1. 大氣暴曬試驗(yàn)
耐候鋼具有的優(yōu)秀特性之一就是耐候性，然而為了知道暴露在大氣中的鋼材怎樣地被腐蝕則需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。如前所述，U.S.Steel公司在各個(gè)暴曬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的試驗(yàn)，該公司的Larabee關(guān)于合金元素的效果曾經(jīng)發(fā)表過(guò)圖1~圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)些圖可以知道，對(duì)大氣腐蝕最有效果的元素是銅，0.1%銅的鋼和0.01%銅的鋼其耐蝕性顯著不同。現(xiàn)把單獨(dú)添加其他合金元素時(shí)的效果分別總結(jié)如下。
對(duì)提高耐候性有顯著效果的元素：P、Cu、Cr;
對(duì)提高耐候性稍有效果的元素：Ni、Mo、V、Nb、Ti 等。
對(duì)提高耐候性沒(méi)有效果的元素：C、Si、Mn、S。
在這里重要的是：這些合金元素復(fù)合添加，可以獲得比分別單獨(dú)添加更高的雙重效果，Cr、P等與Cu共存最初發(fā)揮作用的結(jié)果表示在圖2~圖4。復(fù)合添加的代表是U.S.Steel公司開(kāi)發(fā)的添加了Cu-P-Cr-Ni的COR-TEN鋼，把這種鋼的耐候性與碳素鋼及含銅鋼的進(jìn)行比較，結(jié)果表示于圖5。
日本與美國(guó)相比，一般來(lái)說(shuō)由于高溫、潮濕，大氣腐蝕嚴(yán)重，環(huán)境條件比較嚴(yán)酷。因此，日本各公司分別在不同環(huán)境條件的各地區(qū)進(jìn)行了暴曬試驗(yàn)，圖6及圖7分別示出了在腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷的工業(yè)地帶尼崎地區(qū)和環(huán)境比較好的半田園地帶的相模原地區(qū)所獲得的有關(guān)COR-TEN鋼的暴曬試驗(yàn)結(jié)果。如果根據(jù)這些圖來(lái)比較暴曬時(shí)間第7年的腐蝕減量時(shí)，尼崎地區(qū)的場(chǎng)合COR-TEN鋼只不過(guò)是碳素鋼的26%.如果改變方法來(lái)比較厚度減少到0.1mm的時(shí)間時(shí)，COR-TEN鋼為5年左右，在此以后腐蝕減量大為下降；而含銅鋼是2.5年，490MPa(50kg/m㎡)級(jí)高強(qiáng)度鋼是1年，碳素鋼是9個(gè)月，而且因?yàn)镃OR-TEN鋼以外的鋼種腐蝕一直沒(méi)有發(fā)生鈍化，所以使其差別進(jìn)一步增大。在進(jìn)行鋼鐵結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)時(shí)，如果考慮鋼材銹所起到的作用，人們將會(huì)容易理解耐候鋼的優(yōu)越性。
半田園地區(qū)與工業(yè)地區(qū)相比腐蝕量顯著減少，所以耐候鋼和碳素鋼的腐蝕量的差別不太大，然而這是由于大氣中所含的二氧化硫濃度在工業(yè)地區(qū)高的原因。
2. 環(huán)境因子對(duì)大氣腐蝕的影響
像尼崎和相模原地區(qū)在大氣腐蝕上的差別那樣，鋼鐵的含銅鋼大氣腐蝕受氣候要素（氣溫、濕耐候鋼度、降雨量等）或大氣污染因子（二氧化硫、海鹽粒子、沉積煤塵等）等環(huán)境因子的影響。
通過(guò)這些公式可以說(shuō)，在任何公式中二氧化硫濃度的影響最大。根據(jù)福井等的研究，如果把（4)、（5)、（6)各式和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較時(shí)，如表3出示的式（6)的簡(jiǎn)略式的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常一致，表明鋼鐵的大氣腐蝕事實(shí)上可以作為二氧化硫濃度的函數(shù)求出來(lái)。
3. 關(guān)于耐候性的考察
如果把不銹鋼暴露在大氣中時(shí)，就會(huì)在表面上生成穩(wěn)定而且很薄的氧化覆膜（鈍化覆膜），以后不再被氧化，永遠(yuǎn)不會(huì)失去光澤，可是把候鋼放在大氣中進(jìn)行暴曬時(shí)則生成銹，和碳素鋼的外觀完全不同。而且在腐蝕進(jìn)行中一旦生成某種程度的銹層時(shí)，耐候鋼的銹層就會(huì)對(duì)腐蝕起保護(hù)作用，顯著地抑制以后的腐蝕，然而因?yàn)樘妓劁摰匿P層沒(méi)有這樣的抑制效果，在腐蝕量上產(chǎn)生差異，所以當(dāng)然認(rèn)為耐候鋼的特長(zhǎng)就在于這種銹層的保護(hù)效果。
關(guān)于這一點(diǎn)，耐候鋼和碳素鋼是同樣的，如圖8所示，在腐蝕初期耐候鋼的銹的生成較快?？墒请S著長(zhǎng)時(shí)間暴曬，初期的紅銹在大氣干濕交替之中，在鄰接鋼的表面部分慢慢形成帶有藍(lán)色的銹層，一般也被稱為“自涂漆鋼”。
像上述那樣進(jìn)行直觀的考慮時(shí)，可以認(rèn)為在耐候鋼上因為能形成致密而且粘附性良好的銹層，所以能夠阻礙水、氧、二氧化硫等腐蝕性物質(zhì)的滲透。例如Cadius和Schulz[6]就認(rèn)為鋼中含有銅時(shí)，在褐色銹的下面能生成致密的CuO和FeO、Fe2O3·H2O混合的黑色銹層，在黑色銹層下面進(jìn)一步形成Cu·CuO層，通過(guò)這種致密銹的保護(hù)作用提高了耐蝕性。
但是，根據(jù)Mayne7的觀點(diǎn)，即使有致密銹層的存在也難以認(rèn)為能夠充分阻止水和氧的透過(guò)，像涂膜之類的物質(zhì)，鋼鐵腐蝕所需要的水分、氧等的透過(guò)速度越充分腐蝕能力越大，所以好像還不能說(shuō)銹層阻止透過(guò)的能力超過(guò)涂膜。
Copson 注意到圖1出示的銅對(duì)鋼鐵的大氣腐蝕的影響顯著，研究了鋼中的銅量和銹層的化學(xué)組成之間的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示，通過(guò)添加微量0.05%Cu,銹層中的SO4-已達(dá)到飽和，所以認(rèn)為銅和SO4-按一定比例生成的絡(luò)鹽形成了致密層，可是難點(diǎn)是一直沒(méi)有掌握絡(luò)鹽的實(shí)質(zhì)。
如上所述可知，耐候鋼的所謂的穩(wěn)定銹層由于致密所以抑制了水或氧的滲透，大體上能完全阻止后續(xù)的腐蝕反應(yīng)，可是關(guān)于含有Cu、Cr、P等的耐候鋼上為什么能生成致密的銹層，并且所謂這種致密性是什么東西？實(shí)際情況一直沒(méi)有確切的說(shuō)明。在日本以學(xué)振97委員會(huì)為中心，積極進(jìn)行了試圖闡明耐候鋼特長(zhǎng)的研究，已經(jīng)知道有久松·增子、下平、岡田·細(xì)井等、松島·上野、小若·佐武等以及轟·門(mén)等的研究。
岡田等用X射線衍射、斷面顯微鏡觀察、XMA、鐵銹試驗(yàn)、銹層的電解還原等方法，研究了耐候鋼和碳素鋼的銹層特征。其結(jié)果是：（1)耐候鋼經(jīng)5年的暴曬材的銹層在鐵基體上幾乎沒(méi)有FeOOH存在的部位，在FeOOH層和鐵基體之間能觀察到非常致密的層。相反，在碳素鋼的銹層上能夠觀察到FeOOH存在的部位，而且裂紋也多；（2)如果綜合X射線衍射和電解還原法的結(jié)果，在耐候鋼的銹的下層存在的致密層是由X射線非晶質(zhì)的尖晶石型氧化鐵構(gòu)成的；（3)根據(jù)XMA檢測(cè)，在耐候鋼中所含有的Cu、Cr、P等有效添加元素在銹下層的致密層中濃縮，根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果銹層的構(gòu)造可以用模式圖表示在圖10,并且在耐候鋼中所含有的Cu、Cr、P有效添加元素等在紅銹層（FeOOH)的下面濃縮，對(duì)穩(wěn)定非晶質(zhì)的類似于磁鐵礦的銹層有效果，認(rèn)為這種非晶質(zhì)銹層是耐候鋼的防蝕作用的本質(zhì)。
轟·門(mén)等所進(jìn)行的耐候鋼銹層結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，用X射線衍射檢測(cè)出了α-FeOOH、y-FeOOH及Fe3O4,雖然和碳素鋼相比沒(méi)有變化，可是在XMA面分析上看到了Cu、Cr、P以及S的濃縮，特別是硫的濃縮比碳素鋼顯著。就是說(shuō)，碳素鋼的硫的濃縮在外層部分多，而耐候鋼的S的濃縮在全體銹層中均勻分布，而且與碳素鋼相比硫的濃縮相當(dāng)多（參照照片1、2).該結(jié)果與Copson所說(shuō)的越是耐候性優(yōu)秀的鋼其銹層中含有的硫酸鹽越多的研究結(jié)果（圖9)一致。
根據(jù)轟等的研究，如表4所示，耐候鋼銹內(nèi)層的硫濃度達(dá)到0.45%,相當(dāng)于基體鐵中硫含量的20倍以上，所以認(rèn)為大部分硫是大氣中的SO2形成硫酸鹽后被固定下來(lái)的。Chandler 等敘述了在大氣暴曬材的銹層中含有4%S04-離子，其中可溶性硫酸鐵借助于內(nèi)層大量存在著，Schwarz像圖11那樣確認(rèn)了在基體鐵表面上形成了FeSO4'nH2O,并且Tanner在被銹覆蓋的基體鐵的很淺的凹痕處發(fā)現(xiàn)了FeSO4·4H2O,認(rèn)為這個(gè)凹痕是局部腐蝕反應(yīng)的陽(yáng)極點(diǎn)。Evans 也談到金屬表面的間隙部裂紋等也變成了陽(yáng)極，SO4-離子向那些部分遷移形成了硫酸鐵。
松島用放射性影法研究了銹層缺陷的分布，發(fā)現(xiàn)耐候鋼缺陷部（活性點(diǎn)、陽(yáng)極部分）少。他們根據(jù)這一結(jié)果得出結(jié)論，帶有銹層的鋼的腐蝕是通過(guò)缺陷部分借助腐蝕性物質(zhì)的滲透進(jìn)行的。
綜合考慮以上結(jié)果，大氣腐蝕反應(yīng)的第一階段是在硫酸鹽的環(huán)境下進(jìn)行的。其理由是，在這樣的條件下只能生成硫酸亞鐵，雖然也能通過(guò)銹層向基體鐵充分供給氧，可是不被氧化能夠穩(wěn)定地存在，以及從存在于銹層中的硫酸亞鐵的含水量少來(lái)看，是由于腐蝕環(huán)境處在比較高的溫度。例如已經(jīng)知道4水鹽在60℃生成，認(rèn)為在實(shí)際的大氣暴曬的日照條件下，溫度上升到這種程度非常容易實(shí)現(xiàn)。
在以上的銹層／基體鐵界面上進(jìn)行腐蝕時(shí)，關(guān)于其腐蝕氣氛保持酸性的理由，可以考慮Schikorr 提出的循環(huán)反應(yīng)的理由，即通過(guò)以下的反應(yīng)保持酸性：
在這里，對(duì)判定鋼的耐候性的模型實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在硫酸溶液中測(cè)定腐蝕特性的方法是合適的。這種實(shí)驗(yàn)轟等。
曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)，在98%硫酸中比較耐候鋼和碳素鋼的腐蝕量時(shí)，如圖12所示，經(jīng)過(guò)4周浸泡沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鋼種的差異，可是浸泡時(shí)間超過(guò)4周以上時(shí)，耐候鋼的腐蝕速度顯著降低，與碳素鋼的差異增大，發(fā)現(xiàn)和實(shí)際暴曬試驗(yàn)的結(jié)果完全一致。他們也測(cè)定了98%硫酸中的極化特性，陽(yáng)極極化耐候鋼和碳素鋼相同，可是隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)極化明顯增大，和碳素鋼的差別顯著。進(jìn)一步確定了耐候鋼在98%硫酸中生成的容易剝離的腐蝕生成物和碳素鋼的場(chǎng)合相同，都是FeSO4·nH2O(n=2.1及2.5),不存在Cr、Cu等，在溶液中也幾乎不析出，并且確認(rèn)了在耐候鋼的場(chǎng)合，這種硫酸鐵層下面存在有Cu、Cr等濃縮后的非常薄的氧化膜（參照表5)。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)看，在濃硫酸中的腐蝕特性和大氣腐蝕非常對(duì)應(yīng)，可以推論在硫酸鐵／基體鐵界面上形成的非常薄的覆膜（鈍化覆膜）支配著耐蝕性。轟等進(jìn)一步在5%硫酸中通過(guò)外部電流給與鈍化電位的條件下使鋼表面形成鈍化覆膜，用CI-離子破壞這種覆膜，測(cè)定電流－時(shí)間曲線時(shí)，得到像圖13那樣的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)越是耐蝕性優(yōu)秀的鋼鈍化覆膜越穩(wěn)定，并與大氣腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果很一致。
如果這樣來(lái)考慮的話，低合金鋼的大氣腐蝕則受基體鐵表面上形成的Cu、Cr等濃縮的非常薄的覆膜的陽(yáng)極反應(yīng)支配，可以說(shuō)耐候鋼的特長(zhǎng)就是這種陽(yáng)極反應(yīng)的抑制效果。該觀點(diǎn)與上述的岡田等的模型（圖10)中，把Cu、Cr、P等濃縮的非晶質(zhì)的磁鐵礦類似層作為耐候鋼防蝕的本質(zhì)的觀點(diǎn)也很一致，二者都提示有鈍化覆膜的存在是極其令人感興趣的問(wèn)題。
