钢材是建筑中应用最广泛的工程材料之一, 制造业, 运输, 和基础设施. 它的受欢迎来自于实力的结合, 多功能性, 以及很少有材料可以比拟的成本效益.
从结构框架和桥梁到机械和管道, 钢铁继续作为现代工业的支柱.
但钢材也不能免于腐蚀. 实际上, 腐蚀是决定钢构件能够保持安全多久的最重要因素之一, 功能, 且服务经济.
清楚地了解腐蚀对于工程师来说至关重要, 制造商, 承包商, 和资产管理公司等.
您越了解钢材如何腐蚀, 越好，您可以选择合适的等级, 正确的保护系统, 以及正确的维护策略.
每个钢铁用户都应该了解的七个要点.
1. 钢本身并不耐腐蚀
清楚的 碳钢 不是耐腐蚀材料. 它的主要成分是铁, 铁很容易与氧气和湿气发生反应.
当暴露在大气中时, 钢开始氧化并生锈, 主要由水合氧化铁和氢氧化物组成, 包括水合氧化铁 (Fe2O3·nH2O), 羟基氧化铁 (氧化亚铁(哦)) 和氢氧化铁 (铁(哦)3).
与某些金属上形成的稳定氧化膜不同, 铁锈是多孔的, 虚弱的, 并且没有防护措施.
它不密封表面. 反而, 它允许氧气和水不断到达下面的金属.
因此, 腐蚀继续蔓延, 随着时间的推移，暴露更多的新钢材并加速材料损失.
这就是为什么不能假设未受保护的钢材在室外或潮湿环境中保持耐用的原因.
没有适当的涂层或腐蚀控制策略, 腐蚀是不可能的; 这是自然的结果.
2. 合金化可以大大提高耐腐蚀性能
为什么普通钢容易损坏
基础钢材主要是铁, 铁在氧气和湿气存在下具有化学活性. 这意味着非合金钢或轻合金钢没有内置的防腐蚀保护.
一旦表面薄膜破裂, 由于普通钢材上形成的锈层疏松，腐蚀会持续进行, 多孔的, 并且无法将基材与环境隔离.
这就是合金设计在钢铁工程中如此重要的根本原因. 耐腐蚀不仅仅是表面问题; 它从金属的内部化学开始.
合金化如何改变钢的性能
通过添加选定的合金元素, 钢可以从易腐蚀材料转变为耐腐蚀材料.
关键思想是某些元素促进更稳定的表面膜的形成, 提高钢材对侵蚀性介质的抵抗力, 或减缓导致金属损失的电化学反应.
合金化并不能消除所有环境中的腐蚀, 但它可以将钢材从一种必须受到严格保护的材料转变为一种可以长期使用且维护更少的材料.
铬: 不锈钢的基础
当以耐腐蚀性为目标时，铬是最重要的合金元素.
当钢中含有足够的铬时, 它与氧气反应形成非常薄的, 稠密, 并在表面形成稳定的氧化膜.
这个钝化膜是核心原因 不锈钢 如此有效地防锈.
薄膜不仅仅是一个障碍. 还能自我修复. 如果表面有划痕或损坏, 铬可以快速与氧气再次反应并重建保护层.
这种自愈行为使得不锈钢在使用中与碳钢有着根本的不同.
镍: 提高稳定性和韧性
不锈钢中经常添加镍以稳定奥氏体结构并提高整体韧性, 延性, 和腐蚀行为.
在许多不锈钢等级中, 镍有助于材料在各种环境中保持稳定并提高成型过程中的性能, 焊接, 和低温服务.
镍不会取代铬的作用. 反而, 它通过帮助钢材保持更有利的微观结构来增强整体耐腐蚀系统.
钼: 增强对氯化物的抵抗力
钼在海洋大气等含氯化物的环境中特别有价值, 海水暴露, 化学处理, 和富含盐的工业环境.
它有助于不锈钢抵抗点蚀和缝隙腐蚀, 这是最危险的腐蚀形式之一，因为它们可以局部发展并深入渗透，几乎没有明显的警告.
这就是为什么当普通不锈钢不够时通常选择含钼牌号的原因. 实践, 在恶劣的环境中，此元素通常决定可接受的服务和不可靠的服务.
其他有用的合金元素
其他合金元素也有助于提高耐腐蚀性和使用性能:
锰 可以支持合金平衡并有助于替代某些牌号的镍.
氮 可以提高某些不锈钢的强度并增强耐局部腐蚀性能.
硅 可以提高高温应用中的抗氧化性.
铜 可以提高对某些轻度腐蚀性介质的耐受性，并用于某些特种牌号.
每个元素扮演着不同的角色, 但更广泛的想法是一样的: 耐腐蚀性经过精心设计, 并非偶然.
合金化改善, 但并不能使钢铁无敌
即使是高合金不锈钢也有局限性. 强酸, 高氯化物浓度, 缝隙条件, 表面光洁度差, 和受热影响的焊接区域都会影响性能.
合金化提高了抵抗力, 有时戏剧性地, 但最终的结果还是由环境决定的.
这就是为什么材料选择必须始终符合使用条件.
在室内表现良好的牌号可能在海水中表现不足, 在海水中工作的牌号可能在强酸性或维护不良的系统中仍然会失败.
3. 富含氯化物的环境尤其具有攻击性
对钢铁最具破坏性的环境之一是氯化物暴露.
盐雾, 海水, 除冰盐, 某些工业过程流体都会攻击保护性氧化膜并引发局部腐蚀.
氯离子特别危险，因为它们会干扰钝化并促进点蚀和缝隙腐蚀.
而不是造成顺利, 均匀金属损失, 氯化物经常产生小, 深层腐蚀部位更难检测，对结构完整性更危险.
这就是普通不锈钢在海洋或沿海服务中可能举步维艰的原因, 而含钼牌号，例如 316 通常选择具有更好的耐氯化物性.
在非常恶劣的条件下, 即使是不锈钢也必须搭配正确的涂层, 设计细节, 和维护计划.
4. 焊接区域通常是最脆弱的
焊接接头很少与其周围的母材相同. 焊接产生了微观结构发生改变的热影响区, 残余应力, 有时耐腐蚀性会降低.
在不锈钢中, 一个经典问题是敏感性, 其中碳化铬可以在晶界附近形成并减少可用于钝化的铬.
这会使焊接区域更容易受到晶间腐蚀或应力腐蚀开裂, 特别是如果热输入太高或使用了错误的填充材料.
即使焊缝本身很坚固, 局部腐蚀行为可能比预期弱.
这就是为什么不锈钢焊接不仅仅是一种连接操作. 这是一个受控冶金过程，必须考虑填料的选择, 热输入, 焊后清洁, 和, 在需要的地方, 焊后处理.
5. 普通铁的污染会损坏不锈钢
不锈钢若要发挥预期性能，就必须保持清洁. 与普通碳钢工具接触, 铁颗粒, 或受污染的工作表面可能会将游离铁引入不锈钢表面.
这种污染会破坏钝化膜并产生局部锈迹或易腐蚀区域.
这与两种不同金属之间的电偶腐蚀不同; 这是一个污染问题.
即使与肮脏的工具或钢磨削灰尘短暂接触也会在表面留下颗粒.
如果这些颗粒氧化, 它们使不锈钢看起来好像正在腐蚀, 即使问题是从污染开始的.
由于这个原因, 不锈钢制造需要严格的车间纪律. 专用工具, 清洁工作区域, 适当的表面清洁不是可选的; 它们是腐蚀控制的一部分.
6. 均匀腐蚀通常比局部腐蚀危险性小
并非所有的腐蚀行为都相同. 均匀腐蚀或多或少均匀地去除表面上的材料, 这通常在视觉上令人不愉快但相对可预测.
因为伤害是分散的, 更容易检查, 措施, 并管理.
相比之下, 局部腐蚀（例如点蚀或缝隙腐蚀）可能更为严重.
它可能在表面上看起来很小，但在表面以下产生深层渗透.
在结构或承压应用中, 这种隐藏的损坏可能会导致突然的故障.
这意味着仅凭外观不足以判断风险.
如果腐蚀均匀并受到监控，生锈的表面可能还有时间, 而即使是看起来干净的不锈钢部件，如果环境恶劣且牌号选择不当，也可能存在隐藏的局部腐蚀.
7. 多重腐蚀控制系统可以保护钢材
腐蚀控制是一个系统, 不是单一产品
钢铁腐蚀无法通过一种通用解决方案来解决.
实践, 耐腐蚀性是通过结合来实现的 材料选择, 表面保护, 设计细节, 环境隔离, 和维护策略.
这就是为什么钢仍然是广泛使用的工程材料: 尽管它很容易腐蚀, 还可以通过多种不同方式对其进行有效保护.
最重要的想法是腐蚀防护应与使用环境相匹配.
埋地管道, 海上平台, 室内机框架, 和食品加工罐都需要不同的策略. 适用于一种应用程序的方法可能效率低下，甚至不适合另一种应用程序.
涂层系统: 第一种也是最常见的防御
涂层系统是保护碳钢的最常见方法. 它们的目的是将钢表面与氧气分离, 水分, 盐, 和化学物质.
典型的涂层路线包括:
| 保护方法 | 主要原理 | 典型优势 | 典型限制 |
| 油漆系统 | 在钢铁与环境之间建立屏障 | 灵活的, 经济, 广泛使用 | 可能会因撞击而损坏, 磨损, 或表面处理不良 |
| 粉末涂料 | 热固化聚合物屏障 | 耐用且视觉干净 | 需要受控应用，不太适合非常大的结构 |
| 镀锌 | 锌提供屏障和牺牲保护 | 户外防腐性能强 | 表面外观工业风; 修理和修补需要小心 |
| 金属喷涂 / 热喷涂 | 沉积金属保护层 | 适合重型服务 | 专业化程度更高、设备更密集 |
| 磷酸盐 / 转换涂层 | 改善表面状况和油漆附着力 | 可用作预处理 | 通常不是独立的腐蚀解决方案 |
牺牲保护: 使用活性更高的金属来保护钢材
最有效的钢铁腐蚀控制方法之一是 牺牲保护.
在这种方法中, 将更具活性的金属与钢接触，以便保护金属首先腐蚀.
最著名的例子是 锌. 锌比铁更活跃, 所以当两者都暴露在腐蚀性环境中时, 锌倾向于优先腐蚀并保护钢基材.
这是镀锌和许多锌基保护系统背后的原理.
牺牲保护在户外环境中尤其有价值，因为即使涂层被划伤或损坏，它仍能继续发挥作用. 这使得它在许多现场条件下比纯装饰性屏障涂层更坚固.
阴极保护: 对于埋地和水下钢材至关重要
用于地下管道, 坦克, 海洋结构, 和浸没的组件, 阴极保护 经常被使用.
这种方法改变了钢的电化学行为，使钢本身成为腐蚀电路中受保护的阴极.
主要有两种形式:
牺牲阳极阴极保护
更活泼的金属，例如锌, 镁, 或铝附着在钢结构上. 阳极代替钢材腐蚀.
外加电流阴极保护
外部电源将保护电流驱动到结构中, 使其成为阴极并抑制腐蚀.
阴极保护对于仅靠涂层是不够的大型结构特别有效.
在许多系统中, 与涂料配合使用, 因为涂层减少了电流需求，并且阴极系统保护任何暴露区域.
合金: 在金属本身中建立阻力
另一种腐蚀控制途径是使用本质上比普通碳钢更耐腐蚀的合金.
不锈钢就是典型的例子, 但耐候钢和其他低合金钢也表明成分如何改变腐蚀行为.
合金化之所以强大，是因为它不仅仅保护表面; 它改变了材料本身. 在不锈钢中, 铬可形成防锈的钝化膜.
在其他钢铁家族中, 选定的添加物可以提高抗氧化性, 强度保留, 或特定环境下的行为.
当重复维护困难或零件必须在苛刻的环境中长期使用时，这使得合金化特别有用.
8. 结论
钢是迄今为止开发的适应性最强的材料之一, 但腐蚀仍然是许多环境中的主要限制. 除非受到保护，普通碳钢很容易生锈.
不锈钢通过形成自愈钝化膜来抵抗腐蚀, 但在富含氯化物的条件下它仍然会失败, 在焊接接头处, 或被普通铁污染时.
最重要的教训是腐蚀不是单一解决方案的单一问题. 这是材料与环境的相互作用.
良好的腐蚀性能源于正确的合金选择, 声音制作实践, 适当的表面处理, 以及正确的使用环境保护体系.
对于工程师和制造商, 了解这七点是选择仅适用于今天的钢材和选择多年可靠使用的钢材之间的区别.
常见问题解答
所有钢材都会生锈吗?
是的, 所有钢材在适当的条件下都会腐蚀. 腐蚀的速率和类型取决于合金和环境.
不锈钢是否防锈?
不. 不锈钢耐腐蚀, 不耐腐蚀.
不锈钢焊接后为什么会生锈?
因为焊接可以改变微观结构, 减少热影响区铬的利用率, 并引入残余应力.
为什么氯化物环境会损坏不锈钢?
氯离子会破坏保护性氧化膜并促进局部腐蚀，例如点蚀和缝隙腐蚀.
保护碳钢最简单的方法是什么?
使用涂料, 镀锌, 或与环境相匹配的其他腐蚀防护系统.
