304不锈钢是应用极为广泛的一种铬-镍不锈钢,具有良好的耐蚀性、耐热性,无热处理硬化现象,已成为石油化工、汽车、医疗、船舶、核电等领域广泛使用的重要材料。尽管304不锈钢具有良好的抗均匀腐蚀性能,但局部腐蚀却是其主要的破坏形式,缝隙腐蚀就是不锈钢这种易钝化材料经常发生的一种局部腐蚀,影响不锈钢使用寿命,制约了不锈钢应用范围。缝隙腐蚀多物理场模拟涵盖了电极动力学、溶液化学以及无机化学,它们会随时间发生变化影响后续反应进程,而了解这些变化有助于深入了解不锈钢缝隙腐蚀机理,做出相对应的预防和控制措施。在本文中,通过多物理场耦合模拟技术,研究了 304-304不锈钢同种金属在0.6 mol/L、pH=6.5的NaCl溶液中的缝隙腐蚀行为,以及304不锈钢-碳钢、304不锈钢-钛异种金属缝隙腐蚀行为,揭示了缝隙生长动力学和溶液水化学的瞬态变化过程,力图澄清缝隙腐蚀的微观机制。(1)对于304-304不锈钢缝隙,在腐蚀过程中,靠近缝隙开口位置处腐蚀最严重,缝隙腐蚀从缝隙口向缝隙底逐渐减弱。缝隙内的电位从缝隙底部的-0.35V增加到缝隙开口的-0.21V,而缝隙底部电流变化较平缓,最小电流仅为0.01A/m2,但在缝隙开口电流迅速增加到10.8 A/m2。缝隙内电流分布是由电位促进作用和沉淀阻碍作用共同影响。缝隙内的pH值和Cl-浓度在缝隙底部为2.8和0.8 mol/L,随后逐渐降低,在缝隙中间达到最低值,分别为2.0和0.06mol/L,然后再次上升,在缝隙开口处pH值和Cl-浓度达到最大值,分别为3.4和1.3mol/L。随着缝隙几何形状因子log10(r2/w)的下降,电位、电流、pH值整体都逐渐升高,但它们沿缝隙的分布变得更平缓,当log10(r2/w)的值从8减小到5时,缝隙底部电位从-0.35V上升到-0.27V,但缝隙开口处电位变化较小,而缝隙开口处电流最大值从10.8 A/m2下降到5 A/m2,而缝隙内pH值的最小值逐渐从缝隙中间转移到缝隙的底部。随着log10(r2/w)的下降,由于扩散和沉淀竞争作用使整体Cl-浓度变得更加复杂,表现为先升高再降低的趋势。(2)304不锈钢与碳钢搭接后,不锈钢和碳钢都是在靠近缝隙开口位置处腐蚀最严重,并且碳钢腐蚀程度比不锈钢更大。不锈钢-碳钢电位分布和304-304不锈钢缝隙基本一致,但是由于碳钢的影响,不锈钢在缝隙开口处最大电流降低到10A/m2,而碳钢的电流达到15A/m2,要高于不锈钢。不锈钢-碳钢pH值比304-304不锈钢有所上升,特别是缝隙口位置处pH值3.7,提升最为明显,而不锈钢-碳钢Cl-浓度在开口处为1.5 mol/L,高于304-304不锈钢,其他位置两者基本相同。随着log10(r2/w)从8降低到5,缝隙底部电位从-0.35V上升到-0.27V,缝隙开口处电位同样变化较小,碳钢在缝隙开口处最大电流从15 A/m2下降到6 A/m2,而不锈钢最大电流从10 A/m2降低到4.7 A/m2。不锈钢-碳钢pH值的最小值也从缝隙中间向底部的转移,而不锈钢-碳钢在缝隙口处pH值差异变小,整体Cl-浓度,也表现为先升高再降低的趋势,但分布变化更平缓。(3)对于304不锈钢与钛搭接后的缝隙,不锈钢在靠近缝隙开口位置处腐蚀同样最为严重,而钛处于钝化状态,因此没有发生腐蚀。不锈钢-钛电位分布比304-304不锈钢略微增加了 0.01V,不锈钢在开口处最大电流达到13.1 A/m2高于304-304不锈钢。不锈钢-钛缝隙内pH值分布比304-304不锈钢有所下降,特别是缝隙底部pH值降低到2.4,下降的更明显。Cl-的浓度分布比304-304不锈钢有所升高,在缝隙口处为1.6 mol/L,升高更明显。当log10(r2/w)的值由8降低到5时,不锈钢-钛缝隙底部电位从-0.34V上升到-0.26V,而不锈钢-钛在缝隙开口处电流从13.1 A/m2下降到5.6 A/m2。不锈钢-钛pH值的最小值从1.9变为3.6,整体Cl-浓度随着log10(r2/w)越低,与304-304不锈钢浓度差异越不明显。