本文关注低合金高强钢在海洋大气环境中的应力腐蚀(SCC)问题,通过基于SCC机理的微合金元素设计来降低海洋工程中低合金高强钢的SCC风险。首先采用真空冶炼和热机械轧制技术制备了不同Nb和Sb元素含量的微合金化高强钢,利用微观组织分析、电化学和周浸实验评估了微合金化高强钢的组织结构和耐蚀性,随后采用恒载荷U弯暴露实验和慢应变速率拉伸(SSRT)方法重点分析了微合金化高强钢在SO2污染海洋大气环境中SCC行为和机理,同时通过各种表征手段阐述了 Nb和Sb微合金元素对高强钢耐SCC性能的影响,最后利用电化学充氢实验进一步研究了微合金化高强钢在SO2污染海洋大气环境中预充氢条件下的抗SCC能力。研究结果表明,Nb和Sb微合金化处理对低合金高强钢的微观结构和耐蚀性没有负面影响,具备提升高强钢在SO2污染海洋大气环境中抗SCC能力的前提条件。Nb元素能够减缓阴极析氢过程,抑制腐蚀初期蚀坑的形成,减轻基体表面坑底组织结构的选择性溶解,但难以有效地改善腐蚀后期锈层的性质;Sb元素能够促进Cu和Cu氧化物的沉积过程,并形成Sb2O3/Sb2O5与Cu及其氧化物聚集在锈层内侧,通过与Cu元素协同作用抑制阴阳极过程,促进腐蚀后期γ-FeOOH相向α-FeOOH相的转变,增强锈层保护性,降低Cl-和SO42-的富集程度,提高高强钢的耐蚀性。Nb和Sb微合金化处理能够协同抑制高强钢在SO2污染海洋大气环境中的阳极溶解(AD)和氢脆(HE)机制,降低电化学活性、改善锈层性质并缓解组织结构开裂的倾向,从而提高低合金高强钢在S02污染海洋环境中的抗SCC性能。Nb元素通过形成NbC纳米析出相来改善组织结构并减小阴极充氢电流密度,从而降低原奥氏体晶界和贝氏体板条界的氢致开裂敏感性;同时可以抑制氢增强局部塑性机制并增加裂尖周围(111)晶面的比例,降低裂纹扩展动力。Sb元素能够与钢中Cu元素协同抑制电化学阳极活化溶解和阴极析氢过程,同时以难溶性氧化物的形式富集在内锈层中提高锈层保护性,改善Cl-和SO42-的分布,减轻局部AD和HE作用,抑制锈层下的裂纹萌生和扩展过程。通过强化氢在SCC过程中的作用发现,Sb元素对钢中氢行为的影响较弱,难以有效地降低高强钢在SO2污染海洋大气环境中预充氢条件下的SCC敏感性。Nb元素能够较好地控制钢中氢的行为,其效果随着析出温度的不同而变化。与750℃相比,920℃析出温度下Nb微合金化能够在钢中形成大量均匀分布的NbC纳米析出相,降低PAGB尺寸和提高LAGB 比例,有效地增加钢中可逆和不可逆氢陷阱,降低可扩散氢浓度,抑制氢致裂纹的萌生和扩展,显著提高预充氢条件下的SCC抵抗力。750℃处理后组织中出现的马氏体/铁素体界面容易成为氢致裂纹萌生和扩展的优先路径,进一步降低高强钢SCC抵抗力。0.06%Nb和0.1%Sb复合微合金化设计搭配合适的组织结构调控不仅能够提高高强钢的耐大气腐蚀性,更能协同提升其在SO2污染海洋大气环境中的抗SCC性能。由此可见,针对SCC机理进行微合金化设计和组织结构调控有助于降低SCC风险,这一新方法的提出对解决低合金高强钢在海洋环境中的SCC问题具有重大意义。