腐蚀通常被认为是导致船舶与海洋工程结构强度衰减的重要因素之一,严重影响着海洋工程结构的服役寿命。腐蚀损伤不仅能够引起结构钢板及骨架构件发生严重的破坏和厚度减薄,还能够促进疲劳裂纹、脆性断裂和结构失效,进而直接威胁结构安全,导致大量经济损失和人员伤亡。尽管通过采取腐蚀防护措施取得了一定的防护效果,但随着船舶与海洋工程结构向深海远海方向发展,结构服役环境日趋复杂,现有的腐蚀防护技术体系尚不能满足需求。长久以来,人们对船舶与海洋工程结构的腐蚀与防腐问题开展了大量的研究,但由于海水环境、阴极保护以及结构力学响应联合作用对防腐涂层失效过程以及碳钢腐蚀损伤过程所产生影响的复杂性和多样性,使得该方向研究迄今为止仍是一个非常具有挑战性的难题。本文以船舶与海洋工程结构常用的复合防腐涂层和碳钢为研究对象,通过一系列弹性应力作用下的电化学实验和多种电化学检测方法与物理表征手段,并结合理论分析,研究了复合防腐涂层/碳钢体系以及碳钢在海水环境、阴极保护以及弹性应力联合作用下的腐蚀损伤规律和机理。主要研究内容和结论如下所示:根据热力学、动力学和金属力学-化学基础理论,建立了碳钢在均匀腐蚀和局部腐蚀过程中腐蚀电位和腐蚀速率由于弹性应力影响而应使用的数学模型,为力学-化学实验测量、理论分析以及考虑力学因素影响的腐蚀模型的建立奠定理论基础。通过电化学阻抗谱(EIS)技术,并结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等辅助技术手段,研究了弹性应力、阴极保护以及两者联合作用对复合防腐涂层在人工海水中防护性能的影响;同时,采用热力学方法分析了应力对水在涂层体系中扩散系数的影响,也对涂层中非扩散性水分含量的影响进行了探讨。研究表明:弹性应力对涂层防护性能具有显著的影响,而且其影响程度与应力大小和方向都有关,同时发现弹性应力对涂层的化学结构并没有显著的影响。针对本文所研究的两种复合防腐涂层体系,焓对涂层中水扩散速率的影响比熵更加显著,同时涂层中非扩散性水分含量的增大能够减小水的扩散系数。此外,阴极保护电位能够促进涂层退化,而且涂层退化速率随着阴极保护电位的负移而显著加快;当弹性应力与阴极保护联合作用时,两者能够相互影响,两者间的交互作用能够降低各因素单独作用时对涂层防护性能所产生的影响,并且最后的影响效果取决于两者中的主要影响因素,这与涂层体系的固有属性以及一些腐蚀性粒子如水分子、钠离子、氢氧根离子等的迁移速率和程度有关。通过上述研究,为实际船舶与海洋工程结构防腐涂层的优化设计提供了合理的依据。通过电化学测试技术分别研究了弹性应力、阴极保护以及两者联合作用对Q235B钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的影响;同时,利用接触角测量技术研究了弹性应力对金属在腐蚀介质中界面张力的影响。研究表明:弹性应力能够引起Q235B钢腐蚀电位负移,对其在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀产生促进作用;而且弹性应力的不均匀分布能够导致应力局部腐蚀电池,其中高应力区域为阳极,低应力区域为阴极,进而导致金属结构表面发生局部腐蚀;实验结果与理论分析取得了很好的一致性;同时,腐蚀产物对金属结构的腐蚀行为也具有一定的影响,其影响程度不仅与其自身的微观结构有关,还与腐蚀类型有关;界面张力与接触角随着应力水平的增加而显著减小,因此提出了利用金属材料在腐蚀介质中的界面张为研究力学-化学效应问题的新方法。此外,随着阴极极化电位的负移,电荷转移电阻先增大后减小,在其达到峰值时所对应的阴极极化电位为最佳阴极保护电位;研究发现最佳阴极保护电位与弹性应力之间存在着较好的线性关系,最佳阴极保护电位随着弹性应力的增大而发生负移。因此,在船舶与海洋工程结构的安全设计和外加电流阴极保护系统的优化设计过程中,有必要同时考虑力学因素对金属腐蚀过程和最佳阴极保护电位的影响。通过理论分析与力学-化学实验测量结果,发现弹性应力作用下的腐蚀损伤大于无外加应力作用下单一均匀腐蚀所造成的损伤,而且这种变化随腐蚀年限的推移而更加明显,因此,在现有典型均匀腐蚀模型的基础上,建立了能够考虑力学因素影响的新型时变腐蚀模型。该模型能够较好地模拟船舶与海洋工程结构在海水环境和弹性应力联合作用下的腐蚀损伤过程,并针对在腐蚀环境和弹性应力联合作用下的平板单元,提出了计算其达到极限许用应力时所需时间的表达式,同时取得了不同腐蚀模型下相应的解析解。结合本文实验测量数据,对新提出腐蚀模型的准确性和腐蚀模型对结构寿命预测的影响进行了验证分析。研究表明:即使在相同的腐蚀环境和应力水平下,选取腐蚀模型的不同能够对结构寿命的评估带来很大的差异;同时,力学-化学效应对结构寿命评估的准确性具有显著的影响,而且其影响程度随着金属强度等级的提高而更加明显。这说明在船舶与海洋工程结构的寿命预测中,腐蚀模型的选取非常重要,同时希望通过新型时变腐蚀模型的建立,能够为船舶与海洋工程结构的安全设计和腐蚀裕量的选取提供合理的依据。