为什么耐候钢越生锈越耐用？

　你身边有没有这样奇怪的建筑物：它是坚固的钢结构，但却全身布满厚厚的红黑色锈迹，仿佛已经在风雨中伫立了几百年。

也许你也会好奇：锈成这样的建筑还能用吗？安全吗？

　　我可以斩钉截铁地告诉你：安全！不仅安全，而且比一般的钢材更为耐用，即使在空气中暴露几十年也不会锈坏。

　　这种表面锈蚀，实则耐用的材料其实是一种特殊的钢材，叫做耐候钢。别看它长得“丑”，其实高端着呢。

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（耐候钢建筑外观）

（一）耐候钢虽然 “丑”，但使用“门槛”可不低

　　耐候钢又称耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢，由普碳钢添加一定量的铜，以及磷、铬、镍、钛、钒等耐腐蚀元素制成。它既具有普通钢材的易延展、高强度、抗疲劳等特性，同时在抗腐蚀能力方面又能达到普通碳素钢的2-8倍。

　　由于其优秀的性能，耐候钢的价格不菲。性能相近的耐候钢与普通钢材相比，耐候钢的价格要高出60%左右。因此，别看耐候钢长得丑，一般的建筑还用不起它。

　　只有集装箱、铁道车辆、石油井架、钻井平台这些使用环境恶劣、对钢材抗腐蚀性能要求高的结构物才会使用耐候钢。而对于普通建筑使用的钢筋混凝土，由于混凝土中埋藏的钢筋极少与氧气、水接触，工程师们还舍不得在这里使用耐候钢呢！

（二）耐候钢为什么能锈而不腐？

　　纯铁并不容易锈蚀，但普通的钢铁中，通常含有铜、碳等杂质，这些杂质的活性比铁低，在含水的空气中与铁形成原电池（即通过氧化还原反应而产生电流的一种装置），将氧化与还原反应分开，为钢铁的腐蚀提供一条“高速公路”。

　　钢铁腐蚀产生的铁锈是疏松多孔的结构，其中还有许多微裂纹将孔隙互相联通。这样，铁锈就像海绵一样，可以继续吸收空气中的水分，让钢铁进一步锈蚀，直至完全锈穿。

耐候钢与普通钢铁不同，在最开始，它也会像普通钢铁一样在表面发生锈蚀。由于其合金程度较高，这一过程甚至比普通钢铁更快。但是由于耐候钢内部的晶格更加复杂，在表面的疏松铁锈下，还会生长出一层暗黑色的致密锈层。这一锈层由纳米颗粒的α-FeOOH组成。在这一致密锈层中，镍原子取代了部分铁原子的位置，使得锈层具有了阳离子选择性，抑制了具有腐蚀性的阴离子透过。

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（左为耐候钢，右为铁锈，可以明显看出二者差别）

正是这层致密的锈层，使得耐候钢虽然表面锈了，但内部不会被继续锈蚀。其实只要仔细分辨，就可以看出，耐候钢的表面与普通铁锈并不相同：耐候钢的锈是均匀致密的，紧贴着钢材的表面保护着钢材；而铁锈则斑斑驳驳，疏松多孔，一碰就会掉渣。这样的铁锈非但保护不了钢铁，反而“引狼入室”，把水和氧气吸到钢铁表面来。

（三）耐候钢的“白菜化”之路

　　其实，耐候钢并不是最近才出现的一种材料。

　　早在1900年，美国人就已经开始了含铜钢的早期研究与开发，这就是耐候钢的前身。但在20世纪上半叶，人类科技水平有限，对材料微观的研究难以深入，耐候钢抗腐蚀背后的机理并不清楚，这极大地限制了耐候钢的研究与应用。加之那时人类的总建设量与如今相差甚远，因此耐候钢的研究进展一直比较缓慢。

　　在中国，直到1960年，含铜耐候钢研究才在武钢起步。

　　可是时至今日，由于中国的经济飞速发展，带动全世界的工程建设量一并指数增长。海洋石油平台、海港建筑开始变得随处可见，世界对耐候钢的需求越来越紧迫。加之如今的空气污染越发严重，金属结构都难免要面临酸雨的洗礼。但凡是金属，从投入使用就自然地开始腐蚀。随着保有量越来越大，金属的腐蚀开始给国民经济造成重大损失。据不完全统计，每年由于钢结构腐蚀造成的经济损失，占国民经济生产总值的2%-4%，目前，每年因结构腐蚀造成的经济损失高达数万亿美元。这意味着由于金属锈蚀，每年都有一整个英国的人，一年的辛勤工作白干了。

　　耐候钢的研发与推广，可以提高结构的耐久性，大幅度缩减腐蚀带来的经济损失。因此，中国的耐候钢研究赶上了好时机，起步很快，并追赶得非常迅速。

　　像其他产业一样，只要中国进入了，西方“抱着技术，躺着赚钱”的美梦就破灭了，耐候钢产业同样如此。

　　从20世纪90年代开始，为了适应中国爆炸式发展的基建，打破外国垄断并争取更广阔的海外市场，研究者们将目光转向低成本、高强度、耐腐蚀性能更高的新型高性能耐候钢的开发，并取得了卓越成果。中国开发的耐候钢不含镍和铬，而是以添加铜和磷为主，并掺入一定量中国富有的钒、钛、铌、铼等金属元素，在大幅提高质量的同时，将成本降低了一大半，在国际市场上一举获得了碾压式的优势。

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（国内主要耐候钢桥梁）

　　而今，中国已经是耐候钢生产和出口大国。尤其是在桥梁建设领域，中国的耐候钢既可以满足大跨度桥梁用钢所必须的高强度、低屈强比、低温韧性、可焊性以及厚板均一性，同时又兼具耐腐蚀性能，在各类污染环境下应对自如。既可以选择涂漆、表面稳定化处理，也可以干脆不管，直接裸露使用。与耐候钢材配套的还有耐候焊接材料以及耐候高强度螺栓，它们背后还有相关的标准和规范。中国人建立的“耐候家族”配合使用，大大提升了人类对钢材的利用能力，让高耐久成为了钢结构建筑的常态。

（四）性价比重要，漂亮也很重要

　　进入21世纪，人们对建筑的要求越来越高。除了安全耐用、经济实惠外，还要漂亮。在后工业时代，一些艺术家返朴归真，开始追求建筑的“本色”，于是，咖啡色的耐候钢凭借着自身十足的后现代美感而得到建筑师的青睐

　　在中国科学院大学雁栖湖校区，就刚刚建成了这样一座全耐候钢外观的中丹中心大楼。这是一座从外观到功能都极其现代化的建筑，多处采用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息等先进技术，实现建筑的高智能与低能耗。与普通建筑不同，为了实现自然光的高效利用，中丹中心大楼并未采用常规窗帘遮挡阳光，而是在玻璃幕墙外设置了多向编织状耐候钢遮阳屏，这使得整个建筑都具有了耐候钢特有的后现代外观。

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（国科大中丹中心大楼）

现在建筑所呈现出的咖啡色，正是耐候钢遮阳屏在空气中腐蚀半年后自然形成的保护层颜色。其颜色均匀致密，令人感觉这并不是生了铁锈，而是建筑本身应有的颜色。在建筑的其它部位，从天花板上错落有致地悬吊着的松木圆环，到原色水磨石地面，再到清水混凝土旋转楼梯，都秉持着这种不雕饰、靠材料本身的纹理来装扮的原则，建筑的里里外外都与耐候钢的色调与风格融为一体。v2-0b78315c0089f3bd34e8762a9586743f_720w.jpg

（中丹中心室内一景）

　　今后，像国科大中丹中心这样，艺术元素丰富的建筑还会越来越多。而我们的中国制造也不能永远停留在“质量好、价格低”这一实用层面。像耐候钢这样的多能材料，我们还要把它玩出花来，让高附加值的结构、装饰一体化的耐候钢走向世界。