氯化物腐蝕試驗：材料耐蝕性能的關鍵評估

一、引言：環境腐蝕的嚴峻挑戰

氯化物，普遍存在于海洋大氣、海水、除冰鹽、工業環境乃至人體汗液中，是引發金屬材料腐蝕失效的主要誘因之一。氯離子（Cl?）具有半徑小、穿透性強、活性高的特點，極易破壞金屬表面的鈍化膜，誘發局部腐蝕（如點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂），對工程結構和設備的安全性與壽命構成嚴重威脅。因此，氯化物腐蝕試驗成為評價材料在含氯環境中耐蝕性能、篩選防護涂層、優化工藝設計不可或缺的關鍵手段。

二、腐蝕之源：氯化物的破壞機理

• 鈍化膜破壞者： 氯離子能競爭吸附在金屬表面，置換氧原子，阻礙或破壞起保護作用的氧化膜（鈍化膜）的形成與穩定性。
• 局部腐蝕的導火索： 一旦鈍化膜局部被擊穿，氯離子會向裸露的金屬基體快速遷移富集，形成強酸性的微環境（閉塞電池效應），加速金屬溶解，導致點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕快速發展。
• 應力腐蝕開裂（SCC）的催化劑： 在拉應力和特定介質（常含Cl?）共同作用下，氯離子促進裂紋尖端陽極溶解，顯著增加奧氏體不銹鋼、鋁合金等高強度材料發生SCC的風險。
• 電化學腐蝕加速器： 作為強電解質，氯離子顯著提高介質的導電性，加速電化學腐蝕過程的陰陽極反應速率。

三、常用氯化物腐蝕試驗方法詳解

1. 鹽霧試驗 (Salt Spray Test - SST)：行業基準

   • 原理： 模擬海洋或含鹽大氣的腐蝕環境，將試樣暴露于持續的、受控的鹽霧環境中。
   • 主要類型：
     • 中性鹽霧試驗 (NSS - ASTM B117, ISO 9227)： 最常用標準。使用5±1% NaCl水溶液，pH中性（6.5-7.2），試驗溫度35±2℃，持續噴霧。主要評價金屬基材及無機涂層的耐蝕性。
     • 醋酸鹽霧試驗 (AASS - ASTM B368, ISO 9227)： 在NSS溶液中加入冰醋酸，將pH值調整至3.1-3.3。腐蝕性更強，加速效果明顯，主要用于評價裝飾性鍍層（如Cu-Ni-Cr）耐蝕性及類似污染工業環境下的材料性能。
     • 銅加速醋酸鹽霧試驗 (CASS - ASTM B368, ISO 9227)： 在AASS溶液中加入氯化銅(CuCl?·2H?O)。腐蝕性最強，加速效果顯著，專用于快速評價裝飾性鍍層（特別是鎳鉻鍍層）的孔隙率和耐蝕性。
   • 操作要點： 嚴格控制溶液濃度、pH值、箱內溫度、噴霧量、收集速率、試樣放置角度（通常15°-30°傾斜）。試驗持續時間根據評價需求設定（如24h, 48h, 96h, 240h, 480h, 1000h等）。
   • 優點： 操作相對簡單，標準化程度高，重現性較好，設備普及廣泛。
   • 局限性： 與實際大氣暴露的相關性有時較差（尤其對有機涂層），主要模擬濕潤期，缺乏干濕循環、紫外光照等復雜因素。

2. 氯化物溶液浸泡試驗

   • 原理： 將試樣完全或部分浸沒在規定濃度的氯化物溶液（如3.5% NaCl模擬海水、10% FeCl?用于點蝕評價）中，在特定溫度下保持一定時間。可進行靜態浸泡或動態（如攪拌、循環）試驗。
   • 典型應用：
     • 點蝕臨界溫度 (CPT) 測定： 使用6% FeCl?溶液（ASTM G48 方法A），逐步升高溫度，觀察試樣是否發生點蝕，確定材料不發生點蝕的最高溫度。
     • 點蝕/縫隙腐蝕敏感性評價 (ASTM G48)： 使用FeCl?溶液，在固定溫度下浸泡特定時間，通過失重或觀察蝕坑評估材料耐局部腐蝕能力。
     • 應力腐蝕開裂 (SCC) 試驗： 在含氯化物溶液（如沸騰MgCl?溶液 - ASTM G36）中對施加應力的試樣進行浸泡，評價其SCC敏感性。
   • 優點： 可靈活控制溶液成分、濃度、溫度、充氣狀態、流速等因素，針對性更強，常用于機理研究和對特定腐蝕類型的評價。
   • 局限性： 與實際大氣或海洋環境的模擬性不如鹽霧試驗直觀。

3. 循環腐蝕試驗 (CCT - Cyclic Corrosion Testing)：追求更真實的模擬

   • 原理： 認識到單一的鹽霧或恒濕條件與實際環境存在差異。CCT通過程序控制，循環模擬多種環境因素（如鹽霧、濕潤、干燥、冷凝、濕度控制、甚至光照階段）。
   • 典型循環： 例如：鹽霧 (噴霧) -> 濕潤 (高濕) -> 干燥 (低濕)。具體階段設置、時長、溫濕度參數根據目標應用環境（如汽車、海洋平臺）定制。常用標準如SAE J2334, GM 9540P, VDA 621-415, CCT-I/II (ISO 11997-1/-2) 等。
   • 優點： 引入了關鍵的干濕交替過程，更接近材料在實際服役中經歷的復雜環境（鹽沉積-潤濕-濃縮-干燥），對有機涂層、復合防護體系的評價相關性通常優于傳統鹽霧試驗。
   • 局限性： 設備更復雜昂貴，試驗周期可能更長，標準化程度相對低于傳統鹽霧試驗（不同標準間差異大）。

四、試驗結果評估與解讀

氯化物腐蝕試驗結果的評定需結合試驗目的、標準規范和試樣類型進行綜合判斷，常用方法包括：

• 外觀檢查： 肉眼或低倍放大鏡觀察腐蝕產物形態、顏色、分布（均勻腐蝕、點蝕、起泡、剝落、裂紋等）。記錄首現腐蝕時間、腐蝕面積百分比。拍照記錄是重要依據。
• 腐蝕等級評定：
  • 金屬基材/無機涂層： 常依據腐蝕面積率、腐蝕嚴重程度（如ASTM D610 對鋼基體銹蝕評級，ISO 10289 對金屬鍍層評級）。
  • 有機涂層： 評估起泡大小密度（ASTM D714）、劃痕處銹蝕蔓延寬度（ASTM D1654）、附著力損失等。
• 質量變化法 (失重/增重)： 適用于均勻腐蝕。試驗前后精確稱重試樣，計算單位面積的質量損失（腐蝕速率）。需徹底清除腐蝕產物（需謹慎操作避免損傷基體）。
• 局部腐蝕深度測量： 使用深度規或金相顯微鏡測量點蝕坑或裂紋深度。統計最大蝕坑深度、平均深度或10個最深蝕坑的平均值（ASTM G46）。
• 電化學方法： 在試驗前后或過程中，可輔以動電位極化（測點蝕電位Eb）、電化學阻抗譜（EIS - 評價涂層劣化過程）等技術，獲得腐蝕動力學信息。
• 力學性能變化： 對于SCC試驗，通過U型彎曲、C環、拉伸試樣等，在試驗后檢查是否開裂或測試剩余強度/延伸率。

五、與展望：提升試驗有效性的關鍵

氯化物腐蝕試驗是預測材料在含氯環境中服役表現的基石。選擇適當的試驗方法至關重要：

• 中性鹽霧 (NSS)： 作為基礎篩選和最廣泛接受的工業標準。
• 加速鹽霧 (AASS/CASS)： 用于快速評價或特定鍍層體系。
• 溶液浸泡： 用于特定腐蝕類型機理研究（點蝕、縫隙腐蝕、SCC）。
• 循環腐蝕試驗 (CCT)： 追求更高相關性的首選，尤其在汽車、重防腐涂層領域。

重要注意事項：

• 明確試驗目的： 是材料篩選、質量控制、工藝對比還是失效分析？目的決定方法和評判標準。
• 嚴格遵守標準： 確保試驗條件（溶液、溫度、噴霧量、試樣準備、放置、判定）符合所選標準規范，保證結果可比性和重現性。
• 相關性認知： 任何加速實驗室試驗都無法完全精確模擬復雜的實際服役環境。 試驗結果主要用于相對比較。CCT相較于傳統SST，通常能提供更好的相關性。
• 結果綜合解讀： 結合多種評定方法（外觀、重量、深度、電化學等），避免單一指標片面判斷。
• 試樣代表性和制備： 試樣狀態（成分、組織、表面處理）需代表實際產品，制備過程（清潔、邊緣保護）需規范。
• 環境控制： 試驗箱內各區域的溫濕度、鹽霧沉降均勻性必須嚴格監控校準。

持續改進試驗方法，發展更貼近實際復雜環境因子（如溫度、濕度、污染物、干濕循環、紫外輻射、機械應力協同作用）的綜合加速試驗方案，并探索基于大數據和人工智能的腐蝕預測模型，將是提升氯化物腐蝕試驗評價精度和效率的未來方向。