傳統(tǒng)通過在耐候鋼中添加昂貴的Ni、Cr、Cu和Mo等合金元素來改善其力學(xué)性能和耐腐蝕性的方法通常會(huì)提高鋼材的制造成本，而稀土La在國內(nèi)的儲(chǔ)量充足且價(jià)格低，有望成為優(yōu)化耐候鋼性能的更經(jīng)濟(jì)改善方法。現(xiàn)階段已有關(guān)于稀土對(duì)低合金鋼耐腐蝕性影響的研究，但稀土元素在銹層中的存在狀態(tài)和其對(duì)銹層結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性的影響機(jī)制尚未完全明確，因此需要深入研究稀土元素對(duì)低合金鋼耐腐蝕性的作用和機(jī)制。

近日，北京科技大學(xué)的李曉剛教授團(tuán)隊(duì)研究了不同La含量的耐候鋼在銹層中的狀態(tài)及La對(duì)耐候鋼耐腐蝕性的作用，揭示了稀土在耐候鋼中的防腐機(jī)制。研究結(jié)果于2025年7月29日以“Revealing the beneficial effect and mechanism of rare earth La on the corrosion resistance of weathering steels”為題發(fā)表在國際期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.07.015

【核心內(nèi)容】

該研究發(fā)現(xiàn)少量La（0.008%-0.052%）能顯著提升耐候鋼耐腐蝕性，緩解局部腐蝕并改善強(qiáng)韌性，大于0.052%的過量La添加則效果會(huì)減弱甚至有害。其機(jī)制是La在腐蝕初期促進(jìn)γ-Fe?O?/Fe?O?形成并后期促進(jìn)α-FeOOH轉(zhuǎn)化，有利于形成富Cr致密膜，且La?O?納米氧化物作為α-FeOOH成核位點(diǎn)能起到腐蝕抑制和pH緩沖作用。

圖形摘要

【研究方法】

研究制備了0La、0.008%La、0.052%La和0.070%La的4種不同La含量的耐候鋼，通過光學(xué)顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)力學(xué)性能，采用電化學(xué)工作站測(cè)試極化曲線和EIS并按TB/T2375-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行循環(huán)腐蝕試驗(yàn)，結(jié)合XRD、XPS、FIB/TEM分析銹層，另外，利用了腐蝕大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器收集瞬態(tài)腐蝕電流。

腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器原理圖及實(shí)物示意圖

【研究成果】

① 力學(xué)性能的影響

La微合金化能延遲珠光體轉(zhuǎn)變并促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，形成粒狀貝氏體組織，少量添加La可大幅提高耐候鋼的強(qiáng)度和延展性，且所有參數(shù)均符合GB/T 714-2015標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，0.052La鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)449MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)624MPa，力學(xué)性能最優(yōu)。

不同La含量的四種鋼的光學(xué)顯微組織：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La

四種耐候鋼在室溫下的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

② 耐腐蝕性及局部腐蝕的影響

少量La添加能顯著提升耐候鋼在模擬工業(yè)環(huán)境中的耐腐蝕性，在20–30天循環(huán)腐蝕后，含La鋼的腐蝕速率較無La的Q345鋼降低23%-30%，含La鋼的腐蝕坑更小更淺，直徑多低于20μm，而Q345鋼出現(xiàn)大尺寸腐蝕坑，直徑可達(dá)200μm，深度 50μm。但La添加量超過0.052%時(shí)其對(duì)耐腐蝕性的提升作用會(huì)減弱甚至產(chǎn)生不利影響。

四種耐候鋼在模擬工業(yè)溶液中不同周期循環(huán)腐蝕后的(a)平均腐蝕速率和(b)重量損失

不同鋼在不同周期循環(huán)腐蝕后的基體腐蝕形態(tài)：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La。下標(biāo)1-4分別代表5、10、20和30天

各種鋼材經(jīng)過不同周期循環(huán)腐蝕后的三維腐蝕圖像：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La。下標(biāo)1-4分別代表5、10、20和30天

不同型鋼經(jīng)不同周期循環(huán)腐蝕后的K值及個(gè)別腐蝕坑的分布，每個(gè)點(diǎn)代表腐蝕坑的K值和體積

③ 對(duì)銹層結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用

La可通過調(diào)控銹層物相和結(jié)構(gòu)提升耐腐蝕性，腐蝕初期La促進(jìn)γ-Fe?O?/Fe?O?形成，后期促進(jìn)α-FeOOH轉(zhuǎn)化，使0.052La鋼的α-FeOOH與γ-FeOOH、γ-Fe?O?/Fe?O?的比值（α/γ*）達(dá)到約3.2，銹層更致密。同時(shí)，La有利于在最外層銹層形成富Cr致密膜（含F(xiàn)eCr?O?、Cr?O?），該膜能有效阻礙腐蝕性離子滲透，這種雙層致密銹層是含La鋼耐腐蝕性優(yōu)異的重要原因。

不同腐蝕時(shí)間后不同鋼材的XRD分析：（a, b）分別為腐蝕5天和30天后銹層的XRD圖譜，（c, d）分別為腐蝕5天和30天后各種腐蝕產(chǎn)物相的相對(duì)含量和α/γ*比值，其中黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)于各種鋼的α/γ*比

④ La?O?納米氧化物的作用

在銹層中作者檢測(cè)到了5-10nm的La?O?納米氧化物，其在增強(qiáng)耐腐蝕性中起關(guān)鍵作用。除了作為腐蝕抑制劑和pH緩沖劑外，該納米氧化物還能夠作為α-FeOOH的成核位點(diǎn)促進(jìn)保護(hù)性銹層的形成。

四種耐候鋼循環(huán)腐蝕30天后的截面EDS圖

0.070La鋼在循環(huán)腐蝕30天后界面銹蝕層的HRTEM分析

【總結(jié)與展望】

在這項(xiàng)研究中，作者發(fā)現(xiàn)了0.052%La添加量為最佳，添加少量的La元素可以通過促進(jìn)特定銹層物相的形成、增強(qiáng)銹層致密性和抑制局部腐蝕來提升耐候鋼耐腐蝕性能并改善其力學(xué)性能。基于這項(xiàng)研究結(jié)果，未來研究人員可以繼續(xù)優(yōu)化La的添加，拓展其在低合金鋼耐腐蝕設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。