极地新疆域被纳入新时代国家安全范畴，其丰富自然资源、高价值航运和特殊地理位置关乎全球能源通道安全和各国军事安全。极地战略，装备先行。极地船舶是到达极地海洋目标区域并开展相关作业的基本条件，属于关键基础装备^[1,2]。在材料方面，极地船用钢的研究集中于低温对钢材力学性能的影响^[3,4]。而面对海冰水-极地微生物-低温复杂苛刻环境，极地船用钢的腐蚀和磨损腐蚀是实现船舶结构长期耐久性的挑战之一，其应用性能亟待被全面评估^[5,6]。

船用钢在海洋环境的腐蚀行为受到海水温度和微生物等环境因素的影响。随着海水温度的下降，船用钢的腐蚀速率并没有显著降低。低合金钢在北极海域平均3.4 ℃的海水中浸泡60 d的腐蚀速率约为0.22 mm/a^[7]。钢材在德国黑尔戈兰岛9 ℃海水中浸泡3.5 a后腐蚀速率为0.42 mm/a^[5]。海洋微生物的生命代谢活动将改变材料腐蚀行为。据报道，M.maripaludis微生物加剧了EH40钢的腐蚀和点蚀^[8]。Lu等^[9]研究表明H.titanicae微生物将加速EH40钢在脱氧海水中的腐蚀。在极地环境，低温和特殊微生物对船用高强钢的腐蚀影响尚未可知，需要开展相关研究并积累基础数据。

极地船舶与海冰介质摩擦过程中表面磨损和腐蚀介质的共同作用将加速船用钢的破坏。一方面，低温导致船用钢的耐磨损性能劣化。碳钢在常温下的干摩擦系数约为0.45~0.58，而在0 ℃以下低温环境的摩擦系数高达0.75~0.90^[10]。FH40钢的干摩擦系数和磨损量也随着环境温度从20 ℃降低到-20 ℃而明显增加^[11]。另一方面，不同材料在海水中的磨损-腐蚀耦合程度存在差异。复合钢板的复层材料在3.5% (质量分数) NaCl中的磨损体积远低于基层钢板^[6]。γ-FeOOH氧化层钢样、原始钢样、Fe₃O₄氧化层钢样在3.5%NaCl溶液的耐磨蚀性能依次变高^[12]。然而，船用钢在含微生物模拟海水中的磨蚀行为及磨损钢样的后续蚀损研究相对空白。

本文选择FH40船用高强钢作为研究对象，利用4 ℃含嗜冷杆菌培养基和海水混合液作为极地海域模拟溶液，探究了船用钢的腐蚀与磨蚀服役行为。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了FH40钢的微观结构，通过浸泡实验和电化学测试研究了其腐蚀行为规律，其磨蚀行为和机理则经由往复摩擦磨损测试进行评估，利用SEM、EDS和X射线衍射(XRD)解析了其腐蚀产物，并采用白光干涉仪分析了腐蚀形貌、磨痕形貌和表面蚀坑。

本实验采用的材料为FH40钢，其化学成分(质量分数，%)为：Si 0.24、Mn 1.51、C 0.055、Al 0.032、Cr 0.17、Ni 0.43、Nb 0.018、V 0.025、S 0.02、Fe余量。从钢板切取10 mm × 10 mm × 2 mm的块状样品用于微观组织观察。依次使用80、320、800、1200、2000、3000目水磨砂纸打磨样品，随后用1 μm金刚石膏抛光至镜面，最终在体积分数为4%的硝酸酒精中侵蚀10 s。利用配备EDS (Xplore 30)的SEM (Sigma 300)观察FH40钢的微观组织特征。如图1所示，FH40钢是由多边形铁素体(F区域)和珠光体(P区域)结构为主，珠光体组织均匀分布在铁素体基体中间，钢中存在少量含Al、Ti、Si的常见夹杂物。

浸泡腐蚀实验样品尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm，实验周期为30 d，实验温度为4 ℃，将含嗜冷杆菌的2216E液体培养基和模拟海水(NaCl 24.35 g/L、MgCl₂ 5.20 g/L、NaSO₄ 4.09 g/L、CaCl₂ 1.16 g/L、KCl 0.695 g/L、NaHCO₃ 0.201 g/L、KBr 0.101 g/L、H₂BO₃ 0.027 g/L、SrCl₂ 0.025 g/L、NaF 0.003 g/L)按3：7体积比进行混合，用于模拟极地海水环境，溶液体积和试样表面积之比为0.5 mL/mm²。利用扫描电镜和能谱仪(SEM/EDS，Sigma 300/Xplore 30)观察浸泡试样腐蚀产物的表面和截面形貌。使用Rigaku Ultimate IV型XRD分析腐蚀产物的物相组成，靶材为Co靶，扫描速率为4 (°)/min，扫描范围为10°~70°。随后，采用失重法测定FH40钢的腐蚀速率，将样品超声除锈后称重，除锈液为500 mL H₂O + 500 mL HCl + 3.5 g六次甲基四胺，腐蚀速率计算公式如 式(1)所示。最后，利用白光干涉仪(Contour GT-X3)观察样品表面腐蚀形态。

式中，V为试样的腐蚀速率(mm/a)，Δm为试样浸泡前后的质量差(g)，ρ为试样的密度(g/cm³)，A为试样与溶液接触的表面积(cm²)，t为浸泡时长(h)。

电化学样品背面与铜导线连接并用环氧树脂进行密封，裸露表面积为1 cm²。实验在模拟极地海水环境中进行。电化学测试采用 Interface 1000型电化学工作站，工作电极为FH40钢，辅助电极为Pt片，参比电极则为饱和甘汞电极(SCE)，电解质体积为150 mL，温度为4 ℃。实验前，所有工作电极样品均经过砂纸研磨至5000目，随后利用乙醇和超纯水冲洗去除表面污染物。样品在未浸泡和浸泡7 d后分别进行电化学测试。首先将三电极稳定在测试溶液中10 min，监测开路电位(OCP)随时间的变化。随后进行电化学阻抗谱(EIS)测试，扰动电位为10 mV，测量频率范围为10⁵~10^-2 Hz。最后动电位极化测试在-0.3~0.5 V vs. OCP的电位范围内进行，恒定扫描速率为1 mV/s。

磨损腐蚀试验试样尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm，通过UMT-3 TriboLab多功能摩擦磨损试验机进行往复摩擦。摩擦载荷为10 N，频率为2 Hz，时间为1 h，摩擦副材料为直径8 mm的氧化铝球。记录不同载荷与时间情况下的摩擦系数，并称量试样在实验前后的质量。摩擦试验后，采用白光干涉仪观察磨痕的三维轮廓，并利用SEM/EDS观察磨痕形貌及元素分布。为进一步研究摩擦对腐蚀的影响，将摩擦后的试样浸泡于模拟极地溶液中，浸泡时长30 d。利用SEM/EDS观察浸泡试样腐蚀产物的表面形貌，并利用白光干涉仪观察表面的腐蚀形态。

图1为FH40钢的微观结构及EDS结果。表1为FH40钢在模拟溶液中浸泡30 d后的质量变化及腐蚀速率。样品的质量损失较接近，由 式1计算得到的FH40钢在模拟溶液中浸泡30 d的平均腐蚀速率为(0.238 ± 0.005) mm/a，根据《金属防腐蚀手册》，其耐蚀等级为6级，尚耐蚀。高珍鹏等^[6]检测复合板基层FH40钢在35 ℃的3.5%NaCl溶液中浸泡30 d后腐蚀速率为0.084 g/(m²·h)，经过换算即为9.4 × 10^-5 mm/a，耐蚀等级为1级，完全耐蚀。本文中FH40钢的腐蚀速率远高于文献，这种现象主要归因于腐蚀溶液与温度的差异。为模拟极地溶液环境，本文选取北极海域典型海洋细菌嗜冷杆菌与模拟海水混合作为腐蚀介质。前期研究表明，4 ℃低温环境下，嗜冷杆菌将显著加剧钢材的均匀腐蚀和局部腐蚀^[13]。

图2和3分别展示出了FH40钢在模拟极地溶液中浸泡30 d后表面腐蚀产物的宏观和微观形貌。由图可见，试样表面生成红褐色或棕色锈层，紧靠金属基体一侧锈层颜色偏黑。SEM观察表明FH40钢表面呈现明显的腐蚀坑，由球状腐蚀产物和杆状嗜冷杆菌堆叠覆盖，存在疏松的孔洞。表面产物的主要元素组成为Fe、C、O、N、Si、Mn、Ni、Ca。由图3b可见，表面腐蚀产物膜厚度不均匀，较厚处厚度约为385 μm。腐蚀产物与基体的界面处存在明显的缝隙，产物内部则呈现疏松孔洞聚集的现象。这一结构特征说明产物膜的粘附力和致密性较差，有利于腐蚀性离子的侵入，从而加速局部腐蚀过程，降低腐蚀产物膜对基体钢材的保护作用。元素分布表明，Si在锈层中存在聚集现象，说明含Si夹杂物将影响钢材的腐蚀行为。

对FH40钢的腐蚀产物进行物相组成和比例分析，结果如图4所示。主要结晶相包括γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe₂O₃/Fe₃O₄。利用RIR半定量方法分析其主要相比例可知，腐蚀产物层中γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe₂O₃/Fe₃O₄占比分别为88.1%、6.2%和5.7%。通常而言，钢材表面腐蚀产物的保护能力主要依赖于其组成中的α-FeOOH相和具有相对致密结构的Fe₂O₃/Fe₃O₄。γ-FeOOH相则疏松多孔，电化学活性高，不仅难以阻挡腐蚀介质的侵入，还容易参与电化学阴极反应，加速局部腐蚀。因此，可以通过计算α*/γ比值来评价表面锈层的保护性好坏，其中α*代表α-FeOOH和Fe₂O₃/Fe₃O₄在锈层中所占比例的总和，γ代表γ-FeOOH锈层中所占比例^[14]。通过计算发现，FH40钢腐蚀产物膜的保护性评价指标为0.135。

FH40钢去除腐蚀产物后的表面三维光学轮廓如图5所示。FH40钢在模拟极地海水环境中呈现典型的局部腐蚀形态，蚀坑最大深度为50 μm，最大坑口直径约为200 μm。

FH40钢的电化学结果如图6所示。图6a显示试样在模拟极地海水环境中浸泡7 d后开路电位降低约0.12 V，说明样品在浸泡后具有更大的腐蚀倾向。图6b为动电位极化曲线，试样未浸泡时和浸泡7 d后的曲线形状基本一致。与未浸泡样品相比，试样浸泡7 d后阴极曲线明显右移，阳极曲线轻微左移，表明其阴极反应被促进而阳极反应被轻微抑制。从Bode图(图6c)可以看出，试样浸泡7 d后的阻抗模值降低。未浸泡试样在模拟环境中仅出现一个最大相位角峰值，而试样在浸泡7 d后于低频区域出现另外一个新的相位角峰值，反映试样受到表面腐蚀产物层形成的影响。图6d的Nyquist图表明试样在模拟极地海水环境中呈现容抗弧特征，且容抗弧半径在浸泡7 d后减小，意味着试样耐蚀能力的降低。

利用R(QR)和R(QR)(QR)等效电路分别为未浸泡和浸泡7 d试样进行拟合，结果如表2所示。其中各参数的定义如下：R_s为溶液电阻；R_f和R_ct分别表示腐蚀产物电阻和电荷转移电阻；CPE_f和CPE_dl分别表示腐蚀产物和双电层非理想电容的常相位角元件(CPE)。每一组拟合的χ²值均处于10^-4数量级，反映了等效电路具有较好的拟合质量。拟合结果中的电阻值代表了与腐蚀反应相关的离子迁移屏障，R_ct值在浸泡7 d后减小，表明试样浸泡7 d后的电化学活性得到提升，即耐蚀性降低。这与前述锈层的腐蚀保护性较差的现象相吻合。

图7显示的是FH40钢在模拟极地海水环境中摩擦时摩擦系数随时间的变化关系。由图可见，试样在整个试验过程中的平均摩擦系数为0.41 ± 0.01。考虑到试样的失重量与载荷、摩擦试验行程和时间有关，因此使用单位历程磨损失重率来评估材料的耐磨性能，计算方式如 式(2)所示，计算结果示于表3。

式中，P为单位历程磨损失重率，g/(N·m·s)；Δm为试样的平均失重量，g；F为实验载荷，N；L为磨损实验行程，m；t为磨损实验时间，s。根据样品在磨损腐蚀前后的质量损失，测得试样在模拟极地溶液中摩擦的单位历程磨损失重率为(4.1 ± 1.2) × 10^-5 g/(N·m·s)。

FH40钢在模拟极地海水溶液中摩擦后的表面形貌如图8所示。图8a中白色平行虚线内为磨痕区域，磨痕区域的形貌比磨痕外(研磨划痕)更加光滑，呈现出类似于抛光引起的结果。从图8b可知，磨痕区域展现明显的黑白相间衬度，由元素面分布图可知，白色区域为Fe、Ni富集区而黑色区域则为C、O富集区。该黑色膜层为试样在含微生物海水中生成的摩擦氧化膜，这与金属在含蛋白质溶液中摩擦生成深色摩擦膜的现象一致^[15]。图8c显示磨痕外试样研磨划痕的形貌，经过1 h模拟极地海水溶液的浸泡，划痕表面出现高密度细小腐蚀坑并附着少量球状腐蚀产物。利用能谱仪检测磨痕区域内、外的氧含量(图8d)，可见磨痕区域的氧含量约为磨痕外区域的7倍。磨痕区域的氧化现象明显，再次验证了摩擦氧化膜的形成。

在磨损腐蚀初期，FH40钢表面形成疏松且易剥落的腐蚀产物，在摩擦过程中与磨损碎屑一同被球头切削，由于未能被及时排出而随着运动附着在球头上。一方面，磨痕内的新鲜基体重新暴露于腐蚀溶液中，导致磨损区域表面所产生的腐蚀产物远多于未磨损区域；另一方面，附着的产物在推进过程中不断压实覆盖，堆叠在材料表面，使磨痕表面形成磨损腐蚀产物层。因此，在电化学反应、摩擦热和法向载荷的挤压作用下，磨痕内部被摩擦氧化层覆盖^[16]。值得注意的是，表面摩擦氧化层并非完全密实，从高倍数电镜照片中观察到其表面存在一些方向不一的细小裂纹。在摩擦过程中，这些细小裂纹使金属表面新鲜基体暴露于模拟极地海水中，使得基体发生进一步腐蚀。

FH40钢在模拟极地海水中摩擦属于电化学腐蚀磨损过程，根据材料被去除的特点，其机理为机械去除和腐蚀去除混合模型。一则表面摩擦氧化膜局部被磨料去除破坏，此处裸露的金属基体的腐蚀速率远高于摩擦膜覆盖区域，导致更严重的破坏作用。二则磨损诱导的强烈塑性变形(例如犁沟两侧隆起部位)作为阳极区域，由于应变差电池产生而受到腐蚀破坏，随后在磨料作用下形成二次磨损。为了更好地控制船用钢的磨损腐蚀，未来有必要加强其腐蚀和磨损交互作用的定量研究，即腐蚀加速磨损和磨损促进腐蚀的程度及机制。

图9为试样在模拟极地海水环境中磨损后的磨痕三维轮廓。可见，磨痕轮廓深度约为10 μm，磨痕宽度约为600 μm，计算磨损体积为(0.019 ± 0.002) mm³。值得注意的是，摩擦显著加剧了FH40钢在模拟极地海水环境中的点蚀行为。磨痕区域的点蚀坑密度明显高于未磨损区域。试样表面微观形貌的电镜照片如图10所示。磨痕内存在大量由点蚀引起的微小孔洞，可见往复滑动所产生的循环应力促进了磨痕内点蚀坑的产生，加速了试样的局部腐蚀。产生这种现象的原因可能是磨损区域的表面发生了塑性变形，导致残余应力更高，致使相较未磨损区域拥有更高的腐蚀倾向，同时局部摩擦氧化膜的剥离使表面腐蚀程度更严重。

FH40钢经过1 h摩擦后继续浸泡于模拟极地海水中，其表面形貌如图11所示。试样表面被大量腐蚀产物堆积覆盖，难以区分完整的磨痕分界线。试样在摩擦过程中生成的磨蚀产物并不致密，模拟极地海水将沿着产物层的裂纹通道渗透于磨痕内的新鲜金属表面，进一步诱导腐蚀的发生和产物的生成。由图可知，磨痕区域和未磨损区域腐蚀产物表面形貌近似，主要元素组成为Fe、C、O、Si、Mn、Ni、Cl等，两区域的O含量无显著差异，但磨痕区域的N含量高于磨痕外。与原始试样相比，磨损试样腐蚀产物层的剥离现象更加明显，产物间裂纹较多，腐蚀产物呈花状。这一结构特征说明产物膜的致密性和保护性较差，有利于腐蚀性离子的大量渗入。

磨损试样在模拟极地海水中浸泡30 d后去除腐蚀产物的三维轮廓和微观形貌分别如图12和13所示。经过30 d的腐蚀，磨痕深度约为13 μm，磨痕宽度约为200 μm。与初始状态相比(图9)，磨痕宽度随着腐蚀的发展而减少67%，磨痕区域的点蚀坑则相互连接导致轮廓深度增加3 μm。由图13可知，磨痕区域的点蚀密度相对初始状态(图10)降低，局部腐蚀现象得到缓解。

(1) FH40钢在模拟极地海水中浸泡30 d的腐蚀速率为(0.238 ± 0.005) mm/a，锈层主要由γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe₂O₃/Fe₃O₄和嗜冷杆菌微生物被膜组成，疏松多孔的腐蚀产物膜和极地微生物的局域覆盖协同促进了钢材的局部腐蚀过程，诱导深度为50 μm且直径为200 μm的大尺寸蚀坑生成。

(2) 模拟极地海水环境中钢材的阻抗在预浸泡7 d后降低，腐蚀产物层的形成影响了试样的阴极和阳极反应，电荷转移电阻显著降低，电化学活性提升，耐蚀能力降低，这归因于锈层较差的腐蚀保护性。

(3) FH40钢在模拟极地海水环境中的摩擦系数为0.41，单位历程磨损失重率为4.1 × 10^-5 g/(N·m·s)，磨损体积为0.019 mm³，磨损机制为电化学腐蚀磨损过程中的机械去除和腐蚀去除混合模型。微生物环境、机械摩擦及电化学腐蚀之间存在明显交互作用，既诱导了磨痕区域摩擦氧化膜生成，又加剧了试样的局部腐蚀。

(4) 磨痕经过30 d的腐蚀，宽度减少了67%，深度增加了33%，内部的点蚀现象得到缓解。另外，摩擦将促进表面腐蚀产物的开裂和剥落，降低锈层的致密性和腐蚀保护性。