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上海材料研究所有限公司

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

環境因素對地鐵鋼軌用U75V鋼腐蝕行為的影響

何兆如，紀開強，李光福

(上海材料研究所有限公司 上海市工程材料應用與評價重點實驗室)

地鐵鋼軌在潮濕甚至積水的隧道環境中會出現明顯的腐蝕，鋼軌的銹蝕將導致經濟損失甚至威脅到地鐵的安全可靠運行。國內外針對鋼軌的腐蝕問題已進行了相關研究，包括環境因素、顯微組織、加工工藝等對鋼軌腐蝕的影響。其中，環境因素導致鋼軌腐蝕失效的問題值得關注。

上海地鐵主要使用U75V鋼制造的鋼軌，關于U75V鋼的腐蝕問題，已有學者做了一些研究，主要包括U75V鋼的早期腐蝕行為及其在模擬環境中的縫隙腐蝕行為，但是針對該鋼在地鐵隧道環境中的腐蝕研究還不夠深入。因此，深入研究其影響因素、重要規律和機理，探索防護方法有重要意義。

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象，通過浸泡試驗和腐蝕電化學試驗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理，以期為尋找鋼軌的腐蝕防護方法提供理論基礎。

01   試驗材料與方法

試驗材料

試驗材料取自上海地鐵某隧道環境中服役一段時間后因腐蝕失效而更換下來的鋼軌底部。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

根據JB/T 7901-2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》進行浸泡試驗，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。用氧化鋁砂紙逐級打磨試樣后，采用1 μm金剛石拋光液拋光，清洗干燥后測量試樣尺寸并稱量。

在敞口于空氣的不同質量分數（1.0%、3.0%、5.0%、10.0%）NaCl溶液中，每種濃度條件下設三片試樣，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物、干燥、稱量，計算腐蝕速率。試驗結果取三片試樣的平均值。

電化學試驗

參照TCSCP0035.15-2017《低合金結構鋼試驗室腐蝕試驗 第15部分：低合金結構鋼腐蝕電化學試驗方法》進行腐蝕電化學試驗，用ZF-100電化學工作站測試動電位極化曲線，通過Tafel外推法計算自腐蝕電流密度，并通過Faraday定律換算得到腐蝕速率。

測試主要是在敞口燒杯中進行，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。相對自腐蝕電位-0.20 V開始動電位極化曲線掃描，掃描速率0.5 mV/s。試驗溶液為不同質量分數（1.0%、2.0%、3.0%、3.5%、5.0%、10.0%）NaCl溶液，溫度為10，30，50 ℃。

另進行除氧試驗以對比研究溶液中氧的影響，探索腐蝕機理。具體操作為：采用五口瓶，在測試前向溶液中通入純度為99.999%氮氣預除氧30分鐘，并在整個試驗過程中持續通入氮氣除氧。用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣。

02  試驗結果與討論

浸泡試驗

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

（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：隨著NaCl濃度的升高，試樣的腐蝕速率呈現緩慢下降的趨勢，但并不顯著。

圖2 試樣在30 ℃、不同濃度NaCl溶液中的腐蝕速率

電化學試驗

NaCl濃度的影響

由圖3可見：試樣的腐蝕速率隨著NaCl濃度升高呈現下降的趨勢，這與浸泡試驗結果相似，但腐蝕速率低于浸泡試驗結果。

（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溶液中的電化學試驗結果

這可能是因為浸泡試驗時間相對較長，表面被大量腐蝕產物包覆而受到某種保護，所以腐蝕速率較低。當NaCl質量分數較低時，試驗結果有一定離散性，但隨著NaCl質量分數的升高，離散性減小。NaCl質量分數對腐蝕行為的影響機理還有待研究。

溫度的影響

由圖3還可見：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。試樣的陽極和陰極過程反應式如下：

陽極過程：

Fe→Fe2++2e- 或 Fe3++3e-     (1)

  陰極過程：

O2+2H2O+4e-→4OH-

氧去極化反應式 （溶液中氧較充分時）  (2)

2H2O+2e-→H2+2OH-

或 2H++2e-→H2

氫去極化反應式 （溶液中缺氧時）   (3)

可以認為在陽極過程方面，溫度升高加速電極反應，導致腐蝕速率隨著溫度的升高而加快；陰極過程方面，溫度升高使水中物質的擴散系數增大，更多的溶解氧擴散到金屬表面的陰極區，加速腐蝕。

溶解氧的影響

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

（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質量分數試驗溶液中的平均自腐蝕電流密度

這是因為未除氧時，由于溶液中富氧，陰極極化為氧去極化過程；隨著溶液中氧含量降低，陰極過程變成氧去極化-氫去極化綜合控制；充分除氧后，陰極極化過程變成氫去極化主導，因此自腐蝕電位和腐蝕速率顯著下降。即在含有氧氣的環境中，試樣更容易發生腐蝕。

由圖4還可見：試樣在未除氧與除氧環境中的極化曲線均無明顯的過鈍化材料應有的陽極反應特征，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程，而溶液中的氧含量會影響陰極的腐蝕過程。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濃度對試樣腐蝕速率的影響很小。

03   結論

(1) 在敞開于空氣中的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) 在本試驗溫度范圍內（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，當氧氣充分時陰極發生氧去極化過程，除氧之后陰極主要發生氫去極化過程。