桥梁缆索钢应力腐蚀开裂：氢脆主因-阳极溶解协同International Journal of Hydrogen Energy

研究背景

桥梁缆索钢是悬索桥的核心承力部件，但其长期暴露于潮湿、含腐蚀性介质（如硫氰酸铵）的环境中，易发生应力腐蚀开裂（SCC），导致突发性断裂风险。SCC的机理主要聚焦于两种机制：

• 氢脆（Hydrogen Embrittlement, HE）：氢原子渗入钢材晶格，引发脆性断裂；

• 阳极溶解（Anodic Dissolution, AD）：金属表面因电化学反应被局部腐蚀，导致有效截面积减少。

本文作者通过电化学测试、力学性能分析、热脱附分析（TDS）、微观形貌等，系统揭示了20%wt NH₄SCN溶液（FIP溶液）中桥梁缆索钢的SCC主导机制。

核心发现

1. 氢脆（HE）是SCC的主导机制

（1）氢含量与断裂时间强相关：

• 未施加防护时，钢缆氢吸收量达4.99 ppm，断裂时间为26.1小时；

• 施加50 A/m²阳极电流后，氢含量降至0.2 ppm，断裂时间延长76%至46.1小时（图4e-f）。

（2）电化学特征稳定：

• 腐蚀电位（Ecorr）稳定于-0.83 V（vs. SCE），极化电阻（Rₚ）从372.3 Ω·cm²骤降至14.69 Ω·cm²（表2），表明氢渗透主导反应动力学。

2. 阳极溶解（AD）的协同破坏效应

（1）高电流密度下的局部腐蚀：当施加100 A/m²阳极电流时，钢缆直径从7 mm缩减至6 mm（图7d），表面形成锯齿状腐蚀坑（图8d-f），有效截面积损失30%；

（2）腐蚀电位：正向偏移至-0.26 V（vs. SCE）（图5d），珠光体中的铁素体相优先溶解，残留渗碳体导致材料脆性增加。

3. 氢脆与阳极溶解的鉴别特征

TDS测氢技术-量化氢渗透

热脱附分析（TDS）氢含量测试，流程如下：

• 样品制备：钢缆样品（直径7 mm）经盐酸去除镀层，避免干扰（表1）；

• 氢充入方式：阴极极化（-50 A/m²）、浸泡（0 A/m²）、阳极极化（+50 A/m²）（图3a）。

• 加热与检测：样品以100°C/h加热至850°C，氩气载气释放的氢至色谱仪（图3b）；

• 数据验证：重复实验误差<0.1%，阴极极化后氢含量达6.91 ppm（图4f）。

工程启示：桥梁缆索钢的防护策略

• 阳极电流主动防护是否可以？施加20 A/m²阳极电流，氢含量降至0.2 ppm，断裂时间延长至135.8小时；

• 定期氢含量监测？：结合TDS技术与断口SEM分析或其他技术，是否可以实时监控氢脆风险？

• 腐蚀形貌快速诊断？：表面出现腐蚀坑或直径缩减>10%时，优先排查AD机制，采取局部涂层修复。

参考文献

Zhang Z, et al. Stress corrosion cracking mechanisms in bridge cable steels: Anodic dissolution or hydrogen embrittlement. International Journal of Hydrogen Energy 97 (2025) 46–56.

DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.408