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摘要：钢结构在现代工程中应用非常广泛，因此对钢材进行腐蚀试验，了解腐蚀后的钢材的性能，对钢材的防腐提供重要依据。本文通过介绍自然环境试验和实验室环境试验的方法，为今后研究钢材腐蚀提供便利条件。
关键词：钢材腐蚀；自然环境；实验室环境
中图分类号：TG171文献标识码： A 文章编号：
1引言
钢结构在大气环境中，由于受到大气中水分、氧和其它污染物的作用而被腐蚀。大气中的水分吸附在钢材表面上而形成的水膜，是造成钢材腐蚀的决定因素。而大气中的相对湿度和污染物的含量是影响大气腐蚀程度的主要因素[1]。
实践证明，在一定的温度下，大气的相对湿度如果保持在60%以下，铁的大气腐蚀是很轻微的，但当相对湿度增加到某一数值时，铁的腐蚀程度就会突然升高，这一数值称为临界湿度。在常温下，一般钢材的腐蚀临界湿度为60-70%。然而由于自然腐蚀试验由于受试验周期和试验区域的限制，不利于试验结果的取得和推广。本文通过介绍自然环境试验和试验室环境试验的方法，为建立、完善和发展钢材腐蚀研究方法提供参考。
2 自然环境试验
自然环境试验是在典型和(或)极端自然环境条件下对产品及材料、工艺、构件进行的环境适应性试验与研究。按试验方法,自然环境试验可分为自然暴露试验、户外自然加速暴露试验。
自然环境下的大气暴露试验是自然环境试验最通常的试验方法。按暴露方式可分为户外暴露和室内暴露：
a.户外暴露：试样直接静置暴露在户外自然大气环境中。其朝向根据场地的实际情况和试验目的而定，确保试样面向太阳。但近年来根据实际需要，也有采用不同朝向暴露，如迎海暴露、迎主导风向暴露、斜坡暴露等。试样根据实际需要，可以选用任意暴露角。当前试验用得较多的暴露角有当地地理纬度角、略低于地理纬度角、45o角等。
b.室内暴露：包括半封闭暴露和封闭暴露，主要考核评价金属材料、非金属材料、覆盖层和防锈包装在户内储存条件下的耐蚀性能，确定保护性覆盖层和防锈包装的有效保护期。
由于大气暴露与贮存试验周期长，实验室模拟加速试验又难以重现真实自然条件下的结果，近二十年来，国内外研制了在自然条件下加速暴露的各种试验设备，以适应大气腐蚀研究的需要。户外自然加速暴露试验方法是在大气暴露试验方法的基础上，人为强化并控制某些环境因素，来加速材料的大气腐蚀。
目前，户外自然加速暴露试验可分为：追光式跟踪太阳暴露、聚光式跟踪太阳暴露、黑框暴露、玻璃框下暴露、加速凝露暴露、喷淋加速暴露。
a.追光式跟踪太阳暴露：在大气环境中，把暴露架增加转动控制系统，制作成活动暴露架对太阳跟踪转动，充分利用太阳的能量，强化光和热的效应，从而加速暴露面上试样的老化速度。采用该试验方法对涂膜进行试验，结果显示一般比朝南45o角的暴露，试样的老化速度快2～3倍。
b.聚光式跟踪太阳暴露：该试验是在追光式跟踪太阳暴露装置上，增加带反射镜的系统，阳光射到反射板上，经聚光反射到试样表面，增大试样受到的太阳辐射量，并可以鼓风和喷水，大大缩短了暴露时间。通过这种暴露试验的塑料比朝南45o角暴露的试样，最大老化速度快10倍，涂料快6～12倍。
c.黑框暴露：在暴露架上增加吸收太阳热量黑框、使热量聚集在试样上，增加其热效应，加速热老化过程。
d.玻璃框下暴露：在暴露架的试样表面，覆盖一层玻璃，使阳光能自由透射，但把雨水和尘埃物质等隔开。这种试验可对一些环境因素的作用进行研究。如酸雨影响、沙尘影响；同时，对室内或车内使用的材料和制品，能达到好的自然模拟加速效果。
e.加速凝露暴露：该试验白天利用太阳光照射样，夜间以冷冻机降温，强制试样表面凝露，增加金属材料的腐蚀速度。
f.喷淋加速暴露：在暴露架上增加喷水装置，定时向试样喷水，增加试样表面润湿时间，来加速大气腐蚀[2]。
3 试验室环境试验
实验室环境试验是在实验室通过人工方法模拟自然环境条件，对产品及材料、工艺、构件进行的环境适应性试验与研究。由于自然腐蚀试验周期长，试验区域性强, 不利于试验结果的推广和应用。为此, 国内外学者采用了大量试验室内的短期加速腐蚀试验, 并与自然腐蚀相对照，进而提出了许多加速试验方法：
1)盐雾试验方法
盐雾试验最早是由J A Capp于1919年提出，该方法借助于压缩空气把盐溶液吸入喷嘴，喷成细雾状充满盐雾箱空间，沉降在箱内放置的试样上，因NaCl盐雾是强腐蚀并伴有氧和水分，可起到加速材料腐蚀破坏的作用。1962年ASTM正式制定了3种盐雾试验标准：中性盐雾试验(NSS法)、醋酸盐雾试验(AASS法)和铜醋酸盐雾试验(CASS法)等3种[3]。它主要用来模拟海洋环境对材料的腐蚀，有时为了模拟工业大气或城市大气，还采用腐蚀性气体以加速试件的腐蚀。
2)腐蚀膏试验(CORR试验)
腐蚀膏试验具有过程快速、重现性好，与室外大气腐蚀具有一定的相关性等优点，可用于装饰性铬镀层的加速腐蚀实验。该方法是将含有腐蚀性膏泥均匀地涂敷在试样上，待干后，将试样放入潮湿箱内进行腐蚀试验。
3)电解腐蚀试验(EC法)
又称电化学快速锈蚀试验，通常的方法为:试件浸泡在3%-5%NaCl溶液中,将连接试件的导线与恒定直流电源的阳极相接,而直流电源的阴极则与溶液中的另一种金属相接,通过NaCl溶液形成回路,使试件锈蚀。此方法锈蚀速度较快，但以均匀锈蚀为主，与自然腐蚀有较大差异。
4)湿热试验方法
环境的温度、湿度是影响大气腐蚀的主要因素，此方法是在高温、高湿条件下使试件表面凝聚水份，强化腐蚀环境，从而加速试样的腐蚀，可分为恒定湿热试验（温度为40+2。C,相对湿度为95+3%）和交变湿热试验（高温为40+2。C,低温为30+2。，相对湿度为95+3%）两种。为了进一步加速大气腐蚀还采用凝露腐蚀试验，它同样在高温、高湿条件下，不同的是在试件架内通循环冷却水，使水汽更容易在试件上凝结，因而加速锈蚀，此试验一般用来模拟湿热地区材料的大气腐蚀[3]。
5)干湿周浸循环试验
Pourbaix首先提出用该方法研究大气腐蚀，这种方法将试件周期性地浸入不同的溶液中来模拟不同的大气环境，如蒸馏水、NaCl溶液，浸润一段时间后取出试件，用热吹风或干燥箱烘干试件，使试件处于干湿交替出现的状态，更好地模拟金属在雨淋日照下的真实条件，重现了金属表面经历的3种大气腐蚀状态：浸润—潮湿—干燥试验方法，此方法适用于究大部分材料在各种自然环境中的腐蚀情况。
6)周期喷雾复合腐蚀试验
各种单一的盐雾试验对大气曝露的模拟性不好,S B Lyon[4]等人认为在加速试验上用干湿交替法比用盐雾试验的相关性更好,把湿度和凝露作为研究的重点，能使加速试验的结果更接近自然暴露的试验结果，其主要原因是盐雾试验不具有“湿润—干燥”的循环过程,而在自然大气条件下,试样上由雨、雾等形成的液膜有一个由厚变薄、由湿变干的周期性循环过程,这是大气腐蚀过程的基本特点。因此,后来提出了带有干燥过程并周期性地盐水喷雾的盐雾复合试验方法,与单纯盐雾试验相比,这种方法可更好地模拟和加速大气腐蚀,它能较真实地再现自然环境,更接近材料在自然大气环境中的腐蚀情况[3]。
7)多因子循环复合腐蚀试验
由于材料在自然环境中受到的是多种复杂因素的综合作用,因而要更真实的再现材料在自然大气中的腐蚀,必须尽可能的将大气中的环境因素综合起来考虑。 近几年,模拟大气腐蚀的加速试验方法向多因子复合加速腐蚀试验方向发展,这也是以后加速试验发展的方向。如日本利用CASS试验机改装成复合试验机,可进行潮湿、喷雾、通SO2 、干燥的循环试验；美国的Q - PANEL制造的Q - FOG循环腐蚀试验机可进行盐雾、干燥、有规则的停顿等循环试验；北京航空材料研究所研制了8 因子加速試验装置,能够模拟在自然环境条件下干湿交替的过程,且可通入腐蚀性气体,具有光老化及腐蚀—老化综合试验条件,已成功应用于18 种标准腐蚀试验中[5] ,与户外数据相比具有良好的一致性[3]。
4 结论
钢材腐蚀后，不仅仅造成截面面积减少，而且因为种种原因使其力学性能发生变化，这些变化可能导致服役的中、老结构的耐久性、抗力、破坏形态发生重大变化。本文介绍了自然环境试验和试验室环境试验两种方法用来加速模拟钢材腐蚀，但两种方法都存在一定的局限性。因此，为了不断深化钢材腐蚀原理及规律的认识，必须运用和改进现有的研究方法，建立新的研究方法，为今后钢材腐蚀性能退化研究提供参考。
参考文献
涂湘湘.实用防腐蚀工程施工手册 [M]北京：化学工业出版社，2000。
唐伦科.自然暴露试验与加速腐蚀试验的相关性及防护设计研究[D]重庆：重庆大学硕士论文，2006.
林翠，王凤平，李晓刚.大气腐蚀研究方法进展[J]中国腐蚀与防护学报，2004,24（4）：249-256。
Lyon S B,Thompson GE,Johnson J B,et al. Accelerated atmospheric corrosion testing using a cyclic wet/dry exposure test:aluminium,galvanized steel[J].Corrosion,1987,43(12):719-726
Li J,Li M,Sun Z.Development of an artificial climatic complex accelerated corrosion tester and investigation of complex accelerated corrosiontest methods[J]. Corrosion,199,55(5):498-502
关键词：钢材腐蚀；自然环境；实验室环境
中图分类号：TG171文献标识码： A 文章编号：
1引言
钢结构在大气环境中，由于受到大气中水分、氧和其它污染物的作用而被腐蚀。大气中的水分吸附在钢材表面上而形成的水膜，是造成钢材腐蚀的决定因素。而大气中的相对湿度和污染物的含量是影响大气腐蚀程度的主要因素[1]。
实践证明，在一定的温度下，大气的相对湿度如果保持在60%以下，铁的大气腐蚀是很轻微的，但当相对湿度增加到某一数值时，铁的腐蚀程度就会突然升高，这一数值称为临界湿度。在常温下，一般钢材的腐蚀临界湿度为60-70%。然而由于自然腐蚀试验由于受试验周期和试验区域的限制，不利于试验结果的取得和推广。本文通过介绍自然环境试验和试验室环境试验的方法，为建立、完善和发展钢材腐蚀研究方法提供参考。
2 自然环境试验
自然环境试验是在典型和(或)极端自然环境条件下对产品及材料、工艺、构件进行的环境适应性试验与研究。按试验方法,自然环境试验可分为自然暴露试验、户外自然加速暴露试验。
自然环境下的大气暴露试验是自然环境试验最通常的试验方法。按暴露方式可分为户外暴露和室内暴露：
a.户外暴露：试样直接静置暴露在户外自然大气环境中。其朝向根据场地的实际情况和试验目的而定，确保试样面向太阳。但近年来根据实际需要，也有采用不同朝向暴露，如迎海暴露、迎主导风向暴露、斜坡暴露等。试样根据实际需要，可以选用任意暴露角。当前试验用得较多的暴露角有当地地理纬度角、略低于地理纬度角、45o角等。
b.室内暴露：包括半封闭暴露和封闭暴露，主要考核评价金属材料、非金属材料、覆盖层和防锈包装在户内储存条件下的耐蚀性能，确定保护性覆盖层和防锈包装的有效保护期。
由于大气暴露与贮存试验周期长，实验室模拟加速试验又难以重现真实自然条件下的结果，近二十年来，国内外研制了在自然条件下加速暴露的各种试验设备，以适应大气腐蚀研究的需要。户外自然加速暴露试验方法是在大气暴露试验方法的基础上，人为强化并控制某些环境因素，来加速材料的大气腐蚀。
目前，户外自然加速暴露试验可分为：追光式跟踪太阳暴露、聚光式跟踪太阳暴露、黑框暴露、玻璃框下暴露、加速凝露暴露、喷淋加速暴露。
a.追光式跟踪太阳暴露：在大气环境中，把暴露架增加转动控制系统，制作成活动暴露架对太阳跟踪转动，充分利用太阳的能量，强化光和热的效应，从而加速暴露面上试样的老化速度。采用该试验方法对涂膜进行试验，结果显示一般比朝南45o角的暴露，试样的老化速度快2～3倍。
b.聚光式跟踪太阳暴露：该试验是在追光式跟踪太阳暴露装置上，增加带反射镜的系统，阳光射到反射板上，经聚光反射到试样表面，增大试样受到的太阳辐射量，并可以鼓风和喷水，大大缩短了暴露时间。通过这种暴露试验的塑料比朝南45o角暴露的试样，最大老化速度快10倍，涂料快6～12倍。
c.黑框暴露：在暴露架上增加吸收太阳热量黑框、使热量聚集在试样上，增加其热效应，加速热老化过程。
d.玻璃框下暴露：在暴露架的试样表面，覆盖一层玻璃，使阳光能自由透射，但把雨水和尘埃物质等隔开。这种试验可对一些环境因素的作用进行研究。如酸雨影响、沙尘影响；同时，对室内或车内使用的材料和制品，能达到好的自然模拟加速效果。
e.加速凝露暴露：该试验白天利用太阳光照射样，夜间以冷冻机降温，强制试样表面凝露，增加金属材料的腐蚀速度。
f.喷淋加速暴露：在暴露架上增加喷水装置，定时向试样喷水，增加试样表面润湿时间，来加速大气腐蚀[2]。
3 试验室环境试验
实验室环境试验是在实验室通过人工方法模拟自然环境条件，对产品及材料、工艺、构件进行的环境适应性试验与研究。由于自然腐蚀试验周期长，试验区域性强, 不利于试验结果的推广和应用。为此, 国内外学者采用了大量试验室内的短期加速腐蚀试验, 并与自然腐蚀相对照，进而提出了许多加速试验方法：
1)盐雾试验方法
盐雾试验最早是由J A Capp于1919年提出，该方法借助于压缩空气把盐溶液吸入喷嘴，喷成细雾状充满盐雾箱空间，沉降在箱内放置的试样上，因NaCl盐雾是强腐蚀并伴有氧和水分，可起到加速材料腐蚀破坏的作用。1962年ASTM正式制定了3种盐雾试验标准：中性盐雾试验(NSS法)、醋酸盐雾试验(AASS法)和铜醋酸盐雾试验(CASS法)等3种[3]。它主要用来模拟海洋环境对材料的腐蚀，有时为了模拟工业大气或城市大气，还采用腐蚀性气体以加速试件的腐蚀。
2)腐蚀膏试验(CORR试验)
腐蚀膏试验具有过程快速、重现性好，与室外大气腐蚀具有一定的相关性等优点，可用于装饰性铬镀层的加速腐蚀实验。该方法是将含有腐蚀性膏泥均匀地涂敷在试样上，待干后，将试样放入潮湿箱内进行腐蚀试验。
3)电解腐蚀试验(EC法)
又称电化学快速锈蚀试验，通常的方法为:试件浸泡在3%-5%NaCl溶液中,将连接试件的导线与恒定直流电源的阳极相接,而直流电源的阴极则与溶液中的另一种金属相接,通过NaCl溶液形成回路,使试件锈蚀。此方法锈蚀速度较快，但以均匀锈蚀为主，与自然腐蚀有较大差异。
4)湿热试验方法
环境的温度、湿度是影响大气腐蚀的主要因素，此方法是在高温、高湿条件下使试件表面凝聚水份，强化腐蚀环境，从而加速试样的腐蚀，可分为恒定湿热试验（温度为40+2。C,相对湿度为95+3%）和交变湿热试验（高温为40+2。C,低温为30+2。，相对湿度为95+3%）两种。为了进一步加速大气腐蚀还采用凝露腐蚀试验，它同样在高温、高湿条件下，不同的是在试件架内通循环冷却水，使水汽更容易在试件上凝结，因而加速锈蚀，此试验一般用来模拟湿热地区材料的大气腐蚀[3]。
5)干湿周浸循环试验
Pourbaix首先提出用该方法研究大气腐蚀，这种方法将试件周期性地浸入不同的溶液中来模拟不同的大气环境，如蒸馏水、NaCl溶液，浸润一段时间后取出试件，用热吹风或干燥箱烘干试件，使试件处于干湿交替出现的状态，更好地模拟金属在雨淋日照下的真实条件，重现了金属表面经历的3种大气腐蚀状态：浸润—潮湿—干燥试验方法，此方法适用于究大部分材料在各种自然环境中的腐蚀情况。
6)周期喷雾复合腐蚀试验
各种单一的盐雾试验对大气曝露的模拟性不好,S B Lyon[4]等人认为在加速试验上用干湿交替法比用盐雾试验的相关性更好,把湿度和凝露作为研究的重点，能使加速试验的结果更接近自然暴露的试验结果，其主要原因是盐雾试验不具有“湿润—干燥”的循环过程,而在自然大气条件下,试样上由雨、雾等形成的液膜有一个由厚变薄、由湿变干的周期性循环过程,这是大气腐蚀过程的基本特点。因此,后来提出了带有干燥过程并周期性地盐水喷雾的盐雾复合试验方法,与单纯盐雾试验相比,这种方法可更好地模拟和加速大气腐蚀,它能较真实地再现自然环境,更接近材料在自然大气环境中的腐蚀情况[3]。
7)多因子循环复合腐蚀试验
由于材料在自然环境中受到的是多种复杂因素的综合作用,因而要更真实的再现材料在自然大气中的腐蚀,必须尽可能的将大气中的环境因素综合起来考虑。 近几年,模拟大气腐蚀的加速试验方法向多因子复合加速腐蚀试验方向发展,这也是以后加速试验发展的方向。如日本利用CASS试验机改装成复合试验机,可进行潮湿、喷雾、通SO2 、干燥的循环试验；美国的Q - PANEL制造的Q - FOG循环腐蚀试验机可进行盐雾、干燥、有规则的停顿等循环试验；北京航空材料研究所研制了8 因子加速試验装置,能够模拟在自然环境条件下干湿交替的过程,且可通入腐蚀性气体,具有光老化及腐蚀—老化综合试验条件,已成功应用于18 种标准腐蚀试验中[5] ,与户外数据相比具有良好的一致性[3]。
4 结论
钢材腐蚀后，不仅仅造成截面面积减少，而且因为种种原因使其力学性能发生变化，这些变化可能导致服役的中、老结构的耐久性、抗力、破坏形态发生重大变化。本文介绍了自然环境试验和试验室环境试验两种方法用来加速模拟钢材腐蚀，但两种方法都存在一定的局限性。因此，为了不断深化钢材腐蚀原理及规律的认识，必须运用和改进现有的研究方法，建立新的研究方法，为今后钢材腐蚀性能退化研究提供参考。
参考文献
涂湘湘.实用防腐蚀工程施工手册 [M]北京：化学工业出版社，2000。
唐伦科.自然暴露试验与加速腐蚀试验的相关性及防护设计研究[D]重庆：重庆大学硕士论文，2006.
林翠，王凤平，李晓刚.大气腐蚀研究方法进展[J]中国腐蚀与防护学报，2004,24（4）：249-256。
Lyon S B,Thompson GE,Johnson J B,et al. Accelerated atmospheric corrosion testing using a cyclic wet/dry exposure test:aluminium,galvanized steel[J].Corrosion,1987,43(12):719-726
Li J,Li M,Sun Z.Development of an artificial climatic complex accelerated corrosion tester and investigation of complex accelerated corrosiontest methods[J]. Corrosion,199,55(5):498-502