大氣腐蝕是工業生產和日常生活中最普遍的腐蝕行為，也是造成經濟損失最為嚴重的腐蝕形式之一，其本質大氣環境在金屬表面發生幹濕交替作用而導致銹蝕。作為腐蝕產物的鏽層在金屬表面的沉積將顯著地影響大氣腐蝕的後續行程，甚至對其腐蝕熱力學和動力學起到决定性的作用。耐候鋼便是通過調控鋼中的合金元素和相組織來改善鏽層組分從而抑制大氣腐蝕的低合金鋼。長期以來，人們對耐候鋼鏽層由內到外的時空分佈、緻密性及離子選擇性等耐候機制尚不十分明確，對鏽層內在演化規律的認識也較為淺顯，這嚴重地限制了耐候鋼的設計與開發。
近期，瀋陽材料科學國家研究中心聯合研究部的董俊華研究員帶領團隊在耐候鋼鏽層組分時空分佈演化規律方面取得了創新性研究進展。團隊首次通過同步輻射XRD，原位微區拉曼光譜，電子探針和電化學測試等研究手段準確地表征出碳鋼和耐候鋼表面鏽層組分的初期分佈及演化規律。研究結果表明：Q235B的鏽層為雙層結構，內層為α-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4的混合鏽層，外層為-FeOOH。β-FeOOH的還原是低碳鋼腐蝕加速的原因。MnCuP耐候鋼的內鏽層主要為穩定的α-FeOOH，在內鏽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- Fe3O3與α-FeOOH組成，最外層為γ-FeOOH。此項研究還發現元素Cu的添加促進了MnCu鋼鏽層中α-FeOOH組分的生成，减少了靠近基體處鏽層中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向鋼的基體輸運。元素P能進一步促進鏽層中α-FeOOH的生成，並更為明顯地抑制β-FeOOH及Fe3O4在內鏽層中的存在。另外Cu，P的添加不僅提高了MnCuP鋼基體的腐蝕電位，而且使帶鏽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。該部分工作為構建耐候鋼設計理論體系及相關產品的開發奠定了堅實的基礎。相關工作分別發表在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基金面上項目、遼寧省科技重大專項計畫、瀋陽材料科學國家研究中心基礎前沿及共性關鍵技術創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律
圖2.Q235鋼在類比海岸大氣環境下60CCT後的鏽層截面拉曼光譜及鏽層深度方向上的成分結構示意圖，（a）拉曼光譜作用位置，（b）鏽層截面的拉曼光譜，（c）鏽層深度方向上的成分結構示意圖
圖3.MnCuP耐候鋼在類比海岸工業大氣環境下10CCT後的鏽層截面拉曼光譜及鏽層深度方向上的成分結構示意圖，（a）拉曼光譜作用位置，（b）鏽層截面的拉曼光譜，（c）鏽層深度方向上的成分結構示意圖