金属工具腐蚀性能随时间变化规律的研究

杨飞宇，柳晓光，张成功，田 巍，严 岩，刘文斌

(1.上海市现场物证重点实验室，上海市刑事科学技术研究院，上海200083;2.上海市公安局普陀分局刑科所)

刑事犯罪活动中利用金属撬棒等作案工具偷盗在某些地区十分高发，如撬防盗门入室盗窃案，撬保险箱盗窃案，撬敲汽车玻璃盗窃案等案件都涉及金属撬棒的使用，这类金属工具容易获取，容易丢弃，经常可以发现其被留在作案现场或抛弃到野外。技术人员提取到的金属撬棒往往距离事发已经有过一段时间，其与案件的相关性如何判断是一个难题［1-3］。在提取不到指纹的情况下，只能从金属本身的理化性能入手寻找其与案情的相关性。本文课题组在以往的研究中发现，在刑事案件中的涉案金属物证在提取时已出现锈蚀的情况比较常见，锈蚀的出现率很高。在一定的温度和湿度情况下，与金属锈蚀特征最密切相关的因素就是时间。由此在已知的一定环境介质条件下，金属的锈蚀特征就可以与时间建立起相对应的关系［4，5］。通过分析鉴定金属类物证的锈蚀特征(包括锈蚀痕迹、锈层厚度和结构等)来判断锈蚀时间，借此判断作案时间，就可以实现通过分析金属类物证锈蚀特征，为案件侦查工作提供参考和依据。

本研究通过选取常见金属撬棒为研究对象，在其经常发现的环境中模拟其腐蚀的全过程，并记录其表征腐蚀的特征，计算此类金属撬棒在腐蚀环境中腐蚀行为随时间变化的规律，从而为现场发现的同类金属工具的腐蚀过程的检验鉴定提供科学的实验和数据基础。

1 实验

金属撬棒被抛在自然环境中并与土壤接触的事件比较常见，所以本实验将模拟金属撬棒在上海地区土壤环境中的腐蚀特征。土壤是由固态、液态和气态三相物质构成的混合物，是毛细管多孔性的胶质体系，其空隙为空气和水汽所充满。上海的土壤属性大多属于黄泥土，其主要土壤性质如表1所示［6-9］。

表1 实验用土壤性质

据查阅文献，50cm深处的各种环境是最稳定的，包括含水量等，上海地区50cm深处含水量大概为38.7%。我们挖取50cm内的土壤，放入实验桶中盛放。然后选取案件里使用较多的一种金属撬棒(A3钢:碳素结构钢，表面镀锌)按图1所示切割试样块线切割，因为样品撬棒本身不是外轮廓线弧互相垂直，所以切割时尽量切割成接近10×10mm的样品，为保持表面涂层完整，在制备过程中也尽可能避免对试样造成机械划伤。线切割后的样品，由于其表面的油污等杂质，需对其用丙酮超声清洗一次，酒精超声清洗两次，最后用离子水冲洗三次［10，11］。清洗后的样品进行自然晾干或者在50℃真空烘干，然后对线切割面进行打磨，特别是边缘锋锐棱角和毛刺进行锉平，防止边缘腐蚀。最后，将线切割面用704胶进行封住，保留样品原有的涂层面作为工作面［12-14］。同时，将尼龙线粘在胶上，便于以后放入土中。盛放试样的实验桶放在室外通风处。起初的实验周期为十天，随后根据不同试样的腐蚀情况调整取样周期。取出的试样用数码相机记录其宏观形貌，用Hitachi SU70型扫描电镜SEM分析观察其微观形貌，用Rigaku D/MAX-Ra X射线衍射仪分析腐蚀产物的组成，其中，衍射角度为10°～70°，步进速度6°/min，CuKα衍射波长为1.54Å。

2 结果与讨论

2.1 金属撬棒腐蚀的形貌特征

图2是金属撬棒试样在土壤中的腐蚀宏观形貌，第60天开始用肉眼观察到腐蚀从边沿开始发生，到第90天时，腐蚀斑面积扩大到近1/2的试样表面，到160天腐蚀斑覆盖整个试样表面，且腐蚀产物颜色呈现红褐色。图3是金属撬棒在土壤中放置160天的腐蚀表面形貌SEM图片，可以看出，腐蚀产物的微观组织疏松，有空洞，无棱角，腐蚀产物颗粒直径大小各异，附着在试样表面。

2.2 金属撬棒腐蚀的成分变化

土壤腐蚀性的影响因素有土壤的导电性、含水量、温度、电阻率、溶解离子的种类和数量、pH值等，在土壤中，绝大多数金属腐蚀都属于电化学腐蚀的范畴，即使是由于细菌等微生物引起的腐蚀，它们也都通过改变土壤与金属界面间的电化学过程而起作用的［15-17］。从图4所示的XRD结果可以看出，金属撬棒在经历了160天的腐蚀后，腐蚀产物主要是-FeOOH和ZnO。

图1 金属撬棒的线切割示意图

图2 试样在土壤介质中宏观腐蚀形貌的变化图

图3 试样在土壤中放置160天的腐蚀形貌SEM照片

2.3 金属撬棒腐蚀深度随时间的变化特征

为了描述腐蚀特征随时间的变化特征，本研究利用失重法计算不同时间段的平均腐蚀深度，来描述腐蚀速率:

其中，m0、m1、Δm分别是腐蚀前、腐蚀后、超声后失去的质量，ρ、S、h分别是刀具密度、有效腐蚀面积以及平均腐蚀深度。经过计算得到图5所示的曲线，可以看出，腐蚀速率在90天后加快。

图4 金属撬棒试样在土壤介质中的XRD分析

图5 金属撬棒试样在土壤中腐蚀深度随时间的变化曲线图

3 结论

本研究涉及的金属撬棒的腐蚀特征与时间变化显示出一定的规律，虽然影响因素众多，但趋势十分明显。从腐蚀表面的形貌可以看出，在土壤中，腐蚀从边沿出现腐蚀斑开始，并随时间腐蚀斑逐渐扩散，最终在160天覆盖整个金属试样表面。从腐蚀深度的计算可以更直观地看到金属撬棒在土壤中腐蚀的快慢，在90天前后，腐蚀速率发生了明显的变化，说明此种类型的撬棒在上海地区代表性土壤中经历三个月左右的时间就会发生更加快速的腐蚀。XRD结果表明，该金属撬棒腐蚀后的产物主要是-FeOOH和ZnO。

在本文的研究基础上，可以假设如果在近似模拟环境的实际现场中发现同类金属撬棒，就可以通过测量金属表面腐蚀的面积、计算平均腐蚀深度，以及观察表面形貌来与已有数据做综合比较，最终实现推断腐蚀时间区段。

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