中科院金属所Acta: SRB诱发应力腐蚀开裂微观机制揭示——高强低合金钢在微生物腐蚀环境中氢行为及裂纹萌生

2026-01-09 15:12:56 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

在油气输送管线、海洋工程与地下设施等领域，高强低合金钢因其高强度、良好韧性与成熟的工业体系带来的成本优势被广泛应用。然而，在含硫酸盐还原菌（SRB）的厌氧环境中，微生物诱发腐蚀（MIC）与应力腐蚀开裂（SCC）协同作用会给钢材带来的严重失效风险。目前传统的SCC研究多聚焦于纯化学或电化学环境，事实上微生物活动对局部化学环境、氢行为及裂纹萌生机制有明显的影响，而相关机制长期缺乏系统认知。

中科院金属所联合中国科学技术大学与新加坡南洋理工大学于2025年12月18日在腐蚀领域的国际期刊《Acta Materialia》在线发表了题为“Micromechanisms of stress corrosion cracking induced by sulfate-reducing bacteria in a high-strength low-alloy steel”的研究论文，该论文的工作系统揭示了硫酸盐还原菌（SRB）参与条件下，高强低合金钢发生应力腐蚀开裂（SCC）的微观起源与演化机制。研究从电化学行为-腐蚀产物-氢行为-裂纹扩展路径的多尺度角度，阐明了微生物活动如何显著加速高强钢的灾难性失效，为服役于海洋、油气与地下环境中的结构钢安全评估提供了重要理论依据。论文的通讯作者为中科院金属所韦博鑫副研究员和南洋理工大学的Upadrasta Ramamurty教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121846

【核心内容】

在这项研究中，团队系统研究了硫酸盐还原菌（SRB）参与条件下高强低合金钢应力腐蚀开裂（SCC）的微观机理，重点揭示微生物代谢、电化学反应与力学响应之间的耦合关系。研究表明，SRB通过诱导FeS构型的生物腐蚀产物与生物膜的形成，重构钢/液界面的电化学环境，增强阴极反应活性并促进原子氢的生成与渗入。裂纹优先在SRB诱导形成的腐蚀坑底部萌生，并在氢致脆化与外加应力的协同作用下呈现沿晶界与穿晶并存的混合扩展模式。进一步的氢渗透实验表明，随着腐蚀过程推进，FeS腐蚀膜对氢扩散行为产生阶段性调控，使SCC机制呈现动态演化特征。

图形摘要

【研究方法】

团队选用高强低合金钢（HSLA steel）作为研究对象，在含硫酸盐还原菌的培养介质中，通过：慢应变速率拉伸（SSRT）评估SCC敏感性，开路电位（OCP）与极化测试分析电化学行为，SEM/EBSD/TEM表征裂纹形貌与微观组织，XRD与EDS分析腐蚀产物组成，断口分析揭示裂纹扩展模式，系统构建了SRB参与下应力—腐蚀—氢行为耦合的失效机理图景。

【研究成果】

① SRB显著提升高强钢的应力腐蚀开裂敏感性

SSRT结果清晰表明，在硫酸盐还原菌（SRB）参与的腐蚀环境中，与无菌环境相比，试样的断裂时间明显缩短，断后伸长率显著降低，表明材料的塑性变形能力受到严重抑制，材料在弹塑性转变后迅速进入失稳断裂阶段。