镀锌及锌合金钢大气腐蚀行为与机理

本书面向工程结构材料长效防护的迫切需求，系统介绍了镀锌钢、镀铝锌钢及镀锌铝镁钢等在模拟与真实大气环境中的腐蚀行为与失效机理。通过开展多模式大气暴露试验，结合多种室内加速腐蚀试验，系统揭示了不同镀层体系的腐蚀动力学规律、产物演变过程及其与环境因子的关联机制。通过海南滨海大气暴露试验，将室内加速结果与室外实际腐蚀数据进行关联性分析，建立了室内外腐蚀行为的对应模型，可为风电、光伏、跨海桥梁、海洋工程等领域的材料选型、防护设计、标准制定及工程维护提供系统的理论依据与实验支撑。
本书可以为从事钢铁材料、大气环境腐蚀与防护技术领域的研究人员以及海洋工程建设与设施制造领域的相关技术人员、设计人员提供材料腐蚀试验数据和参考资料。

《镀锌及锌合金钢大气腐蚀行为与机理》以服务双碳目标与国家重大工程需求为导向，系统介绍了从传统镀锌到先进锌铝镁等镀层材料在严苛电气环境下的腐蚀行为与演变规律，构建了从腐蚀机理、性能评价到寿命预测的完整技术体系，为工程材料选型、防护设计与相关标准制定提供了重要的方法论依据和数据支撑。 内容特色： 1. 面向工程，应用导向：紧密围绕建筑、交通、电力、船舶等领域对材料长效防护的迫切需求，系统对比研究了传统与新型镀层在模拟及真实大气环境中的腐蚀行为与失效机制，明确了镀锌合金钢的性能优势与退化规律，为工程实践中的材料选型、工艺优化与运维决策提供了贯穿全链条的理论指导和数据支持。 2. 方法先进，体系科学：充分利用材料先进表征手段，结合人工智能与机器学习算法，实现了对腐蚀过程中微观形貌、产物组成及电化学行为的定量化、多维度解析。通过创新性开展多模式平行加速试验，并与户外真实环境数据系统对比，建立了经实际环境验证的寿命评估模型，为材料技术进步与工程应用升级提供了扎实的方法支撑。

丛书前言
材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类，是在宇宙自然进化的基础上，由人类社会升华而来的有用物质。材料腐蚀是材料在使用环境中发生破坏而导致性能降低的过程。腐蚀是自然过程，各种人造的材料一定会发生腐蚀，即腐蚀是自发过程，与水必然向低处流一样。
人有生老病死，与人一样，所有由材料构成的设备都有一定的使用寿命，都会经历像人一样的生老病死的过程，在使用过程中将遭受不同形式的直接或间接的损坏。材料的损坏形式是多种多样的，但最重要、最常见的损坏形式是腐蚀。
腐蚀是材料在环境介质的化学作用（包括电化学作用） 以及与物理因素协同作用下发生破坏的现象。材料发生腐蚀应具备以下条件：①材料和环境构成同一体系；②相互作用；③材料发生了化学或电化学破坏。只要具备以上条件，材料腐蚀就存在。腐蚀的定义在金属材料的腐蚀研究中最为严密与成熟。但是，腐蚀不仅在金属材料中发生，也存在于陶瓷、高分子材料、复合材料和各种功能材料等所有的材料中。对高分子材料，一般用“老化”表示，其表达内容与腐蚀基本相同，只是高分子材料光老化是由光辐照引起的化学过程。近年来，随着各种功能材料的大量出现，以及力、热、声、电、光等物理环境因素在材料破坏中所起的作用不断被关注，传统的“腐蚀”概念得到了进一步扩充与深化。
腐蚀造成的材料直接损失相当严重。金属在各种环境中都可能发生腐蚀。使用量最大的钢铁因遭受腐蚀而变成铁锈，因此使许多设备过早地报废，不能使用。全世界每年由于腐蚀而造成报废的钢铁高达总产量的三分之一，其中大约又有三分之一不能回收利用。材料腐蚀给人类造成的损失超过风灾、火灾、水灾和地震等自然灾害的总和，腐蚀造成的损失高达国民生产总值的3% ～ 5%。
腐蚀不仅大量吞噬钢材，同时生产过程中的腐蚀还会造成设备的跑、冒、滴、漏，严重污染环境，甚至着火、爆炸，引起厂房、机器设备破坏，酿成严重的事故。材料腐蚀间接损失是其直接经济损失的两倍以上。另外，腐蚀问题直接影响许多新技术、新工艺的实施，尤其在化工产品开发方面，因腐蚀问题解决不了，致使一些新产品、新工艺迟迟不能投产。例如，1903 年德国科学家哈珀发明了合成氨工艺，使得人类社会第一次面对高温高压的氢气。高温高压氢气对钢铁材料腐蚀性极强，德国和美国的科学家花费了3 年时间成功研制了抗高温高压氢气腐蚀的新钢种，才实现了合成氨工艺在工业上的大量生产，有效提高了化肥的产量，从而使人类社会农产品产量大幅度增加，促进了社会的大发展。因此，材料腐蚀是一个重大的社会不安全、不安定和降低社会运行效率的因素，材料腐蚀导致的次生灾害与损失大大高于直接损失。
材料腐蚀导致的最大次生灾害和损失就是人员伤亡，人们为此付出了惨重的生命代价，虽然每次事故形式不同，离奇古怪，但是原因十分简单：人为忽视了材料腐蚀的危险性。这样的事故经常发生，虽然将来也无法避免，但是，只要提高警惕就可以最大限度地避免这类事故发生。
目前，经济发达国家和地区正在以大幅度提高能源效率、资源效率和环境效率作为战略目标和前瞻性投资的依据，腐蚀问题已经成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一。我国的腐蚀与防护措施和制度还不健全，大规模经济建设的同时，在更多的领域中暴露出越来越多的腐蚀问题，腐蚀与防护水平与国外先进水平相比还存在较大差距，对我国经济的可持续发展造成了一定程度的影响。材料在环境中腐蚀的同时，其腐蚀产物不可控制地进入到水、土壤等自然环境中，给自然环境也带来了严重的影响。武器装备的腐蚀失效问题是长期困扰各国军队的主要问题之一，军事装备的高质量和高可靠性是军队完成军事任务和保持战斗力的基本保障条件之一。由于武器在各种苛刻环境中的腐蚀失效问题造成装备彻底丧失战斗力的例子不胜枚举。可见，材料腐蚀导致的次生灾害是多么惨烈！虽然材料腐蚀每时每刻都在静悄悄地发生，但是材料腐蚀导致的次生灾害却不是静悄悄的！材料静悄悄地腐蚀，由此导致的损失和惨烈的次生灾害，要充分引起社会各界和广大民众的关注。
设备与设施是人类社会物质部分的最重要体现，尤其是重大装备和基础设施，更是人类社会生存与发展的重要依托与手段。设备与设施是由各类材料构成的，材料腐蚀与失效是材料与环境交互作用导致性能下降的自然过程。在设备的腐蚀失效分析中，各类材料腐蚀机理研究的成果异常重要，腐蚀机理研究是准确确定腐蚀原因最重要的科学基础，腐蚀在线诊断是确定腐蚀原因最重要的技术基础。大数据理论和技术对腐蚀领域的冲击推动了设备腐蚀智慧管理时代的来临，设备腐蚀智慧管理是智慧社会建设重要的组成部分。
《材料腐蚀与防护科学数据工程丛书》以材料腐蚀数据积累、材料腐蚀机理与规律研究、设备设施腐蚀联网观测以及系列耐腐蚀新材料开发为主题，相信会为设备腐蚀智慧管理和智慧社会建设提供重要的科学基础，做出应有的贡献。

主编
李晓刚



前言
腐蚀是金属材料的一种严重的破坏形式，据联合国工业发展组织数据，全球每年因腐蚀造成的经济损失高达4.5 万亿美元。在中国，仅2024 年金属腐蚀导致的成本损失就达到4.02 万亿元人民币，占国内生产总值的3% ～ 4%。钢材是世界上使用量最大、应用范围最广的一种金属材料，其在各种复杂恶劣环境中的腐蚀一直是一个具有挑战性的问题，每年约30% 的钢铁产品因此而失效报废。钢铁的腐蚀是影响其服役寿命和使用安全性的一大问题, 因此，需要采取适当的措施来减轻钢铁材料的腐蚀。锌及锌合金所制备的镀层具有良好的耐腐蚀性和经济效益，因此这些镀层常常被应用于复杂的腐蚀性环境（如海洋、工业等），以减缓钢材的腐蚀。这不仅可以节约资源和减少成本，也能提高安全性和促进技术的进步，对社会和经济都有重要意义。
防腐蚀表面技术是钢铁防护大气腐蚀的重要手段，虽然耐候钢和有机涂料可以减轻钢材在大气环境中的腐蚀，但在实际应用过程中，伴随着国家对环保的重视和企业对成本的要求，提高钢材耐腐蚀能力的措施需要考虑到适用性、成本和对环境的影响，从而使得金属镀层成了比较好地提升钢材耐腐蚀能力的方法。当前广泛应用的金属镀层主要是热浸锌基镀层，其不仅工艺简单，成本较低，对环境友好，而且与镀件结合也很紧密。锌基镀层不仅可以用于将要生产的产品，旧的钢材也可以通过热浸镀获得更强的性能，提高了钢材的利用率。其中热浸镀技术是钢铁保护最有效、最直接、使用最广泛的防腐蚀工艺措施之一。热浸镀技术能大规模处理金属材料，表面质量好，当前应用于钢材的热浸镀技术以锌基镀层为主，包括纯锌镀层、锌铝镀层、锌铝镁镀层等。其中锌铝镁镀层是新一代高耐蚀镀层材料，相比纯锌镀层和锌铝镀层，锌铝镁镀层不仅耐腐蚀性好，具有一定自愈性，可以降低二次防腐的成本，减少环境污染，而且拥有更好的成形性能和综合性能，也具有比纯锌镀层更低的密度，能够适应更多的环境。随着汽车工业、新能源和基础建设等领域的快速发展，对镀锌及锌合金钢必然有着强烈的需求，对新型镀层材料进行研究具有重要意义。
本书选用镀锌钢、镀铝锌钢和镀锌铝镁钢三种典型镀层材料作为研究对象，通过中性盐雾试验、酸性盐雾试验、酸性混合盐雾试验等室内加速试验方法，对比研究锌铝镁镀层的腐蚀防护性能。基于设计的海洋大气环境谱试验方法，开展了海南滨海大气环境户外暴露试验和环境谱加速试验的腐蚀动力学、腐蚀产物和腐蚀电化学机理的相关性研究，建立了三种镀层材料在海洋大气环境下的寿命评价模型，从而为实际工程需求提供理论指导。
本书的研究工作是在国家重点研发计划- 重点专项“材料腐蚀大数据的智能分析与利用”（2024YFF0728900）、海南省重点研发项目“商业航天发射场设施装备材料服役安全评定及延寿关键技术”(ZDYF2026GXJS023) 和甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司资助下完成的，并得到了国家材料腐蚀与防护科学数据中心、新疆尉犁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站和湖北武汉大气淡水环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站等的大力支持。本书是在“材料腐蚀与防护科学数据工程丛书”主编、国家材料腐蚀与防护科学数据中心主任李晓刚教授的领导下完成的，其对全书写作给予了全面指导和细致的审核。本书相关研究工作人员如下：肖葵、周和荣、谯德高、吴俊升、吴军、易盼、王瑾、陈翠、宁培栋、茹亮中、江社民、邹明、姚琼、卓先勤、王洪伦、张新、高瑾、董超芳、刘倩倩、陈娜娜、李波、肖丽媛、王淑柳、杨佳畅、曹一维、陈俊航、尹程辉、张昊、宋嘉良、江紫雪、谭瑶、梁帅、安允生、李金硕、胡智浩、李曌亮、赵梓恒、于浩、王梓、李舒凡、舒雨心、胡为峰、刘亚东、刘全有等。
由于工作和认识的局限，本书存在一些不妥之处在所难免，敬请读者赐教与指正。

著者

第1章 镀锌及锌合金钢大气腐蚀研究进展 001
1.1 锌及锌合金镀层技术概述 002
1.1.1 锌及锌合金镀层发展历史 002
1.1.2 锌及锌合金镀层的组织结构 003
1.1.3 锌及锌合金镀层的耐蚀机理 005
1.2 锌及锌合金镀层大气腐蚀的影响因素 009
1.2.1 相对湿度 009
1.2.2 温度 010
1.2.3 大气污染物 010
1.3 材料评价试验与寿命评估 011
1.3.1 大气暴露试验 012
1.3.2 室内加速试验 012
1.3.3 寿命评估方法 013
1.4 锌及锌合金镀层研究方法 014
1.4.1 试验材料 014
1.4.2 试验方法 016
1.4.3 测试分析方法 021

第2章 镀锌及锌合金钢腐蚀影响因素 027
2.1 不同Cl- 浓度的影响规律 028
2.2 不同SO4
2- 浓度的影响规律 030
2.3 不同pH 的影响规律 032
2.4 小结 035

第3章 镀锌及锌合金钢中性盐雾循环加速腐蚀性能 037
3.1 镀锌钢 038
3.1.1 腐蚀动力学 038
3.1.2 腐蚀形貌分析 039
3.1.3 腐蚀产物分析 044
3.1.4 电化学分析 045
3.2 镀铝锌钢 048
3.2.1 腐蚀动力学 048
3.2.2 腐蚀形貌分析 049
3.2.3 腐蚀产物分析 057
3.2.4 电化学分析 057
3.3 镀锌铝镁钢 062
3.3.1 腐蚀动力学 062
3.3.2 腐蚀形貌分析 063
3.3.3 腐蚀产物分析 073
3.3.4 电化学分析 074
3.4 小结 077

第4章 镀锌及锌合金钢酸性NaCl 盐雾循环加速腐蚀性能 079
4.1 镀锌钢 080
4.1.1 腐蚀动力学 080
4.1.2 腐蚀形貌分析 080
4.1.3 腐蚀产物分析 090
4.1.4 电化学分析 091
4.2 镀铝锌钢 094
4.2.1 腐蚀动力学 094
4.2.2 腐蚀形貌分析 094
4.2.3 腐蚀产物分析 102
4.2.4 电化学分析 103
4.3 镀锌铝镁钢 106
4.3.1 腐蚀动力学 106
4.3.2 腐蚀形貌分析 107
4.3.3 腐蚀产物分析 111
4.3.4 电化学分析 116
4.4 小结 119

第5章 镀锌及锌合金钢NaHSO3 盐雾循环加速腐蚀性能 121
5.1 镀锌钢 122
5.1.1 腐蚀动力学 122
5.1.2 腐蚀形貌分析 123
5.1.3 腐蚀产物分析 128
5.1.4 电化学分析 133
5.2 镀铝锌钢 136
5.2.1 腐蚀动力学 136
5.2.2 腐蚀形貌分析 137
5.2.3 腐蚀产物分析 144
5.2.4 电化学分析 145
5.3 镀锌铝镁钢 148
5.3.1 腐蚀动力学 148
5.3.2 腐蚀形貌分析 149
5.3.3 腐蚀产物分析 156
5.3.4 电化学分析 157
5.4 小结 159

第6章 镀锌及锌合金钢酸性混合盐雾循环加速腐蚀性能 161
6.1 镀锌钢 162
6.1.1 腐蚀动力学 162
6.1.2 腐蚀形貌分析 163
6.1.3 腐蚀产物分析 170
6.1.4 电化学分析 172
6.2 镀铝锌钢 175
6.2.1 腐蚀动力学 175
6.2.2 腐蚀形貌分析 176
6.2.3 腐蚀产物分析 186
6.2.4 电化学分析 186
6.3 镀锌铝镁钢 189
6.3.1 腐蚀动力学 189
6.3.2 腐蚀形貌分析 190
6.3.3 腐蚀产物分析 198
6.3.4 电化学分析 198
6.4 小结 201

第7章 镀锌及锌合金钢海洋大气环境谱加速试验腐蚀性能 203
7.1 镀锌钢 204
7.1.1 腐蚀动力学 204
7.1.2 腐蚀产物形貌 204
7.1.3 腐蚀产物分析 209
7.1.4 电化学分析 210
7.2 镀铝锌钢 211
7.2.1 腐蚀动力学 211
7.2.2 腐蚀产物形貌 212
7.2.3 腐蚀产物分析 216

第6章 镀锌及锌合金钢酸性混合盐雾循环加速腐蚀性能 161
6.1 镀锌钢 162
6.1.1 腐蚀动力学 162
6.1.2 腐蚀形貌分析 163
6.1.3 腐蚀产物分析 170
6.1.4 电化学分析 172
6.2 镀铝锌钢 175
6.2.1 腐蚀动力学 175
6.2.2 腐蚀形貌分析 176
6.2.3 腐蚀产物分析 186
6.2.4 电化学分析 186
6.3 镀锌铝镁钢 189
6.3.1 腐蚀动力学 189
6.3.2 腐蚀形貌分析 190
6.3.3 腐蚀产物分析 198
6.3.4 电化学分析 198
6.4 小结 201

第7章 镀锌及锌合金钢海洋大气环境谱加速试验腐蚀性能 203
7.1 镀锌钢 204
7.1.1 腐蚀动力学 204
7.1.2 腐蚀产物形貌 204
7.1.3 腐蚀产物分析 209
7.1.4 电化学分析 210
7.2 镀铝锌钢 211
7.2.1 腐蚀动力学 211
7.2.2 腐蚀产物形貌 212
7.2.3 腐蚀产物分析 216
7.2.4 电化学分析 217
7.3 镀锌铝镁钢 218
7.3.1 腐蚀动力学 218
7.3.2 腐蚀产物形貌 219
7.3.3 腐蚀产物分析 223
7.3.4 电化学分析 224
7.4 小结 225

第8章 镀锌及锌合金钢海洋大气环境室内外试验相关性 227
8.1 海南滨海大气暴露试验 228
8.1.1 腐蚀动力学分析 228
8.1.2 腐蚀产物形貌 230
8.1.3 腐蚀产物分析 242
8.1.4 电化学分析 244
8.2 海南滨海大气室内外试验相关性分析 246
8.2.1 腐蚀动力学相关性分析 246
8.2.2 腐蚀产物相关性分析 250
8.2.3 腐蚀电化学机理分析 250
8.3 小结 251

参考文献 253