来制作，通常还会存在异种金属连接以及金属与非金属之间的连接形式，由此会带来钢结构的缝隙腐蚀问题[2,3]，也正是因为缝隙腐蚀的存在，钢结构的外观和使用寿命都会受到明显影响，严重情况下还会造成钢结构破坏[4]。直到目前为止，虽然缝隙腐蚀已被广大科研工作者所熟知，但是金属与金属、金属与非金属等缝隙结构形式对缝隙腐蚀的影响方面的报道仍然较少，具体作用机理也不清楚[5-8]。在此基础上，本文设计了HP-13Cr/TP140、PTFE/TP140、TP140/TP140和 TP140钢4种缝隙结构，通过浸泡腐蚀和电化学腐蚀来表征材料的耐腐蚀性能差异，结果将有助于具有良好耐缝隙腐蚀的绿地景观钢结构的开发与应用。

1 试验材料与方法

试验基材包括绿地景观钢结构用TP140钢和HP-13Cr钢，其中，TP140钢的主要元素化学成分为（质量 分 数，%）：0.026C、0.25Si、0.92Mn、0.006P、0.001S、1.025Cr、0.422Mo、0.039Ni、0.098V、0.002Ti、0.001Nb、0.071Cu，余量为 Fe；HP-13Cr钢的主要元素化学成分为（质量分数，%）：0.007C、0.17Si、0.42Mn、12.2Cr、5.79Ni、1.98Mo、0.082Ti，余量为 Fe。TP140钢和HP-13Cr钢的弹性模量分别为192 GPa和216 GPa、屈服强度分别为991 MPa和850 MPa。

根据ASTM G48和ASTM G78标准进行绿地景观钢结构用钢的缝隙腐蚀试验，缝隙腐蚀试样的装配图如图1，试样尺寸为（30×40×5）mm；TP140钢/聚四氟乙烯（PTFE）缝隙腐蚀试验采用狭槽结构、TP140/HP-13Cr等构成的缝隙腐蚀试样采用圆柱结构[9]。腐蚀介质组成为：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+。

采用高温高压釜进行浸泡腐蚀试验，钢结构试样分气相和液相置于反应釜中，温度118 ℃、CO2气体分压为1 MPa、浸泡腐蚀时间为300 h，浸泡腐蚀结束后参照GB/T 16545-1996标准进行表面腐蚀产物清除，去除腐蚀产物溶液为500 mL盐酸+4 g六次甲基四胺+500 mL蒸馏水，室温去除20 min后分别用清水和无水乙醇清洗、吹干和称重，计算腐蚀速率[10]；电化学性能测试在IE 6.0型电化学工作站中进行，标准三电极体系，Ag/AgCl为参比电极、铂片为辅助电极、缝隙腐蚀试样为工作电极，极化曲线测试的扫描速率为1 mV/s，交流阻抗谱的测试频率范围为100 kHz～10 MHz；采用日本电子IT500型钨灯丝扫描电镜对缝隙腐蚀表面形貌进行观察。

2 结果及讨论

表1为钢结构用钢在液相和气相中的腐蚀速率统计结果，缝隙构成包括TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140。可见，在相同的温度和腐 蚀 溶 液 中，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的腐蚀速率分别为0.534、1.840、2.232和3.142 mm/a，在气相中的腐蚀速率分别为0.249、0.393、0.488和0.538 mm/a。对于相同缝隙构成的钢结构用钢，液相中的腐蚀速率要高于气相中的腐蚀速率，且相同环境下，不同缝隙构成的钢的腐蚀速率从大至小顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞ TP140。造成这种现象的原因在于，HP-13Cr/TP140缝隙结构中存在电偶腐蚀作用，腐蚀速率会有所加速；PTFE在浸泡腐蚀过程中会有轻微变形，促进缝隙腐蚀的萌生和发展，腐蚀速率也会相对较大[11]；TP140/TP140钢由于存在缝隙，缝隙腐蚀的存在也会使得腐蚀速率相对TP140钢更大。

图1 缝隙腐蚀装配图

表1 钢结构用钢的缝隙腐蚀速率

图2 TP140钢在液相和气相浸泡腐蚀后的表面SEM形貌

图2为TP140钢在液相和气相浸泡腐蚀后的表面SEM形貌。对比分析可知，TP140钢在液相中的腐蚀相对气相中更加严重，液相中的表面腐蚀形貌中可见尺寸不等的显微凹坑，而气相中的表面腐蚀形貌中可见较浅的腐蚀凹坑。表面腐蚀形貌的观察结果与表1的缝隙腐蚀速率的观察结果保持一致，即液相中的腐蚀速率更大，腐蚀程度更加严重。

表2为TP140钢在液相和气相浸泡腐蚀后的缝隙腐蚀程度统计结果。从最大腐蚀深度统计结果可知，TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在液相中的最大腐蚀深度分别为-86.91、-101.49和-139.88 μm，在气相中的最大腐蚀深度分别为-10.34、-31.31和-37.27 μm；从平均腐蚀深度来看，TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的平均腐蚀深度分别为-9.14、-10.34和-11.37 μm，在气相中的平均腐蚀深度分别为-0.01、-1.73和-2.67 μm。可见，最大腐蚀深度和平均腐蚀深度从大至小的顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140。

图3为钢结构用钢的阳极极化曲线，分别列出了TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蚀介质中的极化曲线测试结果，表3中同时列出了相应的极化曲线拟合结果。可见，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140的腐蚀电位分别为-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蚀电流密度分别为 0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蚀电位从大至小顺序为：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蚀电流密度从大至小的顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。根据腐蚀电位和腐蚀电流密度从金属材料耐腐蚀性能的对应关系可知，腐蚀电位越正则材料抵抗腐蚀的能力越强，腐蚀电流密度越大则腐蚀速率越快[11]，由此可知，绿地景观钢结构用钢的耐腐蚀性能从高至低的顺序为：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。

表2 TP140钢在液相和气相浸泡腐蚀后的缝隙腐蚀程度统计结果

图3 钢结构用钢的阳极极化曲线

表3 阳极极化曲线拟合结果

图4 钢结构用钢的电化学阻抗谱图

图4为钢结构用钢的电化学阻抗谱图，缝隙结构包 括 TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140。对比分析可知，4种不同缝隙结构的容抗弧半径存在较大差异，其中，容抗弧半径从大至小顺序为：TP140＞ TP140/TP140＞ PTFE/TP140＞ HP-13Cr/TP140。根据电化学阻抗谱中容抗弧半径与材料耐腐蚀性能之间的对应关系可知，容抗弧半径越大则表示材料抵抗腐蚀的能力更强[13]，可见，电化学阻抗谱的测试结果与极化曲线测试结果相吻合。综合而言，无论是TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140缝隙结构，其耐腐蚀性能都低于单一TP140钢，这主要是因为缝隙结构中由于有缝隙的存在而形成了加速了缝隙腐蚀，且异种金属的缝隙腐蚀会更加严重[14]，其次为PTFE/TP140，而同种金属的缝隙腐蚀会相对较小。

3 结论

1）对于相同缝隙构成的钢结构用钢，液相中的腐蚀速率要高于气相中的腐蚀速率，且相同环境下，不同缝隙构成的钢的腐蚀速率从大至小顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。最大腐蚀深度和平均腐蚀深度从大至小的顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞ TP140/TP140。

2）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蚀介质中的腐蚀电位分别为-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蚀电流密度分别为0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蚀电位从大至小顺序为：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蚀电流密度从大至小的顺序为：HP-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。

3）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140的容抗弧半径从大至小顺序为：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。电化学阻抗谱的测试结果与极化曲线测试结果相吻合，即绿地景观钢结构用钢的耐腐蚀性能从高至低的顺序为：TP140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。