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在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)和氫能基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的背景下，管線(xiàn)鋼被廣泛應(yīng)用于油氣與氫能等新能源輸送工程。然而，在服役環(huán)境中，材料不僅長(zhǎng)期承受復(fù)雜的力學(xué)載荷，還同時(shí)受到環(huán)境介質(zhì)和微生物活動(dòng)的共同作用，其中尤以硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）誘發(fā)的微生物腐蝕問(wèn)題最為突出，已成為威脅管道安全運(yùn)行和服役壽命的關(guān)鍵影響因素之一。然而，長(zhǎng)期以來(lái)SRB代謝活動(dòng)引發(fā)的局部腐蝕、氫滲透以及力學(xué)性能退化之間如何相互耦合，其主導(dǎo)機(jī)理及隨服役條件演化的規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)而清晰的認(rèn)識(shí)。

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)，系統(tǒng)揭示了SRB誘發(fā)高強(qiáng)管線(xiàn)鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的微觀(guān)機(jī)理及其動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在腐蝕初期，SRB 通過(guò)代謝活動(dòng)顯著加速鋼表面的局部陽(yáng)極溶解，并促進(jìn)氫的產(chǎn)生與滲透，從而協(xié)同提高材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。隨著腐蝕過(guò)程的推進(jìn)，SRB代謝誘導(dǎo)在鋼表面形成富含F(xiàn)eS的生物腐蝕膜。研究進(jìn)一步揭示，該膜層在應(yīng)力腐蝕過(guò)程中呈現(xiàn)出“雙重作用”：一方面，膜下腐蝕性和代謝產(chǎn)物的聚集以及其孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)加劇局部腐蝕發(fā)展，為裂紋萌生提供應(yīng)力集中源；另一方面，在外加陰極保護(hù)條件下，該膜又憑借其特有的半導(dǎo)體特性顯著抑制氫在鋼中的吸附與擴(kuò)散。電化學(xué)氫滲透實(shí)驗(yàn)表明，隨著膜厚度增加，氫有效擴(kuò)散系數(shù)和表觀(guān)氫濃度大幅降低，氫滲透阻抗因子顯著提升。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，在陰極極化條件下，腐蝕產(chǎn)物膜能夠有效緩解氫脆，使應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂主導(dǎo)機(jī)制由氫脆向陽(yáng)極溶解主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。該研究系統(tǒng)揭示了SRB生理代謝在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)演變作用，厘清了微生物腐蝕、氫滲透與力學(xué)失效之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為科學(xué)評(píng)估管線(xiàn)鋼的長(zhǎng)期服役安全性提供了機(jī)理依據(jù)，也為微生物環(huán)境中高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)策略設(shè)計(jì)提供了重要理論支撐。

該項(xiàng)研究成果以 Micromechanisms of stress corrosion cracking induced by sulfate-reducing bacteria in a high-strength low-alloy steel 為題，發(fā)表于Acta Materialia(305, 2026, 121846)，金屬所2022級(jí)博士生閆孟弟為論文第一作者，韋博鑫副研究員以及新加坡南洋理工大學(xué)Upadrasta Ramamurty教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金C類(lèi)資助。

圖1. X80 鋼的微生物腐蝕行為：(a) 腐蝕速率；(b) 蝕坑深度的統(tǒng)計(jì)分析；(c) 最大點(diǎn)蝕坑的 SEM 形貌及對(duì)應(yīng)的三維表面輪廓。

圖2. 微生物腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋下 X80 鋼的氫滲透行為：(a) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極極化條件下的氫滲透電流密度–時(shí)間曲線(xiàn)；(b) 有效氫擴(kuò)散系數(shù)（Deff）；(c) 表觀(guān)氫濃度（Capp）。

圖3. 微生物腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋下 X80 鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性測(cè)試結(jié)果：(a, c) 無(wú)陰極保護(hù)（CP）條件下 X80 鋼的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)及 SCC 敏感性；(b, d) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極保護(hù)（CP）條件下 X80 鋼的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)及 SCC 敏感性。

圖4. 生物FeS膜在 SRB 環(huán)境中調(diào)控X80鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理示意圖。