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大氣腐蝕是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中最普遍的腐蝕行為，也是造成經(jīng)濟損失最為嚴重的腐蝕形式之一，其本質(zhì)是大氣環(huán)境在金屬表面發(fā)生干濕交替作用而導(dǎo)致銹蝕。作為腐蝕產(chǎn)物的銹層在金屬表面的沉積將顯著地影響大氣腐蝕的后續(xù)進程，甚至對其腐蝕熱力學(xué)和動力學(xué)起到?jīng)Q定性的作用。耐候鋼便是通過調(diào)控鋼中的合金元素和相組織來改善銹層組分從而抑制大氣腐蝕的低合金鋼。長期以來，人們對耐候鋼銹層由內(nèi)到外的時空分布、致密性及離子選擇性等耐候機制尚不十分明確，對銹層內(nèi)在演化規(guī)律的認識也較為淺顯，這嚴重地限制了耐候鋼的設(shè)計與開發(fā)。  

近期，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部董俊華研究員帶領(lǐng)團隊在耐候鋼銹層組分時空分布演化規(guī)律方面取得了創(chuàng)新性研究進展。團隊首次通過同步輻射XRD、原位微區(qū)拉曼光譜、電子探針和電化學(xué)測試等研究手段準確地表征出碳鋼和耐候鋼表面銹層組分的初期分布及演化規(guī)律。研究結(jié)果表明：Q235B的銹層為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為α-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4的混合銹層，外層為圖片-FeOOH。β-FeOOH的還原是低碳鋼腐蝕加速的原因。MnCuP耐候鋼的內(nèi)銹層主要為穩(wěn)定的α-FeOOH，在內(nèi)銹層與鋼基體之間存在由α-FeOOH和Fe3O4組成的納米膜。MnCuP耐候鋼的次外層由圖片-Fe2O3與α-FeOOH組成，最外層為γ-FeOOH。此項研究還發(fā)現(xiàn)元素Cu的添加促進了MnCu鋼銹層中α-FeOOH組分的生成，減少了靠近基體處銹層中β-FeOOH組分的生成。同時，Cu的摻雜使Fe3O4具有離子選擇性，可阻擋外部腐蝕性介質(zhì)向鋼的基體輸運。元素P能進一步促進銹層中α-FeOOH的生成，并更為明顯地抑制β-FeOOH及Fe3O4在內(nèi)銹層中的存在。另外Cu、P的添加不僅提高了MnCuP鋼基體的腐蝕電位，而且使帶銹電極的腐蝕電位在腐蝕前期迅速正移，顯著地抑制了陰、陽極過程，從而降低了腐蝕速率。該部分工作為構(gòu)建耐候鋼設(shè)計理論體系及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)工作分別發(fā)表在J. Mater. Sci. Technol., 76 (2021) 41-50和Corros. Sci., 193 (2021) 109912上。 

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、遼寧省科技重大專項計劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項目等項目的資助。 

圖1. MnCuP耐候鋼、MnCu耐候鋼與16Mn鋼在大氣腐蝕初期的腐蝕速率演變規(guī)律

圖2. Q235鋼在模擬海岸大氣環(huán)境下60CCT后的銹層截面拉曼光譜及銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖，(a) 拉曼光譜作用位置，(b) 銹層截面的拉曼光譜，（c）銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. MnCuP耐候鋼在模擬海岸工業(yè)大氣環(huán)境下10CCT后的銹層截面拉曼光譜及銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖，(a) 拉曼光譜作用位置，(b) 銹層截面的拉曼光譜，（c）銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖