钢材已经广泛地应用于现代社会，因其优异的力学性能、可塑性好、成本低等优势，成为了不可或缺的材料。耐候钢因其优异的耐腐蚀性能、低的全周期维护成本，受到人们的关注。干湿交替环境是耐候钢生成致密锈层的关键因素，同时针对该环境中的耐候钢和低碳钢的界面腐蚀演变机理还需要进一步的探索，如内外锈层的演变，长周期、多时间节点的实验等。因此，本论文分别采用耐候钢（Q370qENH和Q345qENH）和低碳钢（Q235B和Q355C）在严苛工业大气环境、高氯大气环境中、严苛工业和Cl-共存的大气环境以及对具有氧化皮的Q370qENH耐候钢和具有氧化皮的Q355C低碳钢在模拟海洋大气环境中开展了相关的研究，设置多个时间节点，采用干湿交替的实验方法，通过多种表征手段，如增重和失重法、SEM、TEM、XRD、XPS、TG、FTIR、CLSM、CLRM、拉伸、极化曲线、电化学阻抗谱等探究了耐候钢和低碳钢的界面腐蚀机理，主要内容如下：
1.在严苛工业大气环境中开展了为期60天的干湿交替实验。在60天的时间节点后，Q345qENH与Q235B锈层表面均呈现红褐色。两种钢材的外锈层中仅检测到γ-FeOOH而内锈层中α-FeOOH和Fe3O4的含量更高。与Q235B相比，Q345qENH呈现出更致密的结构、更强的疏水性及较低的腐蚀电流密度。在7天的时间节点，稳定的α-FeOOH相在两种钢材的锈层中检测到，在30天和60天的时间节点中α-FeOOH相保持稳定。两种钢材以均匀腐蚀为主，局部呈现出微弱的点蚀坑。构建了Q345qENH和Q235B的腐蚀幂函数模型。增重和失重法表明，在该种环境中Q345qENH与Q235B在15天达到峰值腐蚀速率，分别为0.462 mm/a和0.607 mm/a。Q345qENH锈层厚度为210 μm是Q235B的0.45倍。在60天的腐蚀暴露周期中两者总厚度损失分别为0.031 mm和0.045 mm。采用弱极化解析技术解析了两种钢材的极化曲线，Q345qENH在所设置的时间节点下展现出更小的腐蚀电流密度。揭示了内锈层和外锈层之间的物质相互转换，Q345qENH的耐腐蚀机理归因于Cr、Ni和Cu的协同效应。

2.在高氯大气环境中开展了为期60天的干湿交替实验，Q370qENH和Q355C的最大腐蚀速率分别1.18 mm/a和1.55 mm/a，Q370qENH和Q355C的总厚度损失量分别为0.178 mm和0.170 mm。Q370qENH和Q355C的最大腐蚀速率为在严苛工业大气环境中的2.57倍和2.55倍。Q370qENH和Q355C的总厚度损失量为在严苛工业大气环境中的5.5倍和3.7倍。Q370qENH和Q355C在60天的暴露周期后，其外锈层和内锈层的组成基本一致，外锈层中γ-FeOOH，Fe2O3含量更高，内锈层中β-FeOOH，Fe3O4含量更高，Q355C中的α-FeOOH呈现出更多的相对质量比，但外锈层和内锈层仍小于在严苛工业大气环境中该物质的相对质量比。Q370qENH呈现出严重的局部腐蚀，这一点被归因于Q370qENH中[CrCl6]3-的水解作用和更为致密的锈层共同导致的局部Cl-聚集，加速钢材基质的溶解。
3.在严苛工业和Cl-共存的大气环境中开展了为期60天的干湿交替实验， Q370qENH和Q355C两种钢材的厚度总损失分别为0.064 mm 和0.079 mm。Q370qENH在前期呈现出较快的腐蚀速率，在腐蚀后期更为致密的锈层生成腐蚀速率降低，两种钢材呈现出均匀腐蚀。Q370qENH和Q355C的内外锈层成分和形貌的演变规律是相似的，内锈层均是以Fe3O4为骨架构成致密的内锈层，Q370qENH在不同时间节点下展现出更为致密的Fe3O4骨架，且有更多的α-FeOOH的填充。Q370qENH中所添加的Cr、Ni、Cu微量元素的抗腐蚀机理被详细的分析。Cr的添加会在钢材表面形成钝化膜，Cr3+会增大γ-FeOOH的表面能促进腐蚀产物向低表面能的α-FeOOH的转变，且Cr3+会置换Fe3+。Ni的添加会作为异相成核位点有效降低成核活化能促进α-FeOOH的生长，抑制β-FeOOH相的生长，Ni2+会置换Fe3+中的Cl-形成更为稳定的络合物。Cu的添加会作为辅助异相成核位点降低成核活化能促进α-FeOOH的生长，并由于Cu[E°(Cu2+/Cu) = 0.3419 V]较高的标准电极电位，Cu2+易被还原为分散较为均匀的Cu纳米颗粒，限制α-FeOOH晶粒的生长空间，细化α-FeOOH晶粒。

4.研究了在模拟大气海洋环境中具有氧化皮的Q370qENH耐候钢和具有氧化皮的Q355C低碳钢的界面腐蚀失效机理，两种钢材表面首先会形成一层含有NaCl和CaSO4的沉淀层，随着时间的延长锈层全面发展，锈层完全覆盖了两种钢材的表面。XRD表征揭示了两种钢材氧化皮的组成成分都为Fe3O4，α-Fe2O3和Fe0.9O,Q370qENH展现出更低的Fe3O4质量分数和更高的Fe0.9O的质量分数。Fe0.9O、(Fe7.6Ni0.4)O6.44(OH)9.56Cl1.16和Fe8O8(OH)8Cl1.35分别存在于Q370qENH和Q355C锈层中，这两种物质都被归于β-FeOOH。所有的锈层样品中并未发现更为稳定的α-FeOOH，这被归因于氧化皮的屏障作用且Cl-是亲核试剂，易与γ-FeOOH配位取代生成β-FeOOH。在102天的腐蚀暴露周期中，Q370qENH和Q355C的总厚度损失分别为0.022 mm和0.027 mm。两种钢材主要呈现出均匀腐蚀。基于XPS的分析，Q370qENH锈层中的成分从NiFe2O4和NiCr2O4转变为NiO，NiFe2O4和NiCr2O4，且锈层含有Cr(OH)3，Cr(Ⅲ)-氧化物，FeCr2O4和NiCr2O4，随着时间的延长不稳定的Cr(OH)3消失，FeCr2O4的占比增多。极化曲线和电化学阻抗谱的分析表明Q355C钢材具有更大的腐蚀电流密度和更低的阻抗值。在初期，两种钢材的氧化皮都展现出了对于钢基体的保护作用，但随着时间的延长在75-85天氧化皮会出现明显的破损失效。基于在该环境中的一种氧化皮失效渗透-坍塌机制被提出。

第1章 绪论 ............................................ 1
1.1 大气环境下钢材的腐蚀 ............................... 1
1.1.1大气环境下钢材腐蚀的机理 ........................ 1
1.1.2钢材大气腐蚀动力学模型 .......................... 8
1.1.3大气腐蚀的工程危害与防控需求 ................... 10
1.2 耐候钢的发展历程与研究现状 ........................ 12
1.2.1耐候钢的发展历程 ............................... 13
1.2.2耐候钢在工程中的应用及评价标准 ................. 15
1.2.3耐候钢大气腐蚀行为与机理的研究现状 ............. 17
1.2.4耐候钢的合金化设计与合金元素作用机理 ........... 20
1.3 本论文的研究意义、目的和主要研究内容 ............... 22
第2章 Q345qENH耐候钢和Q235B低碳钢在严苛工业大气环境下的界面腐蚀机理 ............................................ 24
2.1 引言 .............................................. 24
2.2 实验部分 .......................................... 25
2.2.1实验材料 ....................................... 25
2.2.2干湿交替腐蚀实验 ............................... 25
2.2.3材料表征 ....................................... 25
2.2.4失重和电化学测试 ............................... 26
2.3 结果与讨论 ........................................ 27
2.3.1腐蚀形貌 ....................................... 27
2.3.2腐蚀动力学 ..................................... 31
2.3.3锈层成分和表面状态 ............................. 32
2.3.4电化学表征 ..................................... 41
Q345qENH耐腐蚀机理 ............................ 45
2.4 本章小结 .......................................... 47

第3章 高氯环境驱动下Q370qENH耐候钢和Q355C低碳钢界面腐蚀机理 .................................................... 48
3.1 引言 .............................................. 48
3.2 实验部分 .......................................... 48
3.2.1实验材料 ....................................... 48
3.2.2干湿交替腐蚀实验 ............................... 49
3.2.3材料表征 ....................................... 49
3.2.4失重和电化学测试 ............................... 49
3.3 结果与讨论 ........................................ 50
3.3.1腐蚀形貌 ....................................... 50
3.3.2腐蚀动力学 ..................................... 53
3.3.3锈层成分和表面状态 ............................. 55
3.3.4电化学表征 ..................................... 60
3.4 本章小结 .......................................... 63
第4章 严苛工业大气环境和Cl-共同驱动作用下Q370qENH耐候钢和Q355C低碳钢的界面腐蚀机理 ............................ 64
4.1 引言 .............................................. 64
4.2 实验部分 .......................................... 64
4.2.1实验材料 ....................................... 64
4.2.2干湿交替腐蚀实验 ............................... 65
4.2.3材料表征 ....................................... 65
4.2.4失重和电化学测试 ............................... 66
4.3 结果与讨论 ........................................ 66
4.3.1腐蚀形貌 ....................................... 66
4.3.2腐蚀动力学 ..................................... 70
4.3.3锈层成分和表面状态 ............................. 71
4.3.4力学性能 ....................................... 75
4.3.5电化学表征 ..................................... 76
4.3.6Q370qENH界面腐蚀机理 .......................... 78
4.4 本章小结 .......................................... 80
第5章 Q370qENH耐候钢和Q355C低碳钢在模拟海洋环境中氧化皮的界面腐蚀机理 .......................................... 81
5.1 引言 .............................................. 81
5.2 实验部分 .......................................... 82
5.2.1实验材料 ....................................... 82
5.2.2干湿交替腐蚀实验 ............................... 82
5.2.3材料表征 ....................................... 82
5.2.4失重和电化学测试 ............................... 82

5.3 结果与讨论 ........................................ 83
5.3.1腐蚀形貌 ....................................... 83
5.3.2腐蚀动力学 ..................................... 87
5.3.3锈层成分和表面状态 ............................. 88
5.3.4力学表征 ....................................... 95
5.3.5电化学表征 ..................................... 96
5.3.6具有氧化皮的Q370qENH界面腐蚀机理 .............. 98
5.4 本章小结 .......................................... 99
第6章 结论和创新点 ................................... 100
6.1 结论 ............................................. 100
6.2 创新点 ........................................... 101
参考文献 ............................................... 103
致 谢 ................................................. 117
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 . 118