臨界點腐蝕溫度測試：評估材料耐點蝕性能的關鍵指標

引言
在苛刻的腐蝕性環境中，特別是含有氯離子的介質中，點蝕是導致不銹鋼、鎳基合金等鈍化材料失效的主要形式之一。材料的耐點蝕能力是其服役安全性和壽命的關鍵決定因素。臨界點腐蝕溫度（Critical Pitting Temperature, CPT）作為一項重要的材料性能參數，為工程師和研究人員提供了一種量化評估材料在特定環境下抵抗點蝕萌生能力的可靠方法。CPT測試旨在確定在給定條件下，材料表面發生穩定點蝕的最低溫度臨界點。

一、 臨界點腐蝕溫度（CPT）的物理意義
臨界點腐蝕溫度（CPT）是指，在特定的腐蝕介質（通常含有氧化劑如FeCl?或電化學極化條件下）中，材料表面從維持鈍化狀態（不發生點蝕）轉變為發生穩定點蝕（點蝕萌生并持續擴展）的最低溫度閾值。低于CPT時，材料在該介質中能長時間保持鈍化，點蝕難以萌生或萌生后迅速再鈍化；高于CPT時，點蝕將不可避免地發生并持續發展。因此，CPT值越高，表明材料在該環境中的耐點蝕性能越好。

二、 CPT測試的主要標準方法
目前國際上廣泛采用的CPT測試標準主要有兩種類型：

1. 化學浸泡法（如ASTM G48 方法C、E、F）

   • 原理： 將試樣暴露于含有強氧化劑（通常是6%或10% FeCl?溶液）的酸性氯化物環境中。通過控制環境溫度，觀察點蝕的發生。
   • 方法C（點蝕 CPT）： 將多個試樣分別置于不同溫度的FeCl?溶液中浸泡規定時間（如72小時），結束后通過金相顯微鏡觀察（通常放大20-30倍）每個試樣表面是否出現點蝕。CPT定義為在至少兩個平行試樣上都未觀察到點蝕的最高溫度加1°C（或下一個溫度間隔）。這是最經典的方法。
   • 方法E（動電位 CPT）： 在電化學池中進行，對試樣施加恒定的陽極電位（通常高于點蝕電位），然后以恒定速率（如1°C/min）升高溶液溫度。監測電流密度的變化，當電流密度急劇且持續增加（通常設定一個閾值，如100 µA/cm²）時對應的溫度即為CPT。
   • 方法F（恒電位 CPT）： 將試樣在選定溫度下浸入FeCl?溶液，并施加一個恒定的陽極電位。記錄電流密度隨時間的變化。如果在規定時間內（如72小時）電流密度保持穩定在低值（<100 µA/cm²），則認為該溫度下無點蝕發生。通過在不同溫度下重復此過程來確定CPT。

2. 電化學動電位法（如ASTM G150）

   • 原理： 在恒溫條件下進行循環動電位極化掃描或恒電位階躍測試，通過分析極化曲線特征（如點蝕電位Eb、保護電位Ep）隨溫度的變化來確定CPT。
   • 確定CPT： 在選定的溫度下進行動電位極化測試（如從低于開路電位開始向陽極方向掃描）。點蝕電位Eb會隨著溫度升高而降低。當溫度升高到某一臨界值時，Eb會急劇下降或變得難以測量（與開路電位接近甚至重合）。此溫度即為CPT。標準ASTM G150詳細規定了使用恒電位階躍技術測定CPT的具體步驟。

三、 CPT測試的關鍵步驟與操作要點

1. 試樣制備：

   • 試樣尺寸和形狀需符合標準要求（如ASTM G48通常使用矩形薄片）。
   • 表面處理至關重要：需進行精磨（如至600#砂紙）、拋光（推薦至1µm金剛石拋光膏）以去除加工變質層，獲得均勻一致的表面狀態。清洗（去離子水、丙酮、乙醇）并干燥。
   • 非工作表面需用合適的惰性涂層（如環氧樹脂）絕緣封裝，僅暴露規定的工作面積。

2. 測試溶液配制：

   • 嚴格按標準要求配制溶液（如6% FeCl?·6H?O溶于去離子水，或特定濃度的NaCl溶液用于電化學測試）。需注意試劑純度和水質（通常要求ASTM D1193 Type IV或更高）。
   • 溶液體積需保證與試樣面積的比例（如ASTM G48要求≥20ml/cm²）。

3. 實驗裝置：

   • 浸泡法： 使用耐蝕容器（如聚四氟乙烯或玻璃），配備精密控溫裝置（水浴或油浴），溫度波動需控制在±0.5°C或更小范圍。需有攪拌裝置（如磁力攪拌器）保證溶液均勻性。
   • 電化學法： 標準三電極電化學池（工作電極-試樣，參比電極-飽和甘汞電極SCE或Ag/AgCl電極，輔助電極-鉑金片或網），恒電位儀/恒電流儀，控溫系統（水浴套或加熱棒），數據采集系統。

4. 溫度控制與程序：

   • 溫度是CPT測試的核心變量。必須精確控制和測量溶液溫度（使用經校準的溫度計或熱電偶，探頭位置靠近試樣）。
   • 在浸泡法（方法C）中，通常設置一系列間隔為2.5°C或5°C的溫度點進行平行測試。
   • 在動電位升溫法（方法E）中，需嚴格控制升溫速率（如1°C/min ± 0.2°C/min）。

5. 測試過程與觀察：

   • 浸泡法： 試樣在規定溫度下浸泡規定時間后取出，徹底清洗（有時需用軟橡皮擦除腐蝕產物），在顯微鏡下檢查工作表面。記錄每個試樣在特定溫度下是否有點蝕出現（通常定義為深度大于25µm的孔）。
   • 電化學法： 實時監測電流（或電流密度）。在動電位升溫法中，記錄電流密度突躍點對應的溫度。在恒電位法（方法F）中，監測電流是否超過閾值。

6. CPT判定：

   • 方法C： 未觀察到點蝕的最高溫度加1°C（或下一個溫度間隔）。
   • 方法E： 電流密度達到預設閾值（如100 µA/cm²）時的溫度。
   • 方法F： 在恒電位下電流密度保持低于閾值（<100 µA/cm²）達規定時間的最高溫度。
   • ASTM G150： 通過分析恒電位階躍下的電流響應特征（如出現持續增加的電流或不能穩定在低電流平臺）來確定CPT。

四、 測試報告內容
一份完整的CPT測試報告應清晰包含以下信息：

• 測試所依據的標準（如ASTM G48 Method C, ASTM G150）。
• 被測材料的詳細描述（牌號、狀態、化學成分-如已知）。
• 試樣制備細節（尺寸、工作面積、表面處理方法）。
• 測試環境（溶液成分、濃度、pH值、體積）。
• 測試參數（溫度范圍、間隔、升溫速率、測試時間、施加電位-如適用）。
• 判定CPT的具體方法及標準。
• 測得的臨界點蝕溫度（CPT）值（單位：°C）。
• 觀察到的現象（如點蝕形態、位置）。
• 任何偏離標準程序的說明。

五、 CPT測試的應用價值

• 材料篩選與比較： 快速、定量地比較不同合金或不同熱處理狀態材料的耐點蝕性能優劣。
• 服役性能評估： 幫助預測材料在特定含氯離子環境（如海水、化工介質）中的適用溫度上限。
• 質量控制和驗收： 作為材料采購或制造過程中的一項關鍵質量指標。
• 合金開發與優化： 指導新合金成分設計和工藝改進，以提高耐點蝕性能。
• 設備選材與設計： 為在腐蝕性環境中工作的設備（如熱交換器、反應釜、海洋平臺結構）提供選材依據和安全裕度評估。

臨界點腐蝕溫度（CPT）測試是評價金屬材料，尤其是不銹鋼和鎳基合金，在含氯離子環境中耐點蝕能力的核心實驗方法。通過遵循標準化的測試程序（如ASTM G48或G150），可以獲得可重復、可比較的CPT數據。理解CPT的物理意義、掌握不同測試方法的特點與操作要點、確保實驗的嚴謹性，對于準確獲取這一關鍵性能參數并有效指導工程實踐具有重要意義。CPT值作為材料抵抗局部腐蝕能力的重要標尺，在材料研發、選型設計及安全評估中發揮著不可或缺的作用。