北极船舶建造钢中腐蚀驱动老化：退化评估代表性测试方法综述

《Materials Today Communications》：Corrosion driven aging in arctic shipbuilding steels: A review of representative test methods for degradation assessment

　　

北极环境中船舶的安全运行依赖于结构钢在极端零下暴露条件下仍保持足够强度、韧性和耐腐蚀性。当前监管框架，例如国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）所遵循的框架，确保材料满足北极服役的最低设计要求。然而，这些标准主要针对制造态性能，并未充分考虑长期环境暴露中发生的渐进退化。对老化船体钢的现场研究表明，某些材料在服役后仍满足设计预期，但老化的真实影响尚未完全明确。本综述汇编了关于北极适用钢腐蚀驱动老化的近期研究，强调组合因素对机械退化的相互作用。尽管浸没试验、盐雾暴露、电化学分析和摩擦腐蚀试验等标准化实验室方法被广泛采用，但它们通常隔离单一变量，无法捕捉其相互作用特征，导致对服役老化的不完全表征。此外，国际船级社协会（International Association of Classification Societies, IACS）批准的高强钢公开数据有限，限制了结果的推广。本综述强调需要更具代表性、能够复现北极胁迫因素的多因素加速测试方案。未来开发连接显微组织状态、环境效应和机械性能的综合方法，可改进服役寿命预测模型，减少对保守设计裕度的依赖，并提高在严酷北极条件下部署钢材的长期可靠性。

研究人员围绕北极船舶建造钢中腐蚀驱动老化及退化评估代表性测试方法开展综述。北极与严酷环境中的船体承受冰冲击、波浪循环载荷、零下温度波动，结构完整性面临渐进退化。现行IMO、IACS、美国船级社（American Bureau of Shipping, ABS）等框架多规定制造态最低性能，对长期服役老化、腐蚀与力学载荷耦合退化表征不足；公开的高强钢服役老化数据稀缺，实验室方法又常隔离变量，难以代表真实北极服役条件。因此，研究人员系统汇编近期研究，评估腐蚀驱动老化机制、环境因素和实验方法，指出未来需发展多因素加速测试与集成评估框架，以改进寿命预测、降低保守设计裕度并提升极地船舶长期可靠性。

关键技术方法（不超过250字）：该工作为结构化文献综述。研究人员建立232篇文献库，来源包括ScienceDirect/Elsevier 86篇、MDPI 26篇、SpringerLink/Springer Nature 24篇、SAGE Journals 12篇、Taylor & Francis 10篇、ASTM International 9篇、ASME Digital Collection 5篇、Wiley Online Library 5篇、De Gruyter 5篇，其他平台与机构来源50篇；按相关性筛选后保留142篇并引用。文献时间跨度为1938—2026年，重点集中在2009—2025年，尤其2018年以后。检索词覆盖材料如EH36、EH40、EH47、FH36、HSLA steel、shipbuilding steel、Arctic steel、polar steel；加工与组织如TMCP、acicular ferrite、bainite、inclusions；力学如toughness、impact energy、fatigue、ultimate strength、DBTT、low temperature、crashworthiness；腐蚀环境如marine corrosion、seawater、splash zone、pitting、tribocorrosion、wear、accelerated corrosion、immersion corrosion、salt spray、electrochemical corrosion；法规如Polar Class、Polar Code、ABS、IACS。纳入ABS/IACS船体钢及可比HSLA；排除非铁合金、聚合物、复合材料、涂层系统、阴极保护、微生物腐蚀和独立焊缝主题。因数据异质，采用定性及机理评价而非统计荟萃分析。

研究结果保留各小标题如下。1 Introduction（引言）：通过综述北极船舶材料挑战指出，冰载、波浪、零下温度循环可使船体钢渐进退化；选材需平衡强度与韧性，碳钢韧脆转变温度（ductile-to-brittle transition temperature, DBTT）较高，高强低合金（High Strength Low-Alloy, HSLA）钢具优势但部分牌号仍易脆断或腐蚀。1.1 Scope and organization of the review（综述范围与组织）：作者界定范围限于腐蚀驱动老化的实验研究、IMO/IACS/ABS框架，重点ABS高强船体钢及AH、DH、EH、FH系列；排除非铁合金和涂层，仅讨论影响钢老化的焊接差异，摩擦腐蚀仅作机械辅助腐蚀机制。1.2 Review framework（综述框架）：采用结构化文献检索与主题组织，发现文献不足以进行耦合退化统计荟萃，故对温度、盐度、载荷、腐蚀、冰损伤交互进行定性和机理评价。2 Shipbuilding steels for arctic service conditions（北极服役条件用造船钢）：通过梳理IMO Polar Code、SOLAS、加拿大法规、北极理事会及IACS等，指出国际、国家和行业规则共同约束北极船舶结构安全。2.1 Standards, classification, and designation of structural steels（结构钢标准、分类与牌号）：通过ABS规则指出，船体钢按屈服和抗拉强度分类，普通钢冲击试验范围?40 °C至+20 °C，高强钢?60 °C至0 °C；普通钢最小延伸率20%，高强32、36、40系列分别为22%、21%、20%；Polar Class按冰况划分，冰带和艏部需可靠DBTT钢。3 Microstructural control and processing of high-strength arctic steels（高强北极钢的显微组织控制与加工）：通过组织与工艺分析指出，冷却速率和控轧决定相变与晶粒细化；正火、热机械控制加工（thermo-mechanical controlled processing, TMCP）和淬火回火（quenching and tempering, QT）产生不同组织；TMCP和QT通常DBTT较低，但TMCP对焊接热输入敏感。3.1 Influence of alloying elements on aging behavior（合金元素对老化行为的影响）：通过合金元素研究指出，Mn-P偏聚、MnS夹杂、Ca/Al/Nb、Ni/Mo/Cr/V等影响低温韧性、点蚀和腐蚀膜稳定性；Cr₃C₂析出、NiFe₂O₄和FeCr₂O₄及α-FeOOH可增强腐蚀层保护性。4 Corrosion-Driven Degradation and Mechanical Consequences（腐蚀驱动退化及力学后果）：通过均匀腐蚀、点蚀、缝隙、电偶、应力腐蚀开裂等研究指出，10—25%板厚减薄可致极限强度降7—25%，严重载荷下可达30%；点蚀和表面膜破坏促进裂纹萌生。5 Environmental degradation factors in arctic conditions（北极条件下的环境退化因素）：作者聚焦温度、盐度、溶解氧、pH和冰相关表面作用，指出这些因素强耦合，涂层、阴极保护和微生物腐蚀不作独立评估。5.1 Temperature-induced degradation mechanisms（温度诱导退化机制）：通过低温浸泡、疲劳和腐蚀产物研究指出，低温提高强度但降低塑性和断裂韧性，腐蚀动力学受抑制与否取决于具体化学环境；Rajput et al.发现海水腐蚀高于淡水，0至?10 °C抑制厚度损失；Shen et al.发现EH40在0 °C、3.5 wt% NaCl中14天腐蚀率高于室温，因多孔氧氯化物促进沉积下点蚀。5.2 Chloride-Induced Corrosion Process（氯化物诱导腐蚀过程）：通过盐度浸泡和点蚀研究指出，北极海水约3.2—3.5 wt% NaCl，腐蚀随氯浓度增加但近海水平台；高氯环境破坏钝化膜并加重局部腐蚀。5.3 Influence of pH variations on corrosion behavior（pH变化对腐蚀行为的影响）：通过海水pH和酸性浸泡研究指出，北极海水pH约7.8—8.2，低pH破坏钝化膜，pH<5显著加速腐蚀，点蚀、缝隙和沉积下局部酸化更重要，pH为次要放大因素。5.4 Role of dissolved oxygen in corrosive environments（溶解氧在腐蚀环境中的作用）：通过全因子实验和丝束电极研究指出，低温增溶解氧但减慢动力学，水线区氧供应加速早期腐蚀；Li et al.发现水线腐蚀初期受溶解氧控制，后期受氧扩散控制，γ-FeOOH和Fe₃O₄积累阻碍传输。5.5 Effects of ice–steel interactions on material integrity（冰–钢相互作用对材料完整性的影响）：通过冰磨蚀和摩擦腐蚀研究指出，海冰反复去除氧化层和锈层，暴露新鲜金属，EH47在砂嵌入冰磨损下腐蚀率大增；约30°冲击角可使锈层减薄。6 Experimental Methodologies for Arctic Steel Performance Evaluation（北极钢性能评估的实验方法）：作者指出当前方法多隔离变量，无法整合自然腐蚀与北极服役条件，并以层级框架区分环境真实性与实验控制。6.1 Immersion and salt spray corrosion testing（浸没与盐雾腐蚀测试）：通过盐雾、浸泡和拉伸研究指出，该类方法可加速氯致腐蚀，但无法复现极低温、冰磨和动态氧；Huang et al.发现局部腐蚀试样塑性和断裂应变下降更显著。6.2 Electrochemical corrosion testing（电化学腐蚀测试）：通过极化、电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）和开路电位研究指出，可高灵敏量化腐蚀动力学和钝化膜稳定性，但多在室温静态电解液中进行，可能过度加速。6.3 Tribo-corrosion and Abrasive Wear Assessment（摩擦腐蚀和磨料磨损评估）：通过球-盘、往复滑动和极化耦合研究指出，磨损-腐蚀协同损失超过单独磨损或腐蚀之和；温度、载荷、组织和磨料影响协同，但多数研究缺少零下、冻融和真实冰接触。6.4 Cyclic Mechanical and Environmental Testing（循环机械与环境测试）：通过循环载荷、低温疲劳、盐雾和循环大气腐蚀研究指出，腐蚀减薄、低温脆化和循环加载共同加速退化；Y. Sun et al.发现AH32腐蚀试样棘轮应变较低，Wang et al.发现EH36低温疲劳寿命下降，Li et al.在?40至20 °C循环盐暴露中观察到点蚀深度从约9 μm增至31.7 μm。6.5 Translating laboratory test results to arctic service conditions（将实验室测试结果转化到北极服役条件）：作者提出加速因子应基于质量损失、厚度减薄、点蚀深度分布、腐蚀产物形貌和力学性能变化；现场暴露挂片、仪器板及退役材料可用于校准和验证。6.6 Comparative applicability of experimental methods（实验方法的比较适用性）：作者认为无单一方法可复现全部北极条件，浸没/盐雾、电化学、摩擦腐蚀、循环测试和服役后评估各有互补价值，未来应组合低温度、腐蚀、力学载荷和冰表面破坏并验证。7 Conclusion（结论）：研究人员总结认为，腐蚀驱动老化不能由单一环境或机械变量充分表征；低温主要控制韧性和DBTT，氯化物、氧、局部腐蚀、循环载荷和冰致表面破坏控制退化萌生与扩展。腐蚀截面损失和局部损伤降低结构能力，低温和循环加速韧性损失、疲劳和裂纹发展，但效应随钢级、加工历史、暴露条件和测试方法显著变化，无法推导单一通用老化关系。现有测试简化真实条件，不能同时考虑循环冻结、盐暴露、机械载荷和电化学退化；长期服役数据稀缺且常不公开，退役船常被拆解。未来需建立共享数据库，推动从孤立加速测试转向校准、机理感知、多因素评估，并以现场暴露和服役后材料验证，支持概率寿命预测、维护规划和北极船舶长期结构完整性评估。