新疆干旱大气环境下低合金钢腐蚀行为研究：Cr与Mn元素的差异化防护机制

本研究针对低合金结构钢在新疆干旱大气环境中的腐蚀问题，通过长期暴露实验系统评估了Q355B与新型含Cr低合金钢（A钢）的腐蚀性能。研究发现Cr通过催化形成稳定α-FeOOH及生成FeCr2O4/Cr2O3等致密相显著提升锈层防护性，而Mn元素因风沙侵蚀和温差应力导致锈层开裂。该成果为干旱地区钢结构材料设计提供了重要理论依据。

　　

在广袤的新疆地区，光伏电站和输电塔等钢结构设施正面临着一个隐形杀手——干旱大气腐蚀。与潮湿的海洋环境不同，这里极端的气候条件组合了强紫外线照射、剧烈昼夜温差（日均温差可达35°C）和频繁的风沙侵蚀，使得传统低合金钢的锈层保护机制面临全新挑战。尤其令人担忧的是，随着国家"西电东送"战略推进，大量输电线路暴露在这种特殊环境中，但关于干旱大气腐蚀机理的研究却长期滞后。

针对这一技术空白，中国的研究团队开展了一项为期360天的系统性研究。他们选取典型结构钢Q355B（含1.325% Mn）和自主研发的含Cr低合金钢（A钢，含3.671% Cr），在新疆吉木萨尔县变电站实地布设暴露试验站，通过多尺度表征揭示了Cr/Mn元素在干旱环境下的差异化防护机制。这项发表在《Journal of Materials Research and Technology》的重要成果显示：Cr通过双重机制实现卓越防护——催化生成热力学稳定的α-FeOOH，同时形成FeCr₂O₄和Cr₂O₃纳米颗粒填充锈层孔隙；而Mn虽能形成MnFe₂O₄提升初期致密性，却在风沙-热循环耦合作用下诱发锈层开裂。

研究团队运用了三大关键技术：1）长期大气暴露实验（30/180/360天）结合失重法计算腐蚀速率；2）电化学工作站（PARSTAT 3F）测定极化曲线和EIS（电化学阻抗谱）；3）多尺度表征联用技术（SEM-EDS观测锈层形貌，XRD/XPS分析物相组成，激光共聚焦显微镜量化蚀坑深度）。这些方法体系为揭示元素防护机制提供了全方位证据链。

【锈层演化规律】
通过SEM观察到：Q355B在30天暴露后即出现大尺寸针状γ-FeOOH（纤铁矿），孔隙率达42%；而A钢锈层由纳米级α-FeOOH（针铁矿）构成，初始孔隙率仅19%。暴露360天后，Q355B锈层厚度激增至71.89 μm但存在贯穿裂纹，A钢则稳定在21.93 μm且无宏观缺陷。

【元素作用机制】
XPS分析发现：A钢锈层中Cr以FeCr₂O₄（576.4 eV）、Cr₂O₃（587.4 eV）形式存在，其含量随暴露时间从7.3%增至18.6%。而Q355B中Mn元素形成MnFe₂O₄（641.5 eV）虽能提升初期防护，但在180天后因热应力转化为多孔MnO₂（642.5 eV），导致防护失效。

【腐蚀动力学】
电化学测试显示：A钢电荷转移电阻R_ct达1674 Ω·cm²，是Q355B（1210 Ω·cm²）的1.4倍。腐蚀电流密度i_corr降低33%（3.33 vs 5.01 μA/cm²），印证了Cr的缓蚀优势。

【工程防护启示】
研究首次阐明干旱环境下Cr/Mn元素的"协同-拮抗"效应：Cr通过稳定α-FeOOH晶格和生成纳米氧化物实现长效防护，而Mn的防护效能受环境应力制约。该发现为"一带一路"沿线干旱地区钢结构选材提供了明确指导——在新疆等特殊环境中，含Cr低合金钢（Cr>3%）应作为优先选择，而高Mn钢需配合表面改性技术使用。这项研究不仅填补了干旱大气腐蚀理论空白，更为新能源基础设施的耐久性设计提供了关键数据支撑。