温度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀Q235碳钢和HT150铸铁的影响

雷冠雄，孙炜海，陈红迁，陈学荣，薛春芳

(1.装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072； 2.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

温度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀Q235碳钢和HT150铸铁的影响

雷冠雄1，孙炜海1，陈红迁1，陈学荣2，薛春芳1

(1.装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072； 2.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

为探究温度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀Q235碳钢及HT150铸铁的影响,在温度为4、15、25、35、45 ℃时利用电子万能实验机、光学显微镜和电子天平等分别对Q235碳钢的抗拉强度和弯曲强度及HT150铸铁的抗压强度进行了测试。结果表明：嗜酸氧化亚铁硫杆菌对Q235碳钢和HT150铸铁产生高效腐蚀的最适宜温度为15～45 ℃，在该温度条件下可实现有效的生物去除加工。

微生物腐蚀； 温度； 嗜酸氧化亚铁硫杆菌； Q235碳钢； HT150铸铁； 力学性能

由材料表面生物膜内的微生物生命活动引起或促进材料的腐蚀和破坏称为微生物腐蚀(Microbially Influenced Corrosion，MIC)。微生物腐蚀并非其本身对金属的侵蚀作用，而是微生物生命活动的结果[1]。微生物对固体材料的作用形式包括合成生物体材料富集、浸出和材料腐蚀[2]。若能利用微生物对工程材料的加工作用，对工件表面预定部分进行预定量的去除或沉积，可形成一种新的加工方法——生物加工法[3]。制约微生物腐蚀能力的因素有很多，且不同菌种在不同条件下的腐蚀能力大不相同，但目前国内外对微生物腐蚀的作用及机理缺少系统深入的认识[4]。因此，开展生物加工法的基础研究工作具有理论和实际意义。为探究温度对生物加工效率的影响，笔者采用一种高效腐蚀铁基材料的嗜酸氧化亚铁硫杆菌[5]进行腐蚀实验，从力学性能方面揭示温度对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀能力的影响规律，为利用微生物菌群腐蚀金属进行有效的生物去除加工奠定基础。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验材料为Q235碳钢和HT150铸铁，其中Q235碳钢化学成分为：ω(C)≤0.22%，ω(Mn)≤1.4%，ω(Si)≤0.35%，ω(S)≤0.050%，ω(P)≤0.045%。HT150铸铁化学成分为：ω(C)≤3.3%，ω(Mn)≤0.5%，ω(Si)≤2.0%，ω(S)≤0.12%，ω(P)≤0.2%。将Q235碳钢制备成标准5倍圆柱状拉伸试件和300 mm×10 mm×10 mm 三点弯曲试件，在腐蚀试验过程中将其浸泡在8 L菌液中，充气静置。将HT150铸铁制备成φ10 mm×15 mm圆柱状试件，在腐蚀试验过程中浸泡在300 mL菌液锥形瓶中，放置于DHZ-D全温度振荡培养箱，振荡频率为150 Hz。

采用中科院微生物研究所和有色金属研究总院矿业研究院培养的嗜酸氧化亚铁硫杆菌，此菌种由福建紫金铜矿的矿坑水和浸出液中提取的样品进行富集并连续扩大培养而得到。培养的最终细菌浓度为6.8×108个/mL。

1.2 实验方法

李茹等[6]研究表明：在低于0 ℃和高于50 ℃时，嗜酸氧化亚铁硫杆菌几乎无代谢活性。因此，选择4、15、25、35、45 ℃为实验温度。实验周期为0～20 d，每2 d取出一组试件。通过光学显微镜直接计数法，测定不同温度条件下20 d后的嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀溶液中细菌的浓度。

在Q235碳钢的拉伸试件和三点弯曲试件腐蚀试验中，试件夹头夹持部位用橡皮套包裹，并在腐蚀之后将其去掉，用蒸馏水清洗去除表面腐蚀产物，然后分别按GB/T228—2002[7]和GB/T232—2010[8]进行上述2种试验。由于受到试验条件限制，未进行45 ℃时的拉伸试件腐蚀试验和35、45 ℃时的三点弯曲试件腐蚀试验。

对HT150铸铁进行压缩试件腐蚀试验前，先将腐蚀后的试件用蒸馏水清洗去除表面腐蚀产物，干燥后用电子天平称重，最后利用电子万能试验机按GB/T7314—2005[9]进行试验。

2 结果分析与讨论

2.1 温度对微生物浓度的影响

微生物浓度测试结果表明：在实验温度下，嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀Q235碳钢和HT150铸铁时，溶液中嗜酸氧化亚铁硫杆菌的数量始终保持在108个/mL数量级，未随环境温度发生改变，这说明温度主要影响其代谢活性，进而影响对Q235碳钢和HT150铸铁的腐蚀效率和力学性能。

2.2 温度对Q235碳钢的影响

2.2.1 拉伸性能

Q235碳钢拉伸试件理论抗拉强度σb和直径d的变化曲线如图1所示。可以看出：腐蚀20 d后，在4 ℃环境下，σb=417.02 MPa，d=9.48 mm，且随着腐蚀时间的增加，两者变化不明显；在35 ℃环境下，σb=246.87 MPa，d=7.84 mm，说明随着腐蚀温度的升高，两者变化显著。

图1 Q235碳钢拉伸试件的σb和d变化曲线

由于Q235碳钢在腐蚀后与空白试件断后延伸率基本相同，为进一步揭示嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀造成的横截面面积的减小对抗拉强度极限的影响，自定义一个参量——真实抗拉强度极限σbt：

(1)

式中：Fmax为试件承受的最大拉力(N)；dt为实测每组试件工作段平均直径(mm)。

根据式(1)计算出的Q235碳钢拉伸试件σbt的变化曲线如图2所示。可以看出：每组试件的σbt基本保持不变，约为420 MPa,与常温未腐蚀的空白试件抗拉强度σb=443.86 MPa相差不大。这说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀导致Q235碳钢试件尺寸减小，承受载荷的有效横截面积减小,从而使得其抗拉强度下降，但未对材料的塑性产生影响。

图2 Q235碳钢拉伸试件σbt变化曲线

2.2.2 弯曲力

相同挠度(γ=17 mm)下Q235碳钢试件弯曲力的变化曲线如图3所示。可以看出：4 ℃时弯曲力随腐蚀时间的延长变化不大，腐蚀20 d后所需的弯曲力下降13.24%；15、25 ℃时，弯曲力随着腐蚀时间延长明显降低，腐蚀20 d后，15 ℃时下降44.93%，25 ℃时下降51.23%。

图3 Q235碳钢试件弯曲力变化曲线

2.3 温度对HT150铸铁的影响

2.3.1 腐蚀速率

为了更直观表示腐蚀程度，采用相对失重百分比w描述HT150铸铁试件的腐蚀速率，即

(2)

式中：m0为空白试件质量(g)；mi为腐蚀到第i天的试件质量(g)。

利用式(2)计算得到的HT150铸铁试件w的变化曲线如图4所示。可以看出：在4、15、25、35、45 ℃时，腐蚀20 d的相对失重百分比分别为12.952%、54.844%、65.017%、86.599%和58.406%。这说明上述温度条件下的嗜酸氧化亚铁硫杆菌对HT150铸铁的腐蚀程度相差不大，且4 ℃时腐蚀程度最小。

图4 HT150铸铁试件相对失重百分比的变化曲线

2.3.2 压缩性能

图5为HT150铸铁压缩断裂试件。可以看出：在不同温度和腐蚀时间下，HT150铸铁试件经压缩腐蚀试验后最终略成鼓形，断裂表面与HT150铸铁试件轴线大约成45°倾角。这是因为压缩腐蚀试验所用HT150铸铁试件为圆柱状，试件受压时上下两端与试验机垫板之间会产生很大的摩擦力，横向变形受到阻碍，故压缩后的试件成鼓形；当达到最大载荷后，主要由剪应力引起破坏而使试件破裂。

图5 HT150铸铁压缩断裂试件

为进一步揭示嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀造成的横截面面积减小对HT150铸铁抗压强度极限的影响，类比真实抗拉强度σbt自定义一个参量——真实抗压强度极限σct(σc为试件抗压前度)。不同温度时HT150铸铁试件压缩试验数据如表1-5所示。由于35、45 ℃时腐蚀20 d的数据差异太大，判定为无效数据，因此取18 d的数据为最终结果。可以看出：腐蚀18 d后，在4、15、25、35、45 ℃时，σc分别下降了17.5%、45.1%、61.3%、66.2%和64.6%,进一步说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌在温度为15、25、35、45 ℃时对HT150铸铁的腐蚀严重，4 ℃时对HT150铸铁的腐蚀能力较弱；而真实抗压强度极限相差不大，说明微生物腐蚀未对材料的脆性造成影响。

表1 4 ℃时HT150铸铁压缩试验数据

表2 15 ℃时HT150铸铁压缩试验数据

表3 25 ℃时HT150铸铁压缩试验数据

表4 35 ℃时HT150铸铁压缩试验数据

表5 45 ℃时HT150铸铁压缩试验数据

3 结论

通过嗜酸氧化亚铁硫杆菌在实验室不同温度条件下对Q235碳钢和HT150铸铁的腐蚀实验，得到了温度对腐蚀程度和力学性能的影响规律，结果表明：在15～45 ℃温度下可以实现有效的生物去除加工。然而受试验条件的制约，本文温度区间划分梯度太大，未能得到精准的腐蚀效率最高区间。为保证实验数据的精度和可靠性，下一步应在25～45 ℃之间取更小的梯度进行验证。

[1] 王保成.材料腐蚀与防护[M].北京:北京大学出版社,2012：1-2.

[2] 孙齐磊，王志刚，蔡元兴.材料腐蚀与防护[M].北京:化学工业出版社,2014：8-12.

[3] 刘宏芳，刘涛.嗜热硫酸盐还原菌生长特征及其对碳钢腐蚀的影响[J].中国腐蚀与防护学报,2009,29(2):93-97.

[4] 张德远,李雅芹,孙以凯.生物加工金属材料的可行性研究[J].中国科学(C辑),1997，27(5)：410-414.

[5] 李松梅，杜娟，刘建华，等.A3钢在氧化硫硫杆菌作用下的腐蚀行为[J].物理化学学报,2009,25(11):2191-2198.

[6] 李茹,张书平,崔心水,等.氧化亚铁硫杆菌生长特性的研究[J].西安工程大学学报,2008,22(6):733-736.

[7] 原国家冶金工业局.金属材料室温拉伸试验方法：GB/T228—2002[S].北京：中国标准出版社：2002.

[8] 中国钢铁工业协会.金属材料弯曲试验方法：GB/T232—2010[S].北京：中国标准出版社：2011.

[9] 中国钢铁工业协会.金属材料室温压缩试验方法：GB/T7314—2005[S].北京：中国标准出版社：2005.

(责任编辑:尚菲菲)

Influence of Temperature on Acidithiobacillus Ferrooxidans Corrosion of Q235 Carbon Steel and HT150 Cast Iron

LEI Guan-xiong1,SUN Wei-hai1,CHEN Hong-qian1,CHEN Xue-rong2,XUE Chun-fang1

(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)

To reveal the influence of temperature on acidithiobacillus ferrooxidans corrosion of Q235 carbon steel and HT150 cast iron,the electronic universal tensile testing,optical microscope,electronic balance and other analysis methods are used to test and analyze the tensile strength,bending strength of Q235 carbon steel and compressive strength of HT150 cast iron under different temperature conditions(4,15,25,35,45 ℃).The results show that the best corrosion effect of acidithiobacillus ferrooxidans on Q235 carbon steel and HT150 cast iron is in the temperature range of 15 ℃ to 45 ℃,and effective biological removal process can be achieved in the appropriate temperature environment.

Microbially Influenced Corrosion (MIC); temperature; acidithiobacillus ferrooxidans; Q235 carbon steel; HT150 cast iron; mechanical properties

1672-1497(2017)01-0095-04

2016-12-19

军队科研计划项目

雷冠雄(1994-)，男，硕士研究生。

TG172.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.020