北科李晓刚团队JMST：揭示稀土La对耐候钢耐蚀性影响和机理

2025-08-18 13:45:52 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

传统通过在耐候钢中添加昂贵的Ni、Cr、Cu和Mo等合金元素来改善其力学性能和耐腐蚀性的方法通常会提高钢材的制造成本，而稀土La在国内的储量充足且价格低，有望成为优化耐候钢性能的更经济改善方法。现阶段已有关于稀土对低合金钢耐腐蚀性影响的研究，但稀土元素在锈层中的存在状态和其对锈层结构及耐腐蚀性的影响机制尚未完全明确，因此需要深入研究稀土元素对低合金钢耐腐蚀性的作用和机制。

近日，北京科技大学的李晓刚教授团队研究了不同La含量的耐候钢在锈层中的状态及La对耐候钢耐腐蚀性的作用，揭示了稀土在耐候钢中的防腐机制。研究结果于2025年7月29日以“Revealing the beneficial effect and mechanism of rare earth La on the corrosion resistance of weathering steels”为题发表在国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》上。

文章链接：

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

【核心内容】

该研究发现少量La（0.008%-0.052%）能显著提升耐候钢耐腐蚀性，缓解局部腐蚀并改善强韧性，大于0.052%的过量La添加则效果会减弱甚至有害。其机制是La在腐蚀初期促进γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄形成并后期促进α-FeOOH转化，有利于形成富Cr致密膜，且La₂O₃纳米氧化物作为α-FeOOH成核位点能起到腐蚀抑制和pH缓冲作用。

图形摘要

【研究方法】

研究制备了0La、0.008%La、0.052%La和0.070%La的4种不同La含量的耐候钢，通过光学显微镜观察微观结构，拉伸实验测力学性能，采用电化学工作站测试极化曲线和EIS并按TB/T2375-1993标准进行循环腐蚀试验，结合XRD、XPS、FIB/TEM分析锈层，另外，利用了腐蚀大数据监测传感器收集瞬态腐蚀电流。

腐蚀监测传感器原理图及实物示意图

【研究成果】

① 力学性能的影响

La微合金化能延迟珠光体转变并促进贝氏体转变，形成粒状贝氏体组织，少量添加La可大幅提高耐候钢的强度和延展性，且所有参数均符合GB/T 714-2015标准要求。其中，0.052La钢的屈服强度达449MPa，抗拉强度达624MPa，力学性能最优。

不同La含量的四种钢的光学显微组织：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La

四种耐候钢在室温下的工程应力应变曲线

② 耐腐蚀性及局部腐蚀的影响

少量La添加能显著提升耐候钢在模拟工业环境中的耐腐蚀性，在20–30天循环腐蚀后，含La钢的腐蚀速率较无La的Q345钢降低23%-30%，含La钢的腐蚀坑更小更浅，直径多低于20μm，而Q345钢出现大尺寸腐蚀坑，直径可达200μm，深度 50μm。但La添加量超过0.052%时其对耐腐蚀性的提升作用会减弱甚至产生不利影响。

四种耐候钢在模拟工业溶液中不同周期循环腐蚀后的(a)平均腐蚀速率和(b)重量损失

不同钢在不同周期循环腐蚀后的基体腐蚀形态：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La。下标1-4分别代表5、10、20和30天

各种钢材经过不同周期循环腐蚀后的三维腐蚀图像：(a) Q345, (b) 0.008La, (c) 0.052La, (d) 0.070La。下标1-4分别代表5、10、20和30天

不同型钢经不同周期循环腐蚀后的K值及个别腐蚀坑的分布，每个点代表腐蚀坑的K值和体积

③ 对锈层结构的调控作用

La可通过调控锈层物相和结构提升耐腐蚀性，腐蚀初期La促进γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄形成，后期促进α-FeOOH转化，使0.052La钢的α-FeOOH与γ-FeOOH、γ-Fe₂O₃/Fe₃O₄的比值（α/γ*）达到约3.2，锈层更致密。同时，La有利于在最外层锈层形成富Cr致密膜（含FeCr₂O₄、Cr₂O₃），该膜能有效阻碍腐蚀性离子渗透，这种双层致密锈层是含La钢耐腐蚀性优异的重要原因。