现代桥梁的高速、重载、大跨度和轻量化发展,显示出桥梁钢的强度、疲劳和冲击等性能已有大幅提升,而腐蚀性能却常被轻视。桥梁钢的耐蚀性偏低问题,已成为大型桥梁运行安全的限制性环节之一,并随其服役时间延长而愈发突出。2007年,杭州湾跨海大桥在国内第一次明确提出使用寿命不低于100年的目标。然而,将钢桥的实际寿命由当前的50/60年提升到100年,并且在工业污染日益加重的沿海地区,其难度可想而知。桥梁钢的腐蚀问题必须予以重视!为此,《桥梁用结构钢》标准—GB/T 714相继在2008和2015年做了修订,并写入了耐大气腐蚀钢/耐候钢。耐候钢作为最有前途的高性能钢之一,在美日用于大型桥梁已有近60年的历史和完善的配套设施,而我国直到2011年大胜关长江大桥才刚刚开始。针对当前跨海大桥用钢的腐蚀和选材问题,本论文围绕桥梁钢在“高湿热沿海工业大气中的腐蚀行为”和“耐湿热腐蚀性能/机理”两个关键点,从环境腐蚀介质、反应界面锈层和钢中合金元素等腐蚀三要素入手,主要通过室内模拟腐蚀实验、OM、SEM-EDS、XRD、XPS和电化学方法等展开研究。实验参照ISO 9223和TB/T 2375等标准,以0.1 mol/LNaCl+0.01 mol/LNaHSO3溶液为腐蚀介质,在周期浸润腐蚀试验箱内模拟钢的湿热腐蚀行为。设定一个湿/干腐蚀周期为80 min,包括三个步骤:浸润18 min、42 ℃,自然干燥46 min、45℃、RH>80%,和强制干燥16 min、45℃、RH=38%。主要研究内容和结果如下:1、高湿热沿海工业大气中钢的腐蚀行为及Cl-与SO2的协同作用机理研究（1）SO2污染前/后商品钢的湿热腐蚀行为。以商品钢Q235B、Q345B和SPA-H为测试对象,对比分析了它们各自在SO2污染前/后的高湿热沿海大气中的腐蚀特征（Q345B作类比）。发现:SO2污染会破坏锈层结构致锈巢生成,明显加重钢材的腐蚀深度损失;同时会明显提高外锈层的致密性,削弱Cl-的腐蚀特征。而添加Mn、P/Cu/Cr/Ni并细化钢组织晶粒,均有助于改善锈层的致密性和稳定性,降低钢的腐蚀损失。（2）高湿热腐蚀中Cl-与SO2的协同机理。SO2污染前/后,高湿热沿海大气中钢的腐蚀行为变化说明:SO2与Cl-具有协同作用。具体表现为:1)外锈层:致密性提高、脱落减少、颜色变浅、晶体相α-FeOOH增加等,Cl-引起的疏松明显减弱。SO2溶入液膜后会失电子做阳极去极化剂,抑制钢的阳极溶解;促进α-FeOOH生成,提高锈层的稳定性。同时SO2也会降低电解液膜的pH值,加速溶解钢的保护膜和锈层。故认为在腐蚀初期,SO2起主导作用,Cl-辅助。2)锈层内部:Q235B锈层的晶粒粗大、层间粘附性差、锈巢明显增多增大、锈/钢界面疏松且有小孔巢、Cl和S大量富集。即Cl-与含S酸均能侵蚀锈层和钢基体。Q345B锈层明显好于Q235B,而锈/钢界面到腐蚀后期仍有少量疏松、小孔巢、裂纹、Cl与S的富集。SPA-H锈层的缺陷随时间明显减轻,锈/钢界面Cl与S的富集现象明显减轻。故认为随锈层形成和增厚,小尺寸的Cl-能穿透锈层入侵钢基体,大尺,寸的HSO3-能侵蚀锈层,为它们的滞留开辟场所SO2,二者相互促进。同时添加少量合金元素可改善锈层性能,抑制腐蚀。2、低合金桥梁钢的耐湿热腐蚀性能及合金元素的作用机理研究（1）低合金桥梁钢的耐湿热腐蚀性能。参比SPA-H,以低合金桥梁钢为测试对象。桥梁钢是在GB/T 714等的基础上调整合金元素的种类及含量,并采用相同的工艺流程生产和试验方法测试性能。发现:添加少量Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、Si、Ca等,均能改善锈层的保护性,缓解/防止桥梁钢的腐蚀。其中,含Cu高Ni钢的耐蚀性最好,Ni含量在0.42～1.50对腐蚀性能的影响不大,而添加Al和提高Mn含量均会增加腐蚀损失。另外,可将Ni≤0.42和Ca处理两种合金方法,作为高性能-低成本桥梁钢的主要突破口。（2）合金元素在钢材湿热腐蚀中的作用机理。高湿热沿海工业大气中,含HSO3-和Cl-的电解液膜会长时间润湿钢表面,并在锈层形成后向内部渗透。不稳定的氧化物膜或腐蚀产物/锈层（如两性含Al氧化物）,将很快被含S酸侵蚀而失去保护作用。因此,在该条件下生成稳定（复合）氧化物,并形成连续且保护性好的锈层,进而降低钢的腐蚀损失,是合金元素耐蚀作用的主要表现。此外,合金元素还能细化锈晶粒以改善锈层致密性（如Mn）、抑制锈结晶以降低裂纹发生（如Ni-3.55、Ca）、抑制β-FeOOH并促进α-FeOOH生成以提高锈层稳定性（如Si、Ni-0.42）、依靠自身特性提高钢/锈层稳定性（如Ni、Mo）、提高锈颗粒间粘结性以增强锈层附着性（如Cu）、富集在小裂纹等缺陷处以提高锈层自修复能力（如Cu、Ni-3.55）、改善锈层pH值并提高锈层电阻（如Ca）、促进钢组织转变和均匀腐蚀（如Cr）、净化钢质/组织以降低电位差腐蚀（如Ca、RE）。但Mn、Al含量升高会降低锈颗粒粘结性,引发裂纹生成。（3）裂纹对耐蚀锈层的危害。低合金桥梁钢腐蚀所得锈层中,S元素仅在外锈层的裂纹处有少量分布,但锈/钢界面处有大量Cl元素分布且新生锈层疏松。即耐蚀锈层能强烈抑制SO2的侵蚀,但对Cl-的抑制能力很弱。锈层中,内部腐蚀反应引起的体积变化导致应力不断积聚,并在干燥期释放引发裂纹。裂纹为Cl-的入侵提供了绿色通道,而将大尺寸的HSO3-阻挡在外。裂纹增多增大,腐蚀危害自然加重,而以垂直于钢基体的贯通裂纹为最。修复小裂纹最有效的元素是Cu,其次是高Ni、Cr、Mo和Si等。3、耐候桥梁钢的腐蚀演化规律及其焊接接头的腐蚀易感性研究（1）耐候桥梁钢的腐蚀演化规律。高湿热沿海工业大气中,低合金（桥梁）钢的腐蚀深度损失曲线均遵循幂函数d=atb的分布规律。常系数a、b除受环境腐蚀介质和钢中合金元素的影响外,还因实验样本的时间点和密度分布而偏离真实值。腐蚀过程可简单分成两个阶段:锈层形成前的快速腐蚀阶段和锈层形成后的腐蚀减速阶段。高湿度会加速腐蚀进程和锈层增厚,导致O和Fe等元素的浓度梯度明显减小、裂纹发生概率增大。腐蚀产物/锈主要由非晶（如δ-FeOOH）和少量晶体α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4/y-Fe2O3等组成。少量合金元素产生的（复合）氧化物,对改善锈层的保护性具有重要作用。（2）桥梁钢焊接接头的腐蚀易感性。按桥梁钢的组织和晶粒,焊接接头可大致分为三部分:焊缝熔合区、热影响区和母材。以4种低合金桥梁钢的焊接接头为测试对象,分别将0.1 mol/L NaCl溶液和0.1 mol/L NaHSO3溶液,以40μL/cm2的剂量均匀覆盖在焊接接头表面,腐蚀1～4 min,并用体积比4%的硝酸酒精擦拭（腐蚀晶界）。发现:Cl-的腐蚀特征以点腐蚀为主,并有零星择优腐蚀;而SO2（HSO3-）的腐蚀特征则以均匀腐蚀为主,局部有电位差引起的轻微不均匀腐蚀。SO2长期污染导致H2SO3不断形成,会加速腐蚀进程而加重腐蚀。母材受热后晶粒变粗大,但组织变化较小,故热影响区的强度虽明显降低,但腐蚀敏感性变化不大。焊缝熔合区是焊材与母材的二次熔合区,组织粗大、多夹杂且均匀性很差,故极易发生腐蚀,并可能因此造成巨大损失。开发配套的焊条、焊剂是降低焊接接头腐蚀敏感性的关键。而RE不但能净化钢质,还能促进焊缝熔合区的组织均匀性,应重点考虑。该研究阐述了沿海工业大气中Cl-与SO2的侵蚀特征与机理、钢中合金元素应对该湿热腐蚀的性能和机理、及其焊接接头的组织与腐蚀易感性,期待为跨海大桥用钢的选材和开发提供理论支撑。