晶粒超细化诱导的锈层铬与硅多层共富集提升耐候钢耐腐蚀性

为何锈有时能保护钢材

钢桥、建筑和船舶持续受到空气、湿气与盐分的侵蚀，金属会被逐步消耗。一类称为耐候钢的特殊合金被设计成其产生的锈层会演变为保护性的表皮，而非破坏性的壳层。本研究探讨了把钢内部的晶粒做得非常细小，并加入适量的铬和硅，如何使在沿海等含盐环境中形成的锈层转变为更有效的防腐屏障。

从日用钢到自我保护的金属

普通低合金钢强度高、成本低，因此在桥梁、建筑、管线和船舶中广泛使用。但暴露在大气中，尤其是含盐环境时，会发生腐蚀并逐渐失去强度。耐候钢通过加入少量铬、镍、铜、磷和硅等元素来应对这一问题。这些成分促进形成致密、附着牢固的锈层，从而减缓进一步的腐蚀。然而，不是所有锈层的保护性都相同，各合金元素的作用——尤其是铬和硅——长期存在争议，有研究报告其有利效果，也有研究指出潜在缺点。

将晶粒做小以调控锈层

作者比较了同一种耐候钢的两种组织：一种晶粒较大，约25微米，类似常规钢；另一种经过处理，晶粒超细，仅约0.5微米。两种钢均含有铬和硅，并在实验室中接受反复潮湿-干燥的盐溶液处理，模拟海洋飞溅或喷雾。通过跟踪重量损失、电化学行为以及锈层的结构与化学成分，研究团队在数百小时内观察了锈层的形成与演化过程。

多层锈盾如何形成

在早期暴露阶段，超细晶粒钢的腐蚀速度实际上比粗晶钢略快。其大量晶界使表面更活泼，于是铁更易溶解，初始锈层快速堆积。然而随着时间推移，情况发生了显著变化。在细晶钢中，随着铁的选择性溶出，铬和硅向表面迁移。在锈层内部，这些元素在相同区域富集，形成多层叠置的铬-硅混合氧化物。与此同时，不稳定的初生锈相逐渐转化为更稳定的细粒赤铁氧化物氢氧化物α-FeOOH，倾向于形成致密、连续的内层。多层的铬-硅区与致密的α-FeOOH共同构成了类似装甲的锈层结构，裂缝和孔隙较少。

阻挡盐分与氧气侵入

相比之下，粗晶钢形成了更厚但更疏松的锈层，存在裂缝和通道，使侵蚀性的氯离子和氧气容易穿透到金属深处。铬和硅仅弱烈富集，保护性的α-FeOOH相生长较慢且量较少。对电荷和溶解氧在锈层中传输难易的测量证实，超细晶钢最终形成了电阻性更高、阻碍扩散的层。除锈后三维表面图显示，粗晶钢出现更深、更尖锐的点蚀坑，而超细晶钢表面保持更平整，局部损伤明显更少。

对耐久钢结构的意义

在试验结束时，最初更活跃的超细晶耐候钢表现优于其粗晶对应材料，腐蚀速度更慢并避免了严重点蚀。研究表明，当存在铬和硅时，缩小钢的晶粒能触发一系列有利的连锁反应：更快的早期铁溶解使这些元素在锈层中富集，形成多层铬-硅氧化物，并有助于将锈转化为致密、稳定的形态，从而有效阻挡盐分与氧气。对工程师而言，这表明通过同时控制成分与晶粒尺寸，可以制备出其锈层真正表现为耐久、自愈的“盔甲”式保护涂层的耐候钢，从而延长在恶劣含盐环境中关键基础设施的服役寿命。

引用: Wang, P., Geng, Y., Li, H. et al. Grain ultra-refinement–induced multilayer co-enrichment of Cr and Si in the rust layer enhances corrosion resistance of weathering steel. npj Mater Degrad 10, 51 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00765-0

关键词: 耐候钢, 耐腐蚀性, 晶粒细化, 铬和硅, 保护性锈层