SRB對AZ91鎂合金在兩種培養(yǎng)基中腐蝕行為的影響

方世杰，劉耀輝，喬 健，張 偉

（1洛陽理工學(xué)院 機電工程系，河南 洛陽471023；2吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 汽車材料教育部重點實驗室，長春130022；3中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春130033）

SRB對AZ91鎂合金在兩種培養(yǎng)基中腐蝕行為的影響

方世杰1，2，劉耀輝2，喬 健3，張 偉1

（1洛陽理工學(xué)院 機電工程系，河南 洛陽471023；2吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 汽車材料教育部重點實驗室，長春130022；3中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春130033）

AZ91鎂合金是目前工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的鎂合金材料，占鎂合金件總用量的90%左右［1］。與其他金屬材料相比，AZ91的耐腐蝕性能較差，需要經(jīng)過表面耐腐蝕處理后才能夠正常使用。即使這樣，零件表面的保護(hù)層也往往容易受到磕、碰、劃等機械損傷，使基體直接曝露于腐蝕環(huán)境中；同時在鎂合金件的實際使用過程中也發(fā)現(xiàn)，腐蝕主要發(fā)生在基體上，因此對于AZ91鎂合金基體的腐蝕研究具有重要意義。長期以來，金屬的微生物腐蝕主要集中于核能、發(fā)電、石油及海洋工業(yè)等領(lǐng)域，微生物腐蝕研究也僅限于碳鋼、不銹鋼、銅、鎳等金屬或合金上［2－4］。但隨著鎂合金在航空航天、汽車工業(yè)中的大量應(yīng)用，微生物對鎂合金的腐蝕影響已經(jīng)開始引起人們的關(guān)注［5］。在諸多微生物當(dāng)中，硫酸鹽還原菌（Sulfate－Reducing Bacteria，SRB）是目前被公認(rèn)的對金屬腐蝕危害最大，也是研究最為廣泛的微生物物種之一［6］。已有文獻(xiàn)研究表明，硫酸鹽還原菌能夠引起ZM－5鑄造鎂合金的腐蝕［5］。

本實驗以AZ91鎂合金為研究材料，以SRB單一菌種為實驗微生物，在兩種培養(yǎng)基溶液中，使用掛片浸泡法，并通過掃描電鏡、能譜分析及腐蝕失重等綜合手段研究了SRB對AZ91腐蝕行為的影響，并對其腐蝕機理進(jìn)行了探討。

1 實驗

1.1 菌種來源

實驗菌種為SRB，取自中科院金屬研究所。菌種經(jīng)多次分離、純化，并選擇生物活性較高的SRB純培養(yǎng)作為實驗菌種。

1.2 實驗材料

實驗材料為AZ91鎂合金。掛片尺寸20mm×15mm×2mm，使用200，400，600，800＃SiC水砂紙逐級打磨到800＃，實驗前將掛片放入潔凈工作臺中用紫外線滅菌20min。

1.3 培養(yǎng)基準(zhǔn)備、培養(yǎng)條件和實驗方法

實驗采用兩種成分的培養(yǎng)基溶液，溶液I：API培養(yǎng)基＋0.3g/L硫酸亞鐵銨＋0.1g/L維生素 C；溶液II：API培養(yǎng)基。API培養(yǎng)基為美國石油協(xié)會（A－merican Petroleum Institute，API）推薦的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基［7］，具 體 成 分 如 下：0.5g/L Na2SO4，1.0g/L NH4C1，0.1g/L CaCl2，0.5g/L K2HPO4·3H2O，2.0g/L MgSO4·7H2O，3.5g/L C3H5NaO3，1.0g/L酵母浸粉。溶液pH值均調(diào)節(jié)為7.20，（121±1）℃下蒸汽滅菌20min。含菌溶液的初始菌量濃度為6.50×103個/mL，將試樣放入溶液中，在（30±1）℃下連續(xù)浸泡14d。對比實驗使用無菌溶液，放入試樣，密封后與含菌溶液一起培養(yǎng)。為了表述方便，在溶液號后加“－0”表示無菌溶液，加“－1”表示含菌溶液，具體的溶液編號及成分如表1所示，表中的“＋”表示含有，“—”表示不含有。

表1 實驗溶液的成分Table 1 Composition of experimental solution

1.4 菌量和腐蝕速率測量

溶液菌量計數(shù)使用XB－K－25型血球計數(shù)板測量。腐蝕掛片總數(shù)為12片，分為4組，每組3片，腐蝕速率取3個掛片的平均值。腐蝕失重使用0.0001g電子天平，在1%AgNO3＋15%CrO3溶液中沸煮15min以去除腐蝕產(chǎn)物，清洗、干燥后，用失重法計算平均腐蝕速率，計算公式如下：

式中：v表示試樣平均腐蝕速率，mm/a；w為試樣起始質(zhì)量，g；w0為去除腐蝕產(chǎn)物后試樣質(zhì)量，g；t為實驗時間，h；A為試樣面積，m2；ρ為金屬密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

溶液I中的硫酸亞鐵銨和維生素C是API培養(yǎng)基中普遍采用的添加成分。前者提供的Fe2＋能與SRB的代謝物S2－反應(yīng)生成黑色的FeS，作為判斷細(xì)菌活性和 H2S生成的重要依據(jù)［8］。同時Fe2＋也是SRB細(xì)胞中多種酶的活性基成分，與維生素C一樣，均能夠刺激SRB的生長和繁殖。

2.1 平均腐蝕速率

AZ91在4種溶液中連續(xù)浸泡14d的平均腐蝕速率見表2。AZ91在溶液I中的腐蝕速率均高于溶液II，前者的腐蝕速率是后者的15～18倍；在含菌溶液中的腐蝕速率均低于相應(yīng)的無菌溶液；將腐蝕速率按從大到小排列：vI－0＞vI－1＞vII－0＞vII－1。這表明，AZ91在含菌溶液中的腐蝕敏感性均低于相應(yīng)的無菌溶液。由于維生素C促進(jìn)細(xì)菌生長，但不會直接腐蝕金屬；而硫酸亞鐵銨中少量的SO42－和NH4＋能為細(xì)菌生長提供少量營養(yǎng)，但不具有大幅提高合金腐蝕速率的作用，因此硫酸亞鐵銨中的Fe2＋是造成AZ91腐蝕速率大幅提高的原因。

表2 AZ91分別在4種溶液中連續(xù)浸泡14d后的平均腐蝕速率Table 2 Average corrosion rates of AZ91immersed in the four solutions for 14d，respectively

2.2 腐蝕形貌特征

浸泡14d后，4種掛片去除腐蝕產(chǎn)物后的表面形貌見圖1。試樣I－0表面形成大面積、網(wǎng)絡(luò)狀連續(xù)分布的潰瘍狀腐蝕；試樣I－1表面也形成較大面積的潰瘍狀腐蝕，但腐蝕區(qū)分布不連續(xù)；試樣II－0和II－1表面僅在局部區(qū)域出現(xiàn)點蝕坑，點蝕坑數(shù)量較少。

圖1 浸泡14d后，試樣I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）去除腐蝕產(chǎn)物后的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）viaremoval of corrosion products after 14dimmersion

2.3 腐蝕形貌特征

浸泡14d后，試樣I－1表面及溶液中均覆蓋黑色沉淀物；試樣II－1表面及溶液中只形成乳黃色沉積物，兩種含菌溶液均有刺鼻的H2S產(chǎn)生。無菌試樣I－0和II－0表面無黑色沉淀，溶液也無H2S氣體產(chǎn)生。

圖2 浸泡14d后，試樣I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）的表面腐蝕產(chǎn)物形貌Fig.2 Surface morphologies of corrosion products of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

圖2和圖3分別給出了4種試樣表面的腐蝕產(chǎn)物形貌及XRD分析。由XRD分析可知，無菌試樣I－0和II－0表面的腐蝕產(chǎn)物成分相同，由NH4MgPO4·6H2O，Al2O3，Al（OH）3，Al4Ca和 AlPO4構(gòu)成。從衍射峰強度判斷，NH4MgPO4·6H2O為主要腐蝕產(chǎn)物。其他腐蝕產(chǎn)物皆為含Al化合物，Al來自于金屬陽極的溶解，由于AZ91中的Al含量較低，且Al相對于Mg較耐腐蝕，因此所形成的含Al化合物的含量較低。掛片I－1和II－1只能檢測到微弱的NH4MgPO4·6H2O峰，表明腐蝕產(chǎn)物含量較少，其他腐蝕產(chǎn)物從XRD圖譜已不能識別，需要結(jié)合EDS進(jìn)行進(jìn)一步分析。4種試樣表面均形成NH4MgPO4·6H2O腐蝕產(chǎn)物膜，但是腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)和分布具有明顯差異。試樣I－0表面腐蝕產(chǎn)物為粗大的竹葉狀晶體，長度約為2～3mm，膜結(jié)構(gòu)疏松；試樣I－1的腐蝕產(chǎn)物為細(xì)小的針狀晶，長度約為0.5～1mm，數(shù)量較少；試樣II－0的腐蝕產(chǎn)物為短粗的柱狀晶，長度約為1mm，膜結(jié)構(gòu)疏松；試樣II－1表面腐蝕產(chǎn)物為細(xì)密的短針狀晶體，長度約為0.5mm，膜結(jié)構(gòu)致密。

圖3 浸泡14d后，試樣I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）的表面腐蝕產(chǎn)物XRD分析Fig.3 XRD analyses of corrosion products on sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）surface after 14dimmersion

2.4 腐蝕表面SEM形貌及EDS能譜分析

圖4和圖5分別給出了腐蝕14d后，4種試樣表面的微觀形貌和能譜分析。掛片I－0表面含有元素C，O，Mg，Al，P，Ca，F(xiàn)e和Zn，與 XRD分析結(jié)果對比，EDS進(jìn)一步檢測到了Fe和Zn。試樣I－1表面除了檢測到上述元素外，還檢測到S。試樣II－0表面含有元素C，O，Mg，Al，P，Ca，Cl和 K；試樣II－1表面沒有檢測到Cl，其他成分與試樣II－0相同。

Iverson［9］認(rèn)為，EDS同時檢測到Fe和S時，應(yīng)有FeS生成。目前關(guān)于SRB影響下的低碳鋼腐蝕理論之一，就是FeS作為大陰極與鋼構(gòu)成電偶腐蝕，促進(jìn)碳鋼的溶解［8］。從合金在海水中的電偶序可知，鎂合金的非平衡電位約為－1.20V，碳鋼約為－0.40V，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，表明鎂合金的電偶腐蝕傾向大于碳鋼。因此掛片I－1上的FeS沉積物會與鎂合金構(gòu)成電偶腐蝕，F(xiàn)eS作為陰極促進(jìn)了陽極的溶解。

掛片I－0表面檢測到Fe和Zn，但是目前Fe和Zn在無菌溶液中以何種形式存在，如何對基體腐蝕產(chǎn)生作用尚不清楚，還有待于進(jìn)一步的研究。

圖4 浸泡14d后，試樣I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）表面的SEM 形貌Fig.4 SEM micrographs of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

試樣II－0表面檢測到Cl，表明有Cl－的吸附和聚集。Cl－半徑極小，有強穿透性和高的活性，是強侵蝕性離子。Cl－對鎂合金的腐蝕作用有兩個方面：一是Cl－在保護(hù)膜的缺陷中聚集，使膜溶解從而引起基體的點蝕；另一方面Cl－可以直接參與陽極的溶解過程，它在參與陽極溶解的過程中有如下規(guī)律［10］：

圖5 浸泡14d后，試樣I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）表面的 EDS能譜分析Fig.5 EDS analyses of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

式中：ia為陽極電流密度；k為波爾茲曼常數(shù)；［Cl－］為氯離子濃度；β為陽極反應(yīng)的傳遞系數(shù)；n為反應(yīng)電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度；ηa為陽極的超電勢。Cl－對陽極溶解具有活化作用，隨Cl－濃度增加，陽極溶解電流密度增加。但是Mitrovic－Scepanovic［11］的研究表明，當(dāng) Cl－濃度達(dá)到0.002～0.02mol/L時才能使鎂合金活化，引發(fā)點蝕。本實驗的Cl－離子的濃度約為0.0121mol/L，在此臨界濃度范圍中，因此Cl－能夠誘發(fā)掛片II－0的點蝕。

試樣II－1表面沒有檢測到Cl－，由于SRB會吸收部分Cl－來調(diào)節(jié)細(xì)胞中水的滲透壓，以維持細(xì)菌正常的代謝，因此降低了Cl－的濃度，影響了Cl－向金屬表面的富集。但是溶液中含有H2S，Garner等人［12］認(rèn)為SRB產(chǎn)生的H2S是點蝕活化劑，促進(jìn)金屬點蝕。密閉容器中，SRB產(chǎn)生的 H2S有1/3以氫硫酸，2/3以HS－形式存在，溶液中的H2S在空氣/水界面處保持動態(tài)平衡［13］。Salvareza等人［14］的研究表明硫化物加入到含Cl－溶液中，碳鋼的耐蝕性下降，硫化物對金屬的活化由HS－引起。從耐腐蝕性上講，AZ91遠(yuǎn)低于碳鋼，因此試樣II－1的點蝕是由HS－的活化作用或由HS－與Cl－的共同作用引起的。

由SEM形貌可知，試樣I－1和II－1表面出現(xiàn)典型的桿狀SRB細(xì)胞，表明SRB可以在AZ91表面附著并形成生物膜，生物膜由SRB細(xì)胞、胞外高聚物和腐蝕產(chǎn)物組成。試樣I－1生物膜中的細(xì)菌數(shù)量較多，分布較密；試樣II－1膜中細(xì)菌數(shù)量明顯較少，分布稀疏。這種差異來自于溶液成分的不同，由于溶液I－1中含有硫酸亞鐵銨和維生素C，兩者刺激了SRB的生長和繁殖。而溶液II－1中由于缺少這兩種成分，細(xì)菌生長、代謝相對遲緩，因此生物膜中細(xì)菌數(shù)量較少。結(jié)合腐蝕速率測量可知，生物膜的存在延緩了金屬的腐蝕。這是因為生物膜具有吸收或阻擋溶液中侵蝕性離子（Fe2＋和Cl－）向合金表面的擴散和吸附，因此延緩了基體的腐蝕。

2.5 菌量和溶液pH

表3給出了浸泡14d后，生物膜和溶液菌量、腐蝕前后溶液的pH值。試樣II－1生物膜及溶液菌量均大于試樣I－1的相應(yīng)菌量，然而SEM觀察卻顯示試樣II－1生物膜中的SRB細(xì)胞數(shù)量明顯高于試樣I－1。這是因為溶液I－1中含有的硫酸亞鐵銨和維生素C促進(jìn)了細(xì)菌的生長和繁殖，SRB在對數(shù)生長期大量繁殖，菌量的劇增大量消耗了溶液中的營養(yǎng)物質(zhì)，同時產(chǎn)生大量細(xì)菌代謝產(chǎn)物H2S；進(jìn)入生長衰退期后，有毒物質(zhì)H2S的不斷積累抑制了細(xì)菌的生長，同時由于營養(yǎng)匱乏使得生物膜中活菌數(shù)量大幅減少。而在溶液II－1中不含硫酸亞鐵銨和維生素C，細(xì)菌生長相對遲緩，處于生長對數(shù)期時細(xì)菌增長量也相對較小，所以營養(yǎng)消耗和H2S產(chǎn)量也較少，從而使得生物膜中活菌數(shù)量反而較多。由于SRB的大量繁殖加劇了溶液I－1中的N和P消耗，從而顯著抑制NH4MgPO4·6H2O的生成；而在溶液II－1中，由于N和P的供應(yīng)充足，同時生物膜中的細(xì)菌不斷消耗金屬表面的營養(yǎng)，使得NH4MgPO4·6H2O晶粒不容易長大，形成較為細(xì)小致密的腐蝕產(chǎn)物。

表3 浸泡14d后試樣表面生物膜和溶液中的菌量以及溶液的pH值Table 3 SRB cells number in biofilm and SRB medium，and pH values of solutions after 14dimmersion

pH值測量顯示，浸泡14d后4種溶液的pH值差別不大，在7.85～9.06之間，呈弱堿性。這表明金屬腐蝕程度的差異并不是由于溶液pH值的變化引起的。但不同介質(zhì)pH值改變的機理卻不同。無菌溶液pH值的升高來自于陰極區(qū)的析氫反應(yīng)，析氫反應(yīng)要消耗溶液中的H＋，從而使pH值增加。同為無菌溶液，溶液I－0的pH值要高于溶液II－0，盡管目前尚不知道無菌溶液中加入Fe2＋是如何加劇試樣I－0腐蝕的，但是這種陽極溶解速率的增加，會導(dǎo)致陰極析氫反應(yīng)速率增加，陰極反應(yīng)消耗的H＋更多，所以溶液的pH更大。含菌溶液的情況相對復(fù)雜，由于細(xì)菌的存在會產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)都有可能影響溶液的pH值。根據(jù)實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果可以推測含菌介質(zhì)pH升高的原因可能分為以下兩個過程：（1）在浸泡初期，細(xì)菌數(shù)量較少，金屬表面的陰極反應(yīng)仍以析氫反應(yīng)為主。（2）隨著SRB數(shù)量和活性的增加，細(xì)菌將SO42－還原成S2－，隨后S2－同溶液中的H＋結(jié)合生成H2S氣體釋放。H2S氣體的釋放使得溶液的pH值進(jìn)一步升高。將含菌溶液的pH值與相應(yīng)的無菌溶液相比較可知，前者的pH值均大于相應(yīng)的后者的pH值，原因很可能是H2S的釋放引起pH值的進(jìn)一步增大。溶液I－1的pH值大于溶液II－1，這是由于金屬表面產(chǎn)生了FeS沉淀，成為電偶腐蝕的陰極，促進(jìn)了鎂陽極的溶解并且加劇陰極的析氫反應(yīng)，使得溶液的pH值增大；同時Fe2＋能夠提高SRB細(xì)胞活性，使得細(xì)胞代謝物H2S產(chǎn)量增加，溶液中的H＋濃度進(jìn)一步下降，最終導(dǎo)致溶液I－1的pH值大于溶液II－1。

綜上所述，培養(yǎng)基中的Fe2＋，Cl－和 HS－等侵蝕性離子，是引起鎂合金腐蝕敏感性增加的主要原因。生物膜的形成會對基體產(chǎn)生雙重作用：一方面是SRB產(chǎn)生的HS－對基體的腐蝕作用；另一方面是生物膜對侵蝕性離子的吸收和阻擋作用，即對基體的保護(hù)作用。由于溶液的腐蝕性大于生物膜的腐蝕性，使得生物膜對基體的腐蝕作用被掩蓋，而對基體的保護(hù)作用顯現(xiàn)出來。在這些侵蝕性離子中，F(xiàn)e2＋的侵蝕作用最強，SRB的存在對溶液中的Fe2＋產(chǎn)生如下影響：（1）部分Fe2＋作為營養(yǎng)源被SRB細(xì)胞吸收利用；（2）Fe2＋與H2S反應(yīng)生成FeS沉淀沉積到瓶底；（3）生物膜胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance，EPS）中的陰極官能團能和Fe2＋結(jié)合生成絡(luò)合物，阻擋了Fe2＋向金屬表面的吸附，因此SRB的存在抑制了AZ91的腐蝕。

3 結(jié)論

（1）SRB可以在AZ91表面附著、生長并形成生物膜，生物膜的存在抑制了AZ91的腐蝕。

（2）AZ91在含硫酸亞鐵銨和抗壞血酸的API培養(yǎng)基中所形成的生物膜，SRB數(shù)量較多，分布均勻，腐蝕產(chǎn)物較少，膜結(jié)構(gòu)疏松，對基體的保護(hù)作用較弱；在API培養(yǎng)基中形成的生物膜，其SRB數(shù)量較少，細(xì)胞分布不均勻，但腐蝕產(chǎn)物較多且膜結(jié)構(gòu)致密，對基體具有較好的保護(hù)作用。

（3）溶液中硫酸亞鐵銨中的Fe2＋明顯促進(jìn)了SRB的新陳代謝，但是會在鎂合金表面形成FeS沉淀，顯著促進(jìn)AZ91的腐蝕。

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Influence of SRB on Corrosion Behaviour of AZ91Magnesium Alloy in Two Kinds of Culture Media

FANG Shi－jie1，2，LIU Yao－h(huán)ui2，QIAO Jian3，ZHANG Wei1
（1Department of Mechanical and Electrical Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China；2Key Laboratory of Automobile Materials of Ministry of Education，College of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；3Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

采用浸泡法、掃描電鏡（SEM）和X射線能譜儀（EDS）研究了硫酸鹽還原菌（SRB）在兩種培養(yǎng)基中，對AZ91鎂合金腐蝕行為的影響及其腐蝕機理。結(jié)果表明：在培養(yǎng)溫度為（30±1）℃的條件下，SRB可以在AZ91表面附著、生長并形成生物膜，生物膜的存在抑制了AZ91的腐蝕。AZ91在含硫酸亞鐵銨和維生素C的培養(yǎng)基中所形成的生物膜，其結(jié)構(gòu)疏松，對基體的保護(hù)作用較弱。同時硫酸亞鐵銨中的Fe2＋明顯促進(jìn)了SRB的新陳代謝，但是會在鎂合金表面形成FeS沉淀，顯著加速AZ91的腐蝕。

AZ91鎂合金；硫酸鹽還原菌；生物膜；腐蝕；培養(yǎng)基

Soaking method，SEM and EDS analyses were applied to evaluate the influence and mechanism of sulfate－reducing bacteria（SRB）for the corrosion of AZ91magnesium alloy in two kinds of culture media.The results show that，SRB can adhere and grow on the surface of AZ91，and then form a biofilm.The biofilm inhibits the corrosion of AZ91at（30±1）℃.The biofilm formed in the culture medium with（NH4）2Fe（SO4）·6H2O and C6H8O6is loose，and plays a weak protective role for the matrix.Furthermore，F(xiàn)e2＋ions in（NH4）2Fe（SO4）·6H2O improve the metabolism of SRB significantly，however，they can form the deposition of FeS，which accelerates the corrosion of AZ91.

AZ91magnesium alloy；SRB；biofilm；corrosion；culture medium

TB172.5

A

1001－4381（2011）09－0056－06

吉林省科技發(fā)展重點項目（20040315）；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2010B430019）

2010－01－20；

2011－07－08

方世杰（1973－），男，工學(xué)博士，副教授，主要從事金屬的腐蝕與防護(hù)研究，聯(lián)系地址：河南省洛陽市洛陽理工學(xué)院王城校區(qū)機電工程系（471023），E－mail：fangshijie8827@163.com