掃描電子顯微鏡在金屬腐蝕與防護研究中的應用實例

掃描電子顯微鏡（SEM）廣泛應用于材料、醫學、地質、生物、考古、石油、刑偵、造紙、紡織等研究領域。由于操作方便，制樣簡單，景深大，成像富有立體感，SEM已成為表面分析的一種重要手段，并可配備能譜儀（EDS）、波譜儀（WDS）、背散射電子衍射儀（EBSD）等設備，甚至可以通過升級改造，實現與其它儀器設備（如激光拉曼光譜儀）的聯用，以得到更多的信息，使測試內容更加多樣化。

現列舉實例闡述我所應用掃描電鏡進行金屬材料腐蝕與防護研究方面的情況。

金屬腐蝕研究

按照美國材料學會（ASM）的定義，腐蝕分為五大類：均勻腐蝕，局部腐蝕，冶金質量引起的腐蝕，環境引起的開裂，微生物引起的腐蝕等。實際的金屬腐蝕行為比較復雜，往往是兩種以上腐蝕綜合作用的結果。通過SEM可以觀察腐蝕形貌，分析腐蝕機理，評價材料性能。

1. 微生物腐蝕

以硫酸鹽還原菌（SRB）對A3鋼和高錳鋁青銅的腐蝕為例。取回腐蝕后的樣品，為了觀察盡量真實的菌群形貌，將其中一個樣品用戊二醛固定。其它試樣用蒸餾水沖洗、干燥后直接放入電鏡樣品室。腐蝕形貌見圖1。

從圖1可以看出，A3鋼和鋁青銅的腐蝕產物形貌不同，但很明顯，二者都發生了嚴重的點蝕。從圖1a可以看出SRB呈紡錘形，長約3μｍ，密集地分布在腐蝕產物周圍。圖1b顯示A3鋼表面覆蓋了一層致密的產物，其間分布著一個個突起的吸盤狀腐蝕產物。高錳鋁青銅表面的腐蝕產物比較疏松。圖1c右側產物脫落，露出直徑約35μｍ的點蝕坑。圖1d局部表現出腐蝕癤瘤，并且癤瘤互相有連接。這4張圖片是鋁青銅和A3鋼在SRB中典型的腐蝕形貌，說明SRB對于這兩種金屬的腐蝕形態主要表現為點蝕。

2. 斷口觀察

SEM景深大的特點對于斷口觀察非常有利，圖2是高強度鋼柱在海水中長期服役發生的應力腐蝕斷裂的形貌。

圖2a是斷口的宏觀形貌，表面很不平整，但整張圖片很清晰，沒有因高度不一而產生圖像發虛、無法聚焦的地方。圖2b是斷口處的橫切面，可以看出，腐蝕裂紋正向鋼柱縱深處延伸，海水正繼續往金屬內部滲透。圖2c是斷口的中心處，表現出韌窩韌性斷裂的特點。圖2d表現為沿晶脆性斷裂，表面有微孔，晶粒間有裂縫，說明發生了氫脆腐蝕。

3. 沖刷腐蝕

金屬表面與流體（含多組元流體）的相互機械作用，或是受液體或固體沖擊的機械作用和化學作用所引起的表面材料損傷和損失，稱為沖刷腐蝕或沖蝕。我們研究的主要是艦船用金屬材料的沖刷腐蝕情況。圖3是四種金屬在海水介質中的沖刷腐蝕形貌。

圖3a是黃銅的腐蝕形貌，表面能看出鋅的脫成分腐蝕，并且顯現出晶粒，出現沿晶腐蝕的特點。圖3b局部有馬蹄狀形貌，還有迎水側邊損耗的現象，水流的流向應是從左上角往右下角。圖3c水流的方向從左往右非常明顯，表現出流線狀條紋。圖3d是B30的沖刷腐蝕表面，腐蝕出現向不同方向發展的臺階。

金屬涂鍍層性能研究

1.鈦基金屬氧化物涂層

在鈦基體表面加一層氧化物涂層作為陽極，用于電解海水防污，它的使用性能和壽命是重要的考察指標，借助SEM可以研究其表面形貌與性能的關系。圖４是某鈦基貴金屬氧化物涂層的形貌。

從圖4a能看到涂層表面布滿龜裂紋，放大后在邊緣發現一些微小的顆粒狀析出物，見圖4b，這些析出物密集分布在裂紋邊緣上。試驗證明，偏析物的存在能增加電極與溶液的接觸面積，從而得到高的電流效率。

2、鋅鋁涂層

在海洋環境中，船舶的內艙和舷外結構、平臺和港工設施的潮差飛濺及大氣段均存在著嚴重的腐蝕問題。這些部位采用常規的涂層和陰極保護技術無法滿足其長效防護的要求，噴涂金屬防護涂層技術是目前國際上解決海洋環境長效防護問題的重要手段。掃描電鏡可以對其涂覆情況、防腐性能及使用壽命進行評價。圖5是鹽霧試驗前后鋅鋁涂層的形貌。