高强度钢在腐蚀环境下的力学性能退化

2025-12-17

随着结构与机械工程向高性能和轻量化方向发展，高强钢（High Strength Steel，HSS）在工程应用中的地位日益突出。相比常规钢材，高强钢在保证承载能力的同时显著减少用钢量，有利于结构减重并降低施工与运输成本。用在桥上能减少30%-40%的钢材用量，大为减轻材料自重和改善桥梁受力状态，应用高强钢既能大量节省钢材又方便运输施工，因此，高强钢已经广泛应用到桥梁、海工结构、油气管线、紧固件、汽车、航空航天等行业当中，但是高强钢自身几乎不可避免的会处在腐蚀环境当中，腐蚀会导致高强钢材料损伤失效，使结构承载能力逐步退化，延性和韧性明显降低，同时增加氢脆与应力腐蚀开裂（SCC）发生的风险。因此，在文章引言部分列举典型事故（如桥塌、飞机破损、跨海大桥倒塌），说明腐蚀破坏高强钢的影响巨大，腐蚀使力学性能退化，从而成为高强钢力学性能 -腐蚀力学行为多场耦合失效的重要原因。

钢铁在含氧和水的环境中，会发生如下反应：4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃

随后脱水形成我们熟悉的铁锈 Fe₂O₃·H₂O。最初生成的氧化膜可能具有一定保护性，但随着时间推移，会逐渐演变为点蚀、裂纹和局部破坏，如图1所示。

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图1. 钢在腐蚀过程中的典型视图

一、高强钢腐蚀行为的关键影响因素分析

1. 制造工艺的影响

如直接淬火、淬火-回火、冷拔、TMCP（热机械控制过程），这些方法改变钢微观结构，导致强度/硬度增加，但易开裂和延展性降低，主要因位错密度变化，而高位错密度增加腐蚀敏感性。

2. 合金元素的影响

Ni、Cr、Mo：总体上提升耐蚀性（形成稳定钝化膜或致密锈层）。 Nb、Sb：在部分钢种中兼具改善塑性和提升耐蚀性的效果。 Mn：在多数酸性和中性介质中对耐蚀性表现不利。 C：通过改变显微组织形态影响腐蚀行为。

3. 腐蚀环境因素

（1）介质与PH

不同PH值对应的工程环境： pH 0 ～ -0.5：油气井环境 pH 2.5：酸雨 pH 5：富含有机质或土壤环境 pH 7.5-8.5：海洋环境 pH 12.5-13：混凝土孔隙溶液

（2）温度效应

随着温度升高，SCC倾向增加，从而抗拉强度下降。温度影响高强度钢腐蚀的关键机制可能是化学反应加速、电化学活性增加、介质化学变化和热应力。当温度从 60 °C 升高到 150 °C 时，高强钢在某些腐蚀介质中的强度和延性显著下降，但这种关系并非线性。

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图2. 温度对不同溶液中应力-应变曲线的影响，在 (a) 60 °C、(b) 100 °C 和 (c) 150 °C

（3）氢的影响

第三类高强钢腐蚀问题成因是氢脆，主要是指氢通过腐蚀反应进入钢内造成钢材脆化，氢脆会导致钢材失稳、开裂，其中HE最容易导致钢材开裂，因为裂纹附近会有短路电池，极易发生氢脆，除此之外还有可能使用EPT等方法降低钢受氢的影响。

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（4）锈层与溶解氧

锈层并非“越厚越好”。在不同环境中，锈层可能是保护层，也可能是促进局部酸化和氯离子富集的“隐患层”。

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二、加载条件与腐蚀的耦合效应

钢结构在服役期间，腐蚀与外载同时存在，它们会对HSS的力学性能产生影响，并非两者的相互叠加，而是一个耦合作用的过程。试验发现，HSS在预加载及循环加载条件下，都将会增加HSS的腐蚀敏感性，并加快点蚀的发展，促使疲劳裂纹的萌生。腐蚀坑与缺口作为疲劳裂纹的起源地，其大小、数量及加载形式均会影响疲劳寿命；相比压缩状态，张力环境下更易破坏钝化膜、加速裂纹扩展；HSS在慢速加载中更容易产生应力腐蚀开裂（SCC），且当应变速度较低时，腐蚀及SCC更易发生。

三、防护手段与工程挑战

注：HSS钢腐蚀试验案例