1. 大氣暴曬試驗
耐候鋼具有的優(yōu)秀特性之一就是耐候性，然而為了知道暴露在大氣中的鋼材怎樣地被腐蝕則需要非常長的時間。如前所述，U.S.Steel公司在各個暴曬試驗場進(jìn)行了長期的試驗，該公司的Larabee關(guān)于合金元素的效果曾經(jīng)發(fā)表過圖1~圖4所示的實驗結(jié)果。根據(jù)些圖可以知道，對大氣腐蝕最有效果的元素是銅，0.1%銅的鋼和0.01%銅的鋼其耐蝕性顯著不同。現(xiàn)把單獨添加其他合金元素時的效果分別總結(jié)如下。
對提高耐候性有顯著效果的元素：P、Cu、Cr;
對提高耐候性稍有效果的元素：Ni、Mo、V、Nb、Ti 等。
對提高耐候性沒有效果的元素：C、Si、Mn、S。
在這里重要的是：這些合金元素復(fù)合添加，可以獲得比分別單獨添加更高的雙重效果，Cr、P等與Cu共存最初發(fā)揮作用的結(jié)果表示在圖2~圖4。復(fù)合添加的代表是U.S.Steel公司開發(fā)的添加了Cu-P-Cr-Ni的COR-TEN鋼，把這種鋼的耐候性與碳素鋼及含銅鋼的進(jìn)行比較，結(jié)果表示于圖5。
日本與美國相比，一般來說由于高溫、潮濕，大氣腐蝕嚴(yán)重，環(huán)境條件比較嚴(yán)酷。因此，日本各公司分別在不同環(huán)境條件的各地區(qū)進(jìn)行了暴曬試驗，圖6及圖7分別示出了在腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷的工業(yè)地帶尼崎地區(qū)和環(huán)境比較好的半田園地帶的相模原地區(qū)所獲得的有關(guān)COR-TEN鋼的暴曬試驗結(jié)果。如果根據(jù)這些圖來比較暴曬時間第7年的腐蝕減量時，尼崎地區(qū)的場合COR-TEN鋼只不過是碳素鋼的26%.如果改變方法來比較厚度減少到0.1mm的時間時，COR-TEN鋼為5年左右，在此以后腐蝕減量大為下降；而含銅鋼是2.5年，490MPa(50kg/m㎡)級高強(qiáng)度鋼是1年，碳素鋼是9個月，而且因為COR-TEN鋼以外的鋼種腐蝕一直沒有發(fā)生鈍化，所以使其差別進(jìn)一步增大。在進(jìn)行鋼鐵結(jié)構(gòu)物的設(shè)計時，如果考慮鋼材銹所起到的作用，人們將會容易理解耐候鋼的優(yōu)越性。
半田園地區(qū)與工業(yè)地區(qū)相比腐蝕量顯著減少，所以耐候鋼和碳素鋼的腐蝕量的差別不太大，然而這是由于大氣中所含的二氧化硫濃度在工業(yè)地區(qū)高的原因。
2. 環(huán)境因子對大氣腐蝕的影響
像尼崎和相模原地區(qū)在大氣腐蝕上的差別那樣，鋼鐵的含銅鋼大氣腐蝕受氣候要素（氣溫、濕耐候鋼度、降雨量等）或大氣污染因子（二氧化硫、海鹽粒子、沉積煤塵等）等環(huán)境因子的影響。
通過這些公式可以說，在任何公式中二氧化硫濃度的影響最大。根據(jù)福井等的研究，如果把（4)、（5)、（6)各式和實測值進(jìn)行比較時，如表3出示的式（6)的簡略式的計算值與實測值非常一致，表明鋼鐵的大氣腐蝕事實上可以作為二氧化硫濃度的函數(shù)求出來。
3. 關(guān)于耐候性的考察
如果把不銹鋼暴露在大氣中時，就會在表面上生成穩(wěn)定而且很薄的氧化覆膜（鈍化覆膜），以后不再被氧化，永遠(yuǎn)不會失去光澤，可是把候鋼放在大氣中進(jìn)行暴曬時則生成銹，和碳素鋼的外觀完全不同。而且在腐蝕進(jìn)行中一旦生成某種程度的銹層時，耐候鋼的銹層就會對腐蝕起保護(hù)作用，顯著地抑制以后的腐蝕，然而因為碳素鋼的銹層沒有這樣的抑制效果，在腐蝕量上產(chǎn)生差異，所以當(dāng)然認(rèn)為耐候鋼的特長就在于這種銹層的保護(hù)效果。
關(guān)于這一點，耐候鋼和碳素鋼是同樣的，如圖8所示，在腐蝕初期耐候鋼的銹的生成較快?？墒请S著長時間暴曬，初期的紅銹在大氣干濕交替之中，在鄰接鋼的表面部分慢慢形成帶有藍(lán)色的銹層，一般也被稱為“自涂漆鋼”。
像上述那樣進(jìn)行直觀的考慮時，可以認(rèn)為在耐候鋼上因為能形成致密而且粘附性良好的銹層，所以能夠阻礙水、氧、二氧化硫等腐蝕性物質(zhì)的滲透。例如Cadius和Schulz[6]就認(rèn)為鋼中含有銅時，在褐色銹的下面能生成致密的CuO和FeO、Fe2O3·H2O混合的黑色銹層，在黑色銹層下面進(jìn)一步形成Cu·CuO層，通過這種致密銹的保護(hù)作用提高了耐蝕性。
但是，根據(jù)Mayne7的觀點，即使有致密銹層的存在也難以認(rèn)為能夠充分阻止水和氧的透過，像涂膜之類的物質(zhì)，鋼鐵腐蝕所需要的水分、氧等的透過速度越充分腐蝕能力越大，所以好像還不能說銹層阻止透過的能力超過涂膜。
Copson 注意到圖1出示的銅對鋼鐵的大氣腐蝕的影響顯著，研究了鋼中的銅量和銹層的化學(xué)組成之間的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示，通過添加微量0.05%Cu,銹層中的SO4-已達(dá)到飽和，所以認(rèn)為銅和SO4-按一定比例生成的絡(luò)鹽形成了致密層，可是難點是一直沒有掌握絡(luò)鹽的實質(zhì)。
如上所述可知，耐候鋼的所謂的穩(wěn)定銹層由于致密所以抑制了水或氧的滲透，大體上能完全阻止后續(xù)的腐蝕反應(yīng)，可是關(guān)于含有Cu、Cr、P等的耐候鋼上為什么能生成致密的銹層，并且所謂這種致密性是什么東西？實際情況一直沒有確切的說明。在日本以學(xué)振97委員會為中心，積極進(jìn)行了試圖闡明耐候鋼特長的研究，已經(jīng)知道有久松·增子、下平、岡田·細(xì)井等、松島·上野、小若·佐武等以及轟·門等的研究。
岡田等用X射線衍射、斷面顯微鏡觀察、XMA、鐵銹試驗、銹層的電解還原等方法，研究了耐候鋼和碳素鋼的銹層特征。其結(jié)果是：（1)耐候鋼經(jīng)5年的暴曬材的銹層在鐵基體上幾乎沒有FeOOH存在的部位，在FeOOH層和鐵基體之間能觀察到非常致密的層。相反，在碳素鋼的銹層上能夠觀察到FeOOH存在的部位，而且裂紋也多；（2)如果綜合X射線衍射和電解還原法的結(jié)果，在耐候鋼的銹的下層存在的致密層是由X射線非晶質(zhì)的尖晶石型氧化鐵構(gòu)成的；（3)根據(jù)XMA檢測，在耐候鋼中所含有的Cu、Cr、P等有效添加元素在銹下層的致密層中濃縮，根據(jù)這些實驗結(jié)果銹層的構(gòu)造可以用模式圖表示在圖10,并且在耐候鋼中所含有的Cu、Cr、P有效添加元素等在紅銹層（FeOOH)的下面濃縮，對穩(wěn)定非晶質(zhì)的類似于磁鐵礦的銹層有效果，認(rèn)為這種非晶質(zhì)銹層是耐候鋼的防蝕作用的本質(zhì)。
轟·門等所進(jìn)行的耐候鋼銹層結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，用X射線衍射檢測出了α-FeOOH、y-FeOOH及Fe3O4,雖然和碳素鋼相比沒有變化，可是在XMA面分析上看到了Cu、Cr、P以及S的濃縮，特別是硫的濃縮比碳素鋼顯著。就是說，碳素鋼的硫的濃縮在外層部分多，而耐候鋼的S的濃縮在全體銹層中均勻分布，而且與碳素鋼相比硫的濃縮相當(dāng)多（參照照片1、2).該結(jié)果與Copson所說的越是耐候性優(yōu)秀的鋼其銹層中含有的硫酸鹽越多的研究結(jié)果（圖9)一致。
根據(jù)轟等的研究，如表4所示，耐候鋼銹內(nèi)層的硫濃度達(dá)到0.45%,相當(dāng)于基體鐵中硫含量的20倍以上，所以認(rèn)為大部分硫是大氣中的SO2形成硫酸鹽后被固定下來的。Chandler 等敘述了在大氣暴曬材的銹層中含有4%S04-離子，其中可溶性硫酸鐵借助于內(nèi)層大量存在著，Schwarz像圖11那樣確認(rèn)了在基體鐵表面上形成了FeSO4'nH2O,并且Tanner在被銹覆蓋的基體鐵的很淺的凹痕處發(fā)現(xiàn)了FeSO4·4H2O,認(rèn)為這個凹痕是局部腐蝕反應(yīng)的陽極點。Evans 也談到金屬表面的間隙部裂紋等也變成了陽極，SO4-離子向那些部分遷移形成了硫酸鐵。
松島用放射性影法研究了銹層缺陷的分布，發(fā)現(xiàn)耐候鋼缺陷部（活性點、陽極部分）少。他們根據(jù)這一結(jié)果得出結(jié)論，帶有銹層的鋼的腐蝕是通過缺陷部分借助腐蝕性物質(zhì)的滲透進(jìn)行的。
綜合考慮以上結(jié)果，大氣腐蝕反應(yīng)的第一階段是在硫酸鹽的環(huán)境下進(jìn)行的。其理由是，在這樣的條件下只能生成硫酸亞鐵，雖然也能通過銹層向基體鐵充分供給氧，可是不被氧化能夠穩(wěn)定地存在，以及從存在于銹層中的硫酸亞鐵的含水量少來看，是由于腐蝕環(huán)境處在比較高的溫度。例如已經(jīng)知道4水鹽在60℃生成，認(rèn)為在實際的大氣暴曬的日照條件下，溫度上升到這種程度非常容易實現(xiàn)。
在以上的銹層／基體鐵界面上進(jìn)行腐蝕時，關(guān)于其腐蝕氣氛保持酸性的理由，可以考慮Schikorr 提出的循環(huán)反應(yīng)的理由，即通過以下的反應(yīng)保持酸性：
在這里，對判定鋼的耐候性的模型實驗來說，在硫酸溶液中測定腐蝕特性的方法是合適的。這種實驗轟等。
曾經(jīng)進(jìn)行過，在98%硫酸中比較耐候鋼和碳素鋼的腐蝕量時，如圖12所示，經(jīng)過4周浸泡沒有發(fā)現(xiàn)鋼種的差異，可是浸泡時間超過4周以上時，耐候鋼的腐蝕速度顯著降低，與碳素鋼的差異增大，發(fā)現(xiàn)和實際暴曬試驗的結(jié)果完全一致。他們也測定了98%硫酸中的極化特性，陽極極化耐候鋼和碳素鋼相同，可是隨著浸泡時間的增長發(fā)現(xiàn)極化明顯增大，和碳素鋼的差別顯著。進(jìn)一步確定了耐候鋼在98%硫酸中生成的容易剝離的腐蝕生成物和碳素鋼的場合相同，都是FeSO4·nH2O(n=2.1及2.5),不存在Cr、Cu等，在溶液中也幾乎不析出，并且確認(rèn)了在耐候鋼的場合，這種硫酸鐵層下面存在有Cu、Cr等濃縮后的非常薄的氧化膜（參照表5)。
根據(jù)這些數(shù)據(jù)來看，在濃硫酸中的腐蝕特性和大氣腐蝕非常對應(yīng)，可以推論在硫酸鐵／基體鐵界面上形成的非常薄的覆膜（鈍化覆膜）支配著耐蝕性。轟等進(jìn)一步在5%硫酸中通過外部電流給與鈍化電位的條件下使鋼表面形成鈍化覆膜，用CI-離子破壞這種覆膜，測定電流－時間曲線時，得到像圖13那樣的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)越是耐蝕性優(yōu)秀的鋼鈍化覆膜越穩(wěn)定，并與大氣腐蝕試驗的結(jié)果很一致。
如果這樣來考慮的話，低合金鋼的大氣腐蝕則受基體鐵表面上形成的Cu、Cr等濃縮的非常薄的覆膜的陽極反應(yīng)支配，可以說耐候鋼的特長就是這種陽極反應(yīng)的抑制效果。該觀點與上述的岡田等的模型（圖10)中，把Cu、Cr、P等濃縮的非晶質(zhì)的磁鐵礦類似層作為耐候鋼防蝕的本質(zhì)的觀點也很一致，二者都提示有鈍化覆膜的存在是極其令人感興趣的問題。
