嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀对Q235碳钢力学性能的影响

雷冠雄， 田欣利， 薛春芳， 刘文彦， 姜成英

(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；3. 北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室， 北京 100088； 4. 中科院微生物研究所生物工程国家重点实验室， 北京 100080)

嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀对Q235碳钢力学性能的影响

雷冠雄1， 田欣利2， 薛春芳1， 刘文彦3， 姜成英4

(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；3. 北京有色金属研究总院生物冶金国家工程实验室， 北京 100088； 4. 中科院微生物研究所生物工程国家重点实验室， 北京 100080)

摘要：为了揭示嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀对Q235碳钢的腐蚀程度和影响规律，以实现有效的生物去除加工，利用电子扫描电镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)、电子万能拉伸试验机和冲击试验机等分析仪器，采用试验研究和理论分析的方法，对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀作用下的Q235碳钢的抗拉强度、冲击韧性、微观组织等进行了测试和分析。研究表明：嗜酸氧化亚铁硫杆菌对Q235碳钢具有高效吞噬腐蚀作用，在30 d腐蚀周期内其试样尺寸和抗拉强度明显下降；嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀，主要是其引起材料横截面面积减小，导致材料有效承载能力降低，但并不会使材料的延伸率和冲击功降低；嗜酸氧化亚铁硫杆菌没有使Q235碳钢发生韧脆转变，可利用嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌种实现对Q235碳钢有效的生物去除加工。

关键词：Q235碳钢; 嗜酸氧化亚铁硫杆菌; 腐蚀； 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)，几乎所有的常用材料都会产生由微生物引起的腐蚀。MIC会大大降低材料和设备的使用性能和使用寿命，造成巨大的经济损失和严重事故[1]。日本的三重大学和冈山大学在1993年率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究，并初步证实了微生物去除加工金属的可能性[2]。20世纪90年代末期，国内也有少数几家单位开始跟踪研究，其中北京航空航天大学与中科院微生物研究所合作，利用细菌群体代谢过程生物去除加工了微小金属零件[3]。

基于微生物菌群吞噬腐蚀金属的生物加工已成为近年来受到广泛关注的一种新型加工方法。目前，国内外对微生物腐蚀的作用及机理虽然已有一定研究[4-6]，但基于微生物腐蚀的生物加工由于试验周期长且研究难度大，对利用微生物实现材料去除加工的机理等还缺少系统深入的认识，因此开展生物加工的基础研究具有理论和实际意义。笔者采用一种高效腐蚀Q235碳钢的嗜酸氧化亚铁硫杆菌进行腐蚀试验，应用电子扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)、电子万能拉伸试验机和冲击试验机分别对腐蚀试件的组织特征和力学性能进行研究和测试，并从力学性能方面揭示嗜酸氧化亚铁硫杆菌对Q235碳钢的腐蚀程度和影响规律，以期为生物去除加工奠定基础。

1试验材料和方法

1.1试验材料

试验所用的材料为Q235碳钢，其化学成分为：ω(C)≤0.22%，ω(Mn)≤1.4%，ω(Si)≤0.35%，ω(S)≤0.050%，ω(P)≤0.045%。试样制备成标准5倍圆柱状拉伸试样和“V”型缺口冲击试样。

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培养而得到。

1.2试验方法

利用分子生物学方法定量跟踪嗜酸氧化亚铁硫杆菌富集驯化过程，定期测定微生物量、检测pH值变化情况，并依此依次驯化6次(每次周期10 d)。利用16SrDNA基因文库技术分析微生物种群结构。

将标准5倍圆柱状拉伸试样和“V”型缺口冲击试样放置在塑料桶中配制8 L嗜酸氧化亚铁硫杆菌液中，试验温度为35 ℃。按照每24 h取出一个平行试样的方式连续腐蚀30 d。

为确定嗜酸氧化亚铁硫杆菌对材料拉伸力学性能的影响，用蒸馏水清洗去除试样表面腐蚀产物，按GB/T228—2002在电子万能试验机上进行拉伸试验；用WDW-100微机控制电子万能试验机，其最大试验力为100 kN，试验力精度为0.5%。

为确定嗜酸氧化亚铁硫杆菌对材料冲击性能的影响，用蒸馏水清洗去除试样表面附着的腐蚀产物后，按GB/T3808—2002进行冲击试验，其冲击速度为5.24 m/s。

采用切割机分别切割经拉伸试验和冲击试验得到的试样，获得完整断口，采用超声波清洗仪清洗，采用SEM对2种断口的微观形貌进行分析，以确定Q235碳钢在经微生物菌群腐蚀后的断裂方式和断裂机理。

式中：为是每个农村居民点斑块质心与其最邻近斑块质心的观测平均距离；为随机分布模下斑块质心的期望平均距离；n为斑块总数；d为距离；A为研究区面积；如果ANN<1，则农村居民点为集聚分布；反之，则趋向于随机分布。

2结果分析与讨论

2.1嗜酸氧化亚铁菌群筛选富集培养

嗜酸氧化亚铁菌群筛选富集驯化的技术路线如图1所示。

图1　嗜酸氧化亚铁菌群筛选富集驯化技术路线

试验结果表明：选用9K培养基，培养温度为35 ℃、初始pH值为1.8～2.0、接种量为5%时，对嗜酸氧化亚铁硫杆菌生长培养最为有利，经35 ℃通气培养3 d后，检测细菌浓度为105个/L。通过16SrRNA基因文库技术鉴定表明：该菌株为是一种硫杆菌属化能自养菌，属于革兰氏阴性细菌，好氧嗜酸，在低pH环境中利用亚铁氧化时放出的能量生长。鉴定并纯化后的菌种置于冰箱中冷藏保存，作为本试验的菌种。

利用扫描电镜观察嗜酸氧化亚铁硫杆菌的菌体形态如图2所示。可以看出：该菌株为短杆状，菌体大小为(0.4±0.2) μm×(1.6±0.4) μm。

图2　嗜酸氧化亚铁硫杆菌的菌体形态

2.2拉伸性能的影响

在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据[7]。根据拉伸试验σ-ε曲线，得到Q235碳钢在嗜酸氧化亚铁硫杆菌液中腐蚀时，强度极限σb随腐蚀时间t的变化曲线，如图3所示。通过对没有腐蚀的空白试件进行拉伸强度测试，得到空白试样的抗拉强度极限为443.86 MPa。

图3　Q235碳钢强度极限σb随腐蚀时间变化曲线

由图3可以看出：随着腐蚀时间的增加，σb下降明显，其中腐蚀8 d时σb=354.04 MPa，其下降幅度达到20.2%，20 d时σb=286.97 MPa，下降幅度达到35.4%，说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌能高效腐蚀Q235碳钢。

(1)

式中：L0为未腐蚀的空白试样原始标长，mm；Ln为实测腐蚀不同时间拉断后标长，mm。

根据式(1)计算试样δ，结果如表1所示。可以看出：Q235碳钢的塑性很好，腐蚀后试件的断后延伸率保持在45%左右，与未经腐蚀的空白试件相比，未见明显的变化，表明微生物腐蚀并没有使得Q235碳钢的塑性降低，材料未发生韧脆转变。

表1Q235碳钢断后延伸率δ随腐蚀时间的变化

腐蚀时间/d0510152025δ/%44.942.843.545.244.143.0

由于Q235碳钢在腐蚀之后仍保持和空白试件基本相同的断后延伸率，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强度极限σb的影响，本文中自定义真实强度极限σbt为

(2)

式中：Fmax试件承受的最大拉力，N；dt为实测每组试样工作段最小直径，mm。

不同腐蚀时间的拉伸试样宏观形貌如图4所示。可以看出：随着腐蚀时间的增加，拉伸试样直径明显减小，在腐蚀30 d时试样几乎全部被腐蚀，且腐蚀不均匀。用蒸馏水清洗去除试样表面腐蚀产物，通过测量腐蚀试样工作段的最小直径，得到Q235碳钢试样直径dt随腐蚀时间的变化曲线，如图5所示。可以看出：随着腐蚀时间的增加，试样直径明显减小,空白试样dt=10.0 mm，腐蚀10 d时dt=9.22 mm,20 d时dt=7.80 mm，29 d时dt=2.52 mm，说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌对Q235碳钢具有高效的腐蚀作用。

根据式(2)计算σbt，结果如图6所示。可以看出：每组试件的σbt基本保持不变，在400 MPa左右与未腐蚀的空白试件抗拉强度基本相同。这说明腐蚀后造成的试样直径减小，导致承受载荷的有效横截面面积减小是碳钢强度极限下降的主要原因。

2.3冲击性能的影响

不同腐蚀时间的“V”型缺口冲击试件宏观形貌如图7所示，可以看出：随着腐蚀时间的增加，冲击试样的外观尺寸明显减小，但腐蚀非常不均匀。

图4　不同腐蚀时间的拉伸试样宏观形貌

图5　Q235碳钢拉伸试样直径随腐蚀时间变化曲线

图6　不同腐蚀时间的真实强度极限σbt

图7　不同腐蚀时间的“V”型缺口冲击试件宏观形貌

由于腐蚀25 d之后冲击试样尺寸明显减小，无法进行冲击试验，且腐蚀27 d的冲击试样完全被吞噬腐蚀，因此试验只测试腐蚀1～24 d冲击试样的冲击吸收能量KV，结果如图8所示。可以看出：空白试件冲击吸收能量KV(0)=127.50 J，腐蚀24 d冲击吸收能量的最大值KV_max=133.11 J，最小值KV_min=122.94 J。腐蚀不同时间后试样的冲击功与未腐蚀的空白试件相比，虽然试样尺寸明显减小，但冲击吸收能量KV变化不大，说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀不会降低Q235碳钢的冲击性能。

图8　不同腐蚀时间的冲击吸收能量KV

图9　Q235碳钢拉伸断口形貌SEM照片

图10　Q235碳钢冲击断口形貌SEM照片

2.4SEM断口形貌观察

图9、10分别为Q235碳钢在不同腐蚀时间的拉伸试样和冲击试样断口形貌SEM照片。可以看出：冲击断口和拉伸试件的断口形貌相似，表面呈现出无金属光泽的纤维形貌，均为明显的塑性变形的纤维状断面；断口上都布满了韧窝，且韧窝较大、较深，无沿晶断裂特征，是典型的韧性断裂纤维区特征，而且也没有随腐蚀时间发生变化。进一步说明碳钢在受到微生物菌群腐蚀之后韧性没有降低，材料未发生韧脆转变。

3结论

通过对嗜酸氧化亚铁硫杆菌腐蚀Q235碳钢的研究,得出如下结论：在30 d的腐蚀周期内, Q235碳钢的抗拉强度以及试样尺寸明显下降，断后延伸率和冲击功基本不变，拉伸试样和冲击试样断口呈现典型的韧性断裂纤维区特征。这说明嗜酸氧化亚铁硫杆菌能高效吞噬腐蚀Q235碳钢，不会降低Q235碳钢的韧性，材料未发生韧脆转变。因此，可利用本试验采用的嗜酸氧化亚铁硫杆菌种实现对Q235碳钢有效的生物去除加工。

参考文献：

[1]吴进怡， 柴轲. 材料的生物腐蚀与防护[M]. 北京： 冶金工业出版社, 2012: 1-5.

[2]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: 生命科学)，1997， 27(5)： 410-414.

[3]李雅芹, 张德远, 吴依陶. 氧化亚铁硫杆菌对金属铜的加工[J]. 微生物学报, 2000, 40(3): 327-330.

[4]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.

[5]Starosvetsky J, Starosvetsky D, Armon R. Identification of Microbiologically Influenced Corrosion(MIC) in Industrial Equipment Failures[J]. Engineering Failure Analysis, 2007, 14(8): 1500-1504.

[6]杜娟， 李松梅， 刘建华， 等. 氧化硫硫杆菌和芽孢杆菌协同作用下Q235钢的腐蚀行为[J]. 北京航空航天大学学报, 2014, 40(1): 30-38.

[7]时海芳， 任霞. 材料力学性能[M]. 北京: 北京大学出版社, 2012: 34-35.

(责任编辑: 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

文章编号：1672-1497(2016)02-0084-05

收稿日期：2015-11-27

基金项目：军队科研计划项目

作者简介：雷冠雄(1994-)，男，硕士研究生。

中图分类号：TG172.7

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.017