在实际服役结构中，两种金属只要形成电接触并处在同一电解质环境里，就可能发生电偶腐蚀。对工程而言，最关心的往往不是某一时刻的电位或腐蚀电流，而是损伤会在哪里积累、会积累到多深、随时间如何变化，这也是腐蚀模型真正走向寿命预测时必须面对的问题。更现实的难题是，高保真的腐蚀模型计算量大、耗时长，能否使用更简化的物理模型在保证精度的同时大幅提速。

本文介绍一篇发表于Corrosion Science的研究。作者用有限元方法（FEM）建立电偶腐蚀模型，并用实验损伤深度加以验证。对碳钢/不锈钢（CS/SS）和锌/不锈钢（Zn/SS）两类电偶，系统研究了控制方程、NaCl浓度、阳极:阴极长度比以及暴露时间的影响。CS/SS实验最长约13天，模型曲线延伸至14天。结果显示，在低电流密度条件下，并不总是需要采用最复杂的控制方程，包含可变电导率和反应项的简化物理模型已经可以较好的重现随时间发展的腐蚀损伤，同时也可显著降低计算成本。

▍论文信息

▍研究背景

腐蚀模型构建是预测腐蚀寿命的重要手段，其主要难点在于环境、腐蚀形式、几何与材料组合千差万别，使得长时间的损伤预测尤其困难。电偶腐蚀建模常用有限元方法，但已有工作大多只验证电流/电位分布，或只针对单一时刻、单一环境。真正与工程相关的损伤深度随时间演化对照、并覆盖多种物理变量的验证并不多见。

另一方面，物理方程越完整，计算代价通常越高；模型越简化，又可能漏掉迁移、扩散、溶液电导率变化或沉淀反应等关键过程。最完整的Nernst–Planck–Poisson（NPP）精度高但计算昂贵，Nernst-Planck电中性近似（NPE）和Laplace类模型则更有利于工程尺度或多工况计算。问题在于，哪些情况下可以放心使用简化模型，并不是仅靠经验判断就能解决。

▍研究思路

这篇工作中作者选择CS/SS和Zn/SS两个电偶体系，恰好覆盖了两类不同问题。CS/SS更接近海水循环系统、钢筋、管道和焊接结构中的典型异种金属接触；Zn/SS虽然不是最常见工程组合，但能把阴极反应从氧还原扩展到氢析出和氧还原共同参与，从而检验模型对反应机制变化的适应性。选择这两个体系，既覆盖了典型工程场景，也在阴极反应这一关键边界条件上形成了对照。

实验中，作者以CS1018和商业纯Zn作为阳极，以SS304L作为阴极。Zn/SS样品在1M NaCl中暴露至约6.5天；CS/SS样品在0.1M和1M NaCl中暴露至约13天，模型计算延伸到14天。FEM模型在COMSOL Multiphysics 6.3中建立，主要比较LVK+R和NPE+R两类物理。腐蚀损伤则通过Zygo Nexview三维光学轮廓仪测量，并用跨阳极/阴极界面的线扫描平均值与模型对照。

图1 电偶腐蚀试样的截面示意图

▍主要结果

从结果看，对于碳钢/不锈钢（CS/SS）电偶，模型预测的损伤深度随时间演化与实验剖面吻合良好（图2），两种控制方程（NPE+R与 LVK+R）给出的曲线几乎重合。然而值得注意的是，把氯离子浓度从 0.1M 提高到1M，腐蚀损伤反而减小，其1M 下的最大深度约为 0.1M 的0.45–0.46倍。作者将该现象主要归因于氯离子浓度升高会降低溶解氧的溶解度（约由 2.47×10⁻⁴ 降到 1.89×10⁻⁴ mol/L）和扩散系数，从而降低受扩散控制的氧还原极限电流（i_lim），同时由于该电偶腐蚀主要由阴极氧还原控制，阴极电流减小，阳极损伤也随之减小。

图2 CS/SS 电偶腐蚀损伤深度随时间的实验与模型对比（LA=7、LC=12.1 mm与LA=5.9、LC=22.2 mm，0.1与1M NaCl）。模型与实验吻合，NPE+R 与 LVK+R几乎重合。

阳极/阴极比例的影响则更符合电偶腐蚀常识，但细节却不线性。将CS/SS阳极:阴极比例从1:1.73降低到1:3.76，相当于阴极长度增加、比例变化约2.17倍。模型中0.1M NaCl下腐蚀损伤增加2.23倍，1M NaCl下增加2.20倍。也就是说，在作者实际验证的两个构型之间，几何放大对损伤的影响非常明显。但当作者进一步把阴极长度外推到更大范围时，损伤便不再与阴极面积一一对应。以1:10为例，CS/SS在1M NaCl中的归一化损伤约为线性面积比例的84%，而0.1M NaCl中只有约59%。其原因在于欧姆降会使远离阳极/阴极界面的阴极区域不能同等有效地提供还原电流，低电导率环境下这一限制更加明显。这表明，工程上阴极面积越大、损伤越严重的经验虽然方向正确，却不能简单按面积比线性外推，需要结合欧姆降和阴极的有效反应面积加以修正。

图3 CS/SS电偶的最大模拟深度与单位宽度电流随阳极:阴极比的变化。损伤随阴极增大而增大，但在小面积比时低于1:1线性关系。

Zn/SS体系进一步验证了模型对阴极反应变化的处理能力。13 mm Zn/13 mm SS样品在1M NaCl中表现出良好的实验-模型一致性，两种模型在7天左右给出的损伤深度几乎重合。值得注意的是，Zn/SS中的SS阴极同时考虑了氢析出反应（HER）和氧还原反应（ORR），而CS/SS中主要采用扩散限制和活化控制的ORR。在1:1 Zn/SS条件下，模型显示约45%的阴极电流来自HER。随着阴极长度增加，体系电位升高，ORR贡献增加并逐渐成为主导反应。这说明材料组合改变的不只是阳极溶解速率，还会改变阴极反应构成。

从误差统计看，LVK+R与NPE+R对实验损伤的描述非常接近。作者给出的最大平均差异为0.8 µm，最大百分误差差异为4.4%，RMSE最大差异为0.79 µm。所有考察电偶体系中，模型与实验平均损伤差异均小于5 µm。14 天模型对比还显示，LVK+R与NPP+R的最大损伤深度差异在CS/SS中最高为3.3 µm，在Zn/SS中约0.2 µm。这部分结果证明对于这类体系，LVK+R已能在几乎不损失精度的前提下替代更完整的NPP+R物理模型；相对 NPE+R，其计算时间最多可缩短约5倍。与此同时，作者也明确说明了每个时间点只做了单次实验，平均损伤来自多条线扫描，这决定了结果更适合用于模型物理验证，而不是直接给出统计意义上的寿命分布。

图4 Zn/SS电偶（LA=LC=13 mm，1M NaCl）：(a) 损伤深度的实验与模型对比；(b) 阳极、HER 与 ORR 的积分电流，约45%阴极电流来自析氢。

图5 机制总结：(a) CS/SS 提高氯离子浓度降低总电流；(b) 减小阳极:阴极比、损伤≈随阴极长度增大；(c) Zn/SS 减小阳极:阴极比改变主导还原反应。

▍文章亮点

一是将模型验证参数从电流/电位延伸至损伤深度。作者用三维轮廓仪获得阳极/阴极界面附近的腐蚀剖面，并与时间依赖FEM结果对照。验证对象包含CS/SS与Zn/SS、0.1/1M NaCl、不同LA:LC与多时间点，使结论更接近于工程寿命预测所需的损伤量。

二是给出了简化建模的适用证据。对于本文混合电位电流密度不高于0.33 A/m²的电偶体系，LVK+R与高保真模型的深度差异最高为数微米，且与实验损伤的平均差异均小于5 µm；在类似条件下，用LVK+R开展多工况计算更具效率，计算时间最高可节省约5倍。

三是通过更换阳极材料，揭示了阴极反应的可变性。Zn/SS因混合电位靠近HER/ORR的过渡区，阴极尺寸即可改变主导的阴极反应，这是只含氧还原的CS/SS体系无法揭示的，也说明在做电偶腐蚀预测时必须考虑阴极反应的可变性。

四是注重可复现与可推广。作者明确给出控制方程的适用边界（低电流体系），公开了模型文件，有助于后续复现和扩展，并强调验证后的物理与机制可有效迁移到其他腐蚀场景。

▍小结

这篇文章的核心贡献不是提出新的腐蚀控制方程或模型，而是将电偶腐蚀FEM模型放回实验损伤深度中检验。对于CS/SS和Zn/SS两类电偶体系，作者证明了在给定NaCl浓度、几何比例和时间范围内，LVK+R这样的简化模型已经能够较好的描述腐蚀损伤，同时显著降低了计算成本。更重要的是，文章把模型误差与物理因素联系起来，提出氧溶解度和扩散、欧姆降、支持电解质比例、阴极反应路径都会影响模型是否可以简化。对面向工程寿命预测的腐蚀建模而言，这种实验验证、简化计算再讨论适用边界的路线具有较好的参考价值。

▍原文链接

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113938