在石油、天然气等能源工业中，马氏体钢因其出色的强度与耐磨性，被广泛应用于井下工具、管柱系统等关键部件。然而，一个长期被低估的威胁——残余应力与硫酸盐还原菌（SRB）的协同作用，正悄然加速这些关键结构的失效进程。
近期发表于《Corrosion Science》的一项研究（Zhang et al., 2026），首次系统揭示了残余应力如何显著加剧M54马氏体钢的微生物腐蚀（MIC）及其导致的机械性能灾难性退化。本研究不仅填补了该领域的知识空白，更为工程实践中的寿命预测与防护策略提供了关键理论依据。
图 1 所研究试样的制备示意图。(a) 未处理试样的热处理工艺；(b) 退火试样的热处理工艺；(c) 预加载试样的模具示意图；(d) 狗骨状/哑铃状试样的尺寸。
一、核心发现：应力水平决定腐蚀命运
研究团队通过热处理（退火）与机械预加载，制备了具有不同残余应力水平的M54钢试样：
- 低应力（LS）: -215 ± 10 MPa（退火态）
- 中应力（MS）: -387 ± 19 MPa（淬火态）
- 高应力（HS）: -468 ± 23 MPa（预加载态）
在含有硫酸盐还原菌 Desulfovibrio vulgaris 的环境中浸泡14天后，结果触目惊心：
图 2 所研究试样在 1 M HCl 溶液中的腐蚀行为。(a) 动电位极化曲线；(b) 腐蚀电流密度（i_corr）与腐蚀电位（E_corr）数值；(c) - (e) 分别为 LS、MS 和 HS 试样的腐蚀形貌。
1. 微生物腐蚀（MIC）敏感性急剧分化
- LS试样表现出最优的耐MIC性能：腐蚀电流密度仅 6.2 ± 0.2 µA cm⁻²，失重 1.1 ± 0.12 mg cm⁻²，平均点蚀深度 3.6 ± 0.3 µm。
- HS试样则遭受严重腐蚀：对应参数飙升至 19.2 ± 2.1 µA cm⁻²、2.5 ± 0.12 mg cm⁻² 和 6.1 ± 0.5 µm。
- 关键结论：在无菌（非生物）介质中，三者腐蚀速率相近；一旦引入SRB，残余应力的“放大器”效应立刻显现。
2. 腐蚀路径：原奥氏体晶界（PAGB）是主战场
- 无论是否存在应力，腐蚀均优先沿PAGB启裂和发展。这是因为PAGB作为高能界面，是天然的电化学活性点，易于进行电子转移。
- 在HS试样中，残余应力高度集中于PAGB（通过KAM图清晰可见），形成了 “应力集中+高活性界面”的双重脆弱体系，为SRB通过胞外电子转移（EET）获取电子提供了绝佳通道。
3. 机械性能的协同退化远超预期
- 在无菌环境中，HS试样因残余应力导致的机械性能损失有限（与LS相比，屈服强度降3.8%，延伸率降8.3%）。
- 在SRB环境中，协同效应引发灾难性后果：HS试样相较于无菌下的LS试样，屈服强度下降18.9%，抗拉强度下降10.1%，延伸率骤降27.3%。这种损失远非应力与腐蚀作用的简单叠加，而是非线性的协同加速破坏。
图 3 (a) 所研究试样的 DL-EPR 曲线；(b) 所研究试样的 DOS 值。
二、机理深度剖析：应力如何为微生物“铺路”
- 电子转移的效率革命：残余应力并未显著影响SRB的生物膜附着厚度或代谢活性，其根本作用在于改变了宿主金属的电子捐赠效率。应力集中区（尤其是PAGB）的原子排列畸变，降低了电子转移的能量势垒，使SRB能更高效地“汲取”金属中的电子，加速阳极溶解。
- 从点蚀到沿晶腐蚀的形态演变：在LS和MS试样中，腐蚀主要表现为沿PAGB的离散点蚀。而在HS试样中，高应力驱动点蚀连接成片，发展为连续的沿晶腐蚀，甚至萌生微裂纹。腐蚀形态的升级，直接导致承载截面急剧减少和应力集中系数激增。
- 断裂机制的蜕变：拉伸断口分析揭示了性能退化的微观根源。
- LS试样：保持韧性断裂，布满韧窝。
- MS试样（SRB环境中）：出现空洞。
- HS试样（SRB环境中）：清晰的沿晶裂纹成为主导。这些裂纹源于应力集中的PAGB，并在SRB腐蚀造成的表面缺陷处进一步形核，多重裂纹源协同作用，导致材料在低应变下提前失效。
图 4 所研究试样的表面形貌。(a)、(d)、(g) 为试样在无菌（非生物）介质中的表面形貌；(b)、(e)、(h) 为试样在含菌（生物）介质中的表面形貌；(c)、(f)、(i) 为试样表面的生物膜。
图 5 所研究试样的腐蚀行为。(a)、(b) 为试样在无菌与含菌介质中的开路电位(OCP) 与极化电阻 (Rp) 数值；(c) 为实验末期（第14天）在两种介质中的电荷转移电阻(Rct) 数值；(d) 为用于拟合电化学阻抗谱 (EIS) 曲线的等效电路R(Q(R(QR)))；(e) 为在两种介质中测得的动电位极化曲线；(f) 为在两种介质中获得的腐蚀电流密度(icorr) 数值。
三、工程启示与防护策略前瞻
本研究发出了明确的预警：在设计和使用于含SRB环境（如油田采出水、海底管道）的高强马氏体钢构件时，残余应力管理必须提升至与材料选择和涂层防护同等重要的战略高度。
- 制造工艺优化：对于关键部件，在制造后期引入去应力退火工艺，是成本效益比极高的防护措施。本研究证实，简单的退火处理（将残余应力从-387 MPa降至-215 MPa）即可大幅提升耐MIC性和机械完整性。
- 检测与监控重点转移：无损残余应力检测（如X射线衍射、超声法）应纳入这类构件的入场检验和定期监检测计划。重点关注焊缝、弯管、冷加工区域等应力集中部位。
- 寿命预测模型革新：现有的腐蚀寿命模型多基于均匀腐蚀或单纯应力腐蚀开裂（SCC）。必须开发纳入“残余应力-SRB活性”协同因子的新模型，才能实现更精准的剩余寿命评估和风险预警。
- 新材料设计思路：未来开发用于苛刻微生物环境的新钢种时，除考虑合金化提升耐蚀性外，应致力于设计出相变应力低、晶界稳定性高的微观组织，从本源上降低对残余应力的敏感性。
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