微生物加速高強鋼應力腐蝕開裂機理研究取得進展

　　【儀表網 研發快訊】在“碳達峰、碳中和”目標和氫能基礎設施快速發展的背景下，管線鋼被廣泛應用于油氣與氫能等新能源輸送工程。然而，在服役環境中，材料不僅長期承受復雜的力學載荷，還同時受到環境介質和微生物活動的共同作用，其中尤以硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)誘發的微生物腐蝕問題最為突出，已成為威脅管道安全運行和服役壽命的關鍵影響因素之一。然而，長期以來SRB代謝活動引發的局部腐蝕、氫滲透以及力學性能退化之間如何相互耦合，其主導機理及隨服役條件演化的規律仍缺乏系統而清晰的認識。
 

　　近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心科研團隊聯合新加坡南洋理工大學，系統揭示了SRB誘發高強管線鋼應力腐蝕開裂的微觀機理及其動態演化規律。研究發現，在腐蝕初期，SRB 通過代謝活動顯著加速鋼表面的局部陽極溶解，并促進氫的產生與滲透，從而協同提高材料的應力腐蝕開裂敏感性。隨著腐蝕過程的推進，SRB代謝誘導在鋼表面形成富含FeS的生物腐蝕膜。研究進一步揭示，該膜層在應力腐蝕過程中呈現出“雙重作用”：一方面，膜下腐蝕性和代謝產物的聚集以及其孔隙結構會加劇局部腐蝕發展，為裂紋萌生提供應力集中源；另一方面，在外加陰極保護條件下，該膜又憑借其特有的半導體特性顯著抑制氫在鋼中的吸附與擴散。電化學氫滲透實驗表明，隨著膜厚度增加，氫有效擴散系數和表觀氫濃度大幅降低，氫滲透阻抗因子顯著提升。力學試驗結果進一步證實，在陰極極化條件下，腐蝕產物膜能夠有效緩解氫脆，使應力腐蝕開裂主導機制由氫脆向陽極溶解主導轉變。該研究系統揭示了SRB生理代謝在應力腐蝕開裂過程中的動態演變作用，厘清了微生物腐蝕、氫滲透與力學失效之間的內在關聯，為科學評估管線鋼的長期服役安全性提供了機理依據，也為微生物環境中高強鋼結構的防護策略設計提供了重要理論支撐。
 

　　該項研究成果以 Micromechanisms of stress corrosion cracking induced by sulfate-reducing bacteria in a high-strength low-alloy steel 為題，發表于Acta Materialia(305, 2026, 121846)，金屬所2022級博士生閆孟弟為論文第一作者，韋博鑫副研究員以及新加坡南洋理工大學Upadrasta Ramamurty教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金青年基金C類資助。

 

　　圖1. X80 鋼的微生物腐蝕行為：(a) 腐蝕速率；(b) 蝕坑深度的統計分析；(c) 最大點蝕坑的 SEM 形貌及對應的三維表面輪廓。
 

　　圖2. 微生物腐蝕產物膜覆蓋下 X80 鋼的氫滲透行為：(a) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極極化條件下的氫滲透電流密度–時間曲線；(b) 有效氫擴散系數(Deff)；(c) 表觀氫濃度(Capp)。
 

　　圖3. 微生物腐蝕產物膜覆蓋下 X80 鋼的應力腐蝕開裂敏感性測試結果：(a, c) 無陰極保護(CP)條件下 X80 鋼的應力–應變曲線及 SCC 敏感性；(b, d) 在 −1.1 V vs. SCE 陰極保護(CP)條件下 X80 鋼的應力–應變曲線及 SCC 敏感性。
 

圖4. 生物FeS膜在 SRB 環境中調控X80鋼應力腐蝕開裂的機理示意圖。