嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕對Q235碳鋼力學性能的影響

雷冠雄， 田欣利， 薛春芳， 劉文彥， 姜成英

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072；3. 北京有色金屬研究總院生物冶金國家工程實驗室， 北京 100088； 4. 中科院微生物研究所生物工程國家重點實驗室， 北京 100080)

嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕對Q235碳鋼力學性能的影響

雷冠雄1， 田欣利2， 薛春芳1， 劉文彥3， 姜成英4

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072；3. 北京有色金屬研究總院生物冶金國家工程實驗室， 北京 100088； 4. 中科院微生物研究所生物工程國家重點實驗室， 北京 100080)

摘要：為了揭示嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕對Q235碳鋼的腐蝕程度和影響規律，以實現有效的生物去除加工，利用電子掃描電鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)、電子萬能拉伸試驗機和沖擊試驗機等分析儀器，采用試驗研究和理論分析的方法，對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕作用下的Q235碳鋼的抗拉強度、沖擊韌性、微觀組織等進行了測試和分析。研究表明：嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對Q235碳鋼具有高效吞噬腐蝕作用，在30 d腐蝕周期內其試樣尺寸和抗拉強度明顯下降；嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕，主要是其引起材料橫截面面積減小，導致材料有效承載能力降低，但并不會使材料的延伸率和沖擊功降低；嗜酸氧化亞鐵硫桿菌沒有使Q235碳鋼發生韌脆轉變，可利用嗜酸氧化亞鐵硫桿菌菌種實現對Q235碳鋼有效的生物去除加工。

關鍵詞：Q235碳鋼; 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌; 腐蝕； 力學性能

由材料表面生物膜內的微生物生命活動引起或促進材料的腐蝕和破壞稱為微生物腐蝕(Microbially Influenced Corrosion，MIC)，幾乎所有的常用材料都會產生由微生物引起的腐蝕。MIC會大大降低材料和設備的使用性能和使用壽命，造成巨大的經濟損失和嚴重事故[1]。日本的三重大學和岡山大學在1993年率先開展了生物技術用于工程材料加工的研究，并初步證實了微生物去除加工金屬的可能性[2]。20世紀90年代末期，國內也有少數幾家單位開始跟蹤研究，其中北京航空航天大學與中科院微生物研究所合作，利用細菌群體代謝過程生物去除加工了微小金屬零件[3]。

基于微生物菌群吞噬腐蝕金屬的生物加工已成為近年來受到廣泛關注的一種新型加工方法。目前，國內外對微生物腐蝕的作用及機理雖然已有一定研究[4-6]，但基于微生物腐蝕的生物加工由于試驗周期長且研究難度大，對利用微生物實現材料去除加工的機理等還缺少系統深入的認識，因此開展生物加工的基礎研究具有理論和實際意義。筆者采用一種高效腐蝕Q235碳鋼的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌進行腐蝕試驗，應用電子掃描電鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)、電子萬能拉伸試驗機和沖擊試驗機分別對腐蝕試件的組織特征和力學性能進行研究和測試，并從力學性能方面揭示嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對Q235碳鋼的腐蝕程度和影響規律，以期為生物去除加工奠定基礎。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

試驗所用的材料為Q235碳鋼，其化學成分為：ω(C)≤0.22%，ω(Mn)≤1.4%，ω(Si)≤0.35%，ω(S)≤0.050%，ω(P)≤0.045%。試樣制備成標準5倍圓柱狀拉伸試樣和“V”型缺口沖擊試樣。

采用中科院微生物研究所和有色金屬研究總院礦業研究院培養的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌，此菌種由福建紫金銅礦的礦坑水和浸出液中提取的樣品進行富集培養而得到。

1.2試驗方法

利用分子生物學方法定量跟蹤嗜酸氧化亞鐵硫桿菌富集馴化過程，定期測定微生物量、檢測pH值變化情況，并依此依次馴化6次(每次周期10 d)。利用16SrDNA基因文庫技術分析微生物種群結構。

將標準5倍圓柱狀拉伸試樣和“V”型缺口沖擊試樣放置在塑料桶中配制8 L嗜酸氧化亞鐵硫桿菌液中，試驗溫度為35 ℃。按照每24 h取出一個平行試樣的方式連續腐蝕30 d。

為確定嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對材料拉伸力學性能的影響，用蒸餾水清洗去除試樣表面腐蝕產物，按GB/T228—2002在電子萬能試驗機上進行拉伸試驗；用WDW-100微機控制電子萬能試驗機，其最大試驗力為100 kN，試驗力精度為0.5%。

為確定嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對材料沖擊性能的影響，用蒸餾水清洗去除試樣表面附著的腐蝕產物后，按GB/T3808—2002進行沖擊試驗，其沖擊速度為5.24 m/s。

采用切割機分別切割經拉伸試驗和沖擊試驗得到的試樣，獲得完整斷口，采用超聲波清洗儀清洗，采用SEM對2種斷口的微觀形貌進行分析，以確定Q235碳鋼在經微生物菌群腐蝕后的斷裂方式和斷裂機理。

式中：為是每個農村居民點斑塊質心與其最鄰近斑塊質心的觀測平均距離；為隨機分布模下斑塊質心的期望平均距離；n為斑塊總數；d為距離；A為研究區面積；如果ANN<1，則農村居民點為集聚分布；反之，則趨向于隨機分布。

2結果分析與討論

2.1嗜酸氧化亞鐵菌群篩選富集培養

嗜酸氧化亞鐵菌群篩選富集馴化的技術路線如圖1所示。

圖1　嗜酸氧化亞鐵菌群篩選富集馴化技術路線

試驗結果表明：選用9K培養基，培養溫度為35 ℃、初始pH值為1.8～2.0、接種量為5%時，對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌生長培養最為有利，經35 ℃通氣培養3 d后，檢測細菌濃度為105個/L。通過16SrRNA基因文庫技術鑒定表明：該菌株為是一種硫桿菌屬化能自養菌，屬于革蘭氏陰性細菌，好氧嗜酸，在低pH環境中利用亞鐵氧化時放出的能量生長。鑒定并純化后的菌種置于冰箱中冷藏保存，作為本試驗的菌種。

利用掃描電鏡觀察嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的菌體形態如圖2所示。可以看出：該菌株為短桿狀，菌體大小為(0.4±0.2) μm×(1.6±0.4) μm。

圖2　嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的菌體形態

2.2拉伸性能的影響

在工程應用中，拉伸性能是結構靜強度設計的主要依據[7]。根據拉伸試驗σ-ε曲線，得到Q235碳鋼在嗜酸氧化亞鐵硫桿菌液中腐蝕時，強度極限σb隨腐蝕時間t的變化曲線，如圖3所示。通過對沒有腐蝕的空白試件進行拉伸強度測試，得到空白試樣的抗拉強度極限為443.86 MPa。

圖3　Q235碳鋼強度極限σb隨腐蝕時間變化曲線

由圖3可以看出：隨著腐蝕時間的增加，σb下降明顯，其中腐蝕8 d時σb=354.04 MPa，其下降幅度達到20.2%，20 d時σb=286.97 MPa，下降幅度達到35.4%，說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌能高效腐蝕Q235碳鋼。

(1)

式中：L0為未腐蝕的空白試樣原始標長，mm；Ln為實測腐蝕不同時間拉斷后標長，mm。

根據式(1)計算試樣δ，結果如表1所示。可以看出：Q235碳鋼的塑性很好，腐蝕后試件的斷后延伸率保持在45%左右，與未經腐蝕的空白試件相比，未見明顯的變化，表明微生物腐蝕并沒有使得Q235碳鋼的塑性降低，材料未發生韌脆轉變。

表1Q235碳鋼斷后延伸率δ隨腐蝕時間的變化

腐蝕時間/d0510152025δ/%44.942.843.545.244.143.0

由于Q235碳鋼在腐蝕之后仍保持和空白試件基本相同的斷后延伸率，為進一步揭示嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕造成的橫截面面積減小對強度極限σb的影響，本文中自定義真實強度極限σbt為

(2)

式中：Fmax試件承受的最大拉力，N；dt為實測每組試樣工作段最小直徑，mm。

不同腐蝕時間的拉伸試樣宏觀形貌如圖4所示。可以看出：隨著腐蝕時間的增加，拉伸試樣直徑明顯減小，在腐蝕30 d時試樣幾乎全部被腐蝕，且腐蝕不均勻。用蒸餾水清洗去除試樣表面腐蝕產物，通過測量腐蝕試樣工作段的最小直徑，得到Q235碳鋼試樣直徑dt隨腐蝕時間的變化曲線，如圖5所示。可以看出：隨著腐蝕時間的增加，試樣直徑明顯減小,空白試樣dt=10.0 mm，腐蝕10 d時dt=9.22 mm,20 d時dt=7.80 mm，29 d時dt=2.52 mm，說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對Q235碳鋼具有高效的腐蝕作用。

根據式(2)計算σbt，結果如圖6所示。可以看出：每組試件的σbt基本保持不變，在400 MPa左右與未腐蝕的空白試件抗拉強度基本相同。這說明腐蝕后造成的試樣直徑減小，導致承受載荷的有效橫截面面積減小是碳鋼強度極限下降的主要原因。

2.3沖擊性能的影響

不同腐蝕時間的“V”型缺口沖擊試件宏觀形貌如圖7所示，可以看出：隨著腐蝕時間的增加，沖擊試樣的外觀尺寸明顯減小，但腐蝕非常不均勻。

圖4　不同腐蝕時間的拉伸試樣宏觀形貌

圖5　Q235碳鋼拉伸試樣直徑隨腐蝕時間變化曲線

圖6　不同腐蝕時間的真實強度極限σbt

圖7　不同腐蝕時間的“V”型缺口沖擊試件宏觀形貌

由于腐蝕25 d之后沖擊試樣尺寸明顯減小，無法進行沖擊試驗，且腐蝕27 d的沖擊試樣完全被吞噬腐蝕，因此試驗只測試腐蝕1～24 d沖擊試樣的沖擊吸收能量KV，結果如圖8所示。可以看出：空白試件沖擊吸收能量KV(0)=127.50 J，腐蝕24 d沖擊吸收能量的最大值KV_max=133.11 J，最小值KV_min=122.94 J。腐蝕不同時間后試樣的沖擊功與未腐蝕的空白試件相比，雖然試樣尺寸明顯減小，但沖擊吸收能量KV變化不大，說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕不會降低Q235碳鋼的沖擊性能。

圖8　不同腐蝕時間的沖擊吸收能量KV

圖9　Q235碳鋼拉伸斷口形貌SEM照片

圖10　Q235碳鋼沖擊斷口形貌SEM照片

2.4SEM斷口形貌觀察

圖9、10分別為Q235碳鋼在不同腐蝕時間的拉伸試樣和沖擊試樣斷口形貌SEM照片。可以看出：沖擊斷口和拉伸試件的斷口形貌相似，表面呈現出無金屬光澤的纖維形貌，均為明顯的塑性變形的纖維狀斷面；斷口上都布滿了韌窩，且韌窩較大、較深，無沿晶斷裂特征，是典型的韌性斷裂纖維區特征，而且也沒有隨腐蝕時間發生變化。進一步說明碳鋼在受到微生物菌群腐蝕之后韌性沒有降低，材料未發生韌脆轉變。

3結論

通過對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌腐蝕Q235碳鋼的研究,得出如下結論：在30 d的腐蝕周期內, Q235碳鋼的抗拉強度以及試樣尺寸明顯下降，斷后延伸率和沖擊功基本不變，拉伸試樣和沖擊試樣斷口呈現典型的韌性斷裂纖維區特征。這說明嗜酸氧化亞鐵硫桿菌能高效吞噬腐蝕Q235碳鋼，不會降低Q235碳鋼的韌性，材料未發生韌脆轉變。因此，可利用本試驗采用的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌種實現對Q235碳鋼有效的生物去除加工。

參考文獻：

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[3]李雅芹, 張德遠, 吳依陶. 氧化亞鐵硫桿菌對金屬銅的加工[J]. 微生物學報, 2000, 40(3): 327-330.

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[6]杜娟， 李松梅， 劉建華， 等. 氧化硫硫桿菌和芽孢桿菌協同作用下Q235鋼的腐蝕行為[J]. 北京航空航天大學學報, 2014, 40(1): 30-38.

[7]時海芳， 任霞. 材料力學性能[M]. 北京: 北京大學出版社, 2012: 34-35.

(責任編輯: 尚菲菲)

Influence of Acidithiobacillus Ferrooxidans Corrosion on the Mechanical Properties of Q235 Carbon Steel

LEI Guan-xiong1, TIAN Xin-li2, XUE Chun-fang1, LIU Wen-yan3, JIANG Cheng-ying4

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China；2. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；3.Bio Metallurgy National Engineering Laboratory，Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088, China；4. State Key Laboratory of Biotechnology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)

Abstract：To reveal the corrosion and influence law of acidithiobacillus ferrooxidans on Q235 carbon steel and achieve effective biological removal process, the Scanning Electron Microscopy (SEM), electronic universal tensile testing machine, impact testing machine and other analysis methods are used to test and analyze the tensile strength, impact toughness and microstructure of Q235 carbon steel to determine its corrosion behavior and mechanical properties. Experimental and theoretical analysis methods are adopted. The results show that acidithiobacillus ferrooxidans produces the serious corrosion on Q235 carbon steel. The tensile strength is obviously reduced after 30 d. The main corrosion effect of acidithiobacillus ferrooxidans on the mechanical properties of materials is to cause the cross sectional area of material decreased and the material effective load bearing capacity reduced. But the microbial corrosion does not reduce the elongation and impact energy of the Q235 carbon steel. It reveals by SEM observation that the fracture surfaces of tensile and impact samples have the characteristics typical of ductile fracture. This suggests that acidithiobacillus ferrooxidans does not result in ductile brittle transition of Q235 carbon steel. So, acidithiobacillus ferrooxidans can be used for Q235 carbon steel effective biological removal machining.

Key words:Q235 carbon steel; acidithiobacillus ferrooxidans; corrosion; mechanical properties

文章編號：1672-1497(2016)02-0084-05

收稿日期：2015-11-27

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：雷冠雄(1994-)，男，碩士研究生。

中圖分類號：TG172.7

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.017