《结构钢耐蚀性大数据设计》*先介绍钢铁材料学和腐蚀与防护学科发展史，重点讨论人工智能和大数据技术在材料腐蚀研究中的应用概况，这是《结构钢耐蚀性大数据设计》的基础部分；然后，介绍腐蚀大数据探测器和系统的开发及其可靠性分析，以上内容是大数据技术研究的主体，与工程应用密不可分；*后，介绍耐蚀结构钢成分设计大数据方法的实现与应用、结构钢微观组织结构与耐蚀性关系的大数据技术研究、结构钢耐蚀性腐蚀大模型的建立和耐蚀结构钢新品种开发与应用等内容。《结构钢耐蚀性大数据设计》内容基于对作者研究团队十多年腐蚀大数据与耐蚀钢研究方向*新成果的梳理和总结，旨在介绍腐蚀大数据技术和耐蚀钢研发的*新基础研究成果，为发展高品质耐蚀结构钢提供*新的理论基础。

目录
《材料腐蚀丛书》序
前言
第1章 钢铁材料及其腐蚀理论 1
1.1 钢铁简史：起源于宇宙，升华于人类 2
1.1.1 天堂神铁 2
1.1.2 铁匠问世 3
1.1.3 欧洲科技革命催生近代钢铁工业 4
1.1.4 美国、苏联、日本和中国对现代钢铁工业的贡献 5
1.1.5 回归钢铁之王—中国 6
1.2 钢铁材料分类及其性能 8
1.3 钢铁材料腐蚀的自然属性与理论体系 9
1.4 腐蚀评价方法 11
1.4.1 重量法 12
1.4.2 深度法 12
1.4.3 电流法 13
1.5 本章小结 18
第2章 传统结构钢耐蚀性设计与实现 19
2.1 材料设计与制备 19
2.2 材料设计与试验方法 20
2.3 试验结果 20
2.4 分析与讨论 30
2.5 本章小结 32
第3章 材料腐蚀大数据概念与技术基础 34
3.1 大数据技术发展背景 35
3.2 腐蚀大数据概念与特点 37
3.2.1 数据量大 38
3.2.2 高速度 39
3.2.3 多品种 39
3.2.4 价值 39
3.2.5 准确性 39
3.2.6 波动性 40
3.2.7 可视化 40
3.3 腐蚀数据在线监测技术 40
3.3.1 电阻探针监测技术 40
3.3.2 交流阻抗技术 41
3.3.3 双电极型大气腐蚀监测仪 42
3.3.4 石英晶体微天平技术 43
3.3.5 超声波测厚与超声导波探伤技术 44
3.4 腐蚀大数据分析与挖掘 45
3.4.1 多元线性回归 45
3.4.2 人工神经网络 46
3.4.3 支持向量机和支持向量回归 46
3.4.4 马尔可夫链 47
3.4.5 蒙特卡罗方法 47
3.4.6 灰色系统理论 47
3.4.7 贝叶斯信念网络 48
3.4.8 随机森林 48
3.5 本章小结 49
第4章 大气环境结构钢腐蚀大数据数据系统的设计与数据分析 50
4.1 新型腐蚀大数据传感器设计 51
4.2 新型腐蚀连续监测传感器标准化 52
4.3 大气腐蚀大数据系统硬件和软件技术 58
4.4 腐蚀大数据的可视化 61
4.4.1 累计腐蚀电量法 61
4.4.2 腐蚀大数据时钟图法 62
4.4.3 F指数法 62
4.5 本章小结 63
第5章 大气环境结构钢腐蚀大数据采集系统的可靠性 65
5.1 试验材料与方法 65
5.2 试验结果与讨论 67
5.3 本章小结 76
第6章 结构钢环境腐蚀联网观测 77
6.1 结构钢大气腐蚀联网观测 77
6.1.1 试验材料 77
6.1.2 腐蚀连续监测技术 77
6.1.3 暴露测试环境 78
6.2 试验结果与讨论 79
6.2.1 腐蚀初期连续监测结果 79
6.2.2 温度和相对湿度对腐蚀的影响 80
6.2.3 降雨对腐蚀的影响 82
6.2.4 机器学习分析大气污染物对腐蚀的影响 84
6.2.5 机器学习分析锈层生长对腐蚀的影响 87
6.3 室内外腐蚀因子作用规律的相关性讨论 88
6.4 结构钢户外腐蚀初期预测模型 88
6.5 本章小结 93
第7章 Cr对低合金钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 95
7.1 材料设计及野外暴晒试验 96
7.2 Cr元素对结构钢腐蚀过程影响的大数据分析 98
7.3 Cr对耐蚀结构钢锈层演变机制的影响 110
7.4 含Cr结构钢耐蚀性演变的大数据评价 112
7.5 本章小结 114
第8章 Mo和Sn对低合金钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 116
8.1 材料设计及野外暴晒试验 117
8.2 Mo及Sn元素对含Cr低合金结构钢腐蚀影响的大数据分析 117
8.3 Mo和Sn元素对腐蚀过程影响的机理分析 131
8.4 Mo与Sn对含Cr低合金结构钢耐蚀性演变的大数据评价 133
8.5 本章小结 135
第9章 Sn和Sb对低合金钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 137
9.1 材料设计与野外暴晒试验 137
9.2 Sn与Sb元素对含Cr低合金结构钢腐蚀影响的大数据分析 138
9.3 基于随机森林模型的大气腐蚀影响因素预测 141
9.4 室内模拟实验结果与分析 145
9.5 本章小结 148
第10章 低合金结构钢耐蚀成分设计的机器学习模型与方法 149
10.1 机器学习模型建立 149
10.2 验证试验方法 152
10.3 试验结果与讨论 153
10.4 验证试验的结果分析 159
10.5 本章小结 165
第11章 高强低合金钢应力腐蚀的大数据动态监测与评价 166
11.1 材料设计与应力腐蚀大数据采集 167
11.2 机器学习模型建立 169
11.3 野外暴晒验证试验 171
11.4 室内外试验相关性分析 176
11.5 本章小结 178
第12章 晶粒度对低合金钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 180
12.1 材料设计与制备 181
12.2 腐蚀大数据传感器制备及数据采集 182
12.3 试验结果 182
12.4 分析与讨论 198
12.5 本章小结 203
第13章 M-A组织对结构钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 204
13.1 材料设计与制备 205
13.2 腐蚀大数据传感器制备及数据采集 206
13.3 试验结果 207
13.4 分析与讨论 214
13.5 本章小结 215
第14章 焊接组织对低合金钢耐蚀性影响的大数据动态监测与评价 217
14.1 材料设计与制备 217
14.2 腐蚀大数据传感器制备及数据采集 219
14.3 试验结果 219
14.4 分析与讨论 225
14.5 本章小结 234
第15章 结构钢耐蚀性动态演化大模型与耐蚀新钢种开发 236
15.1 模型及方法 236
15.1.1 人工神经网络模型 237
15.1.2 支持向量机模型 237
15.1.3 随机森林模型 238
15.1.4 深度学习模型 239
15.2 基于机器学习的环境因素与腐蚀关系挖掘 240
15.3 基于机器学习的微合金成分、微观结构因素与腐蚀速率关系挖掘 244
15.4 数智驱动耐蚀结构钢设计与智慧钢铁材料 254
15.5 本章小结 256
参考文献 257

第1章钢铁材料及其腐蚀理论
　　钢铁材料是一类以铁-碳为主体的材料的总称。其中，工业纯铁是对含碳量（质量分数，下同）小于0.02%的铁碳合金的统称；生铁是对含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金的统称；钢是对含碳量为0.02%～2.11%的铁碳合金的统称，只含碳元素的钢称为碳钢或普通钢。根据含碳量的不同，碳钢分为3类：含碳量在0.02%～0.25%之间的为低碳钢；含碳量在0.25%～0.60%之间的为中碳钢；含碳量在0.60%～2.11%之间的为高碳钢。低碳钢一般用作结构钢；中碳钢一般用作弹簧钢；高碳钢一般用作工具钢。
　　往碳钢中加入一定量的合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Co、Al、Cu、B、Re等，得到的材料称为合金钢。合金含量小于5%的合金钢，称为低合金钢；合金含量在5%～10%之间，称为中合金钢；合金含量大于10%的，称为高合金钢。添加不同的元素，采取适当的加工工艺，可使合金钢获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等多种特殊性能，由此研发出耐磨钢、高速钢、高强钢、不锈钢、低温钢、硅钢、高温合金和高熵合金等。钢铁材料是一个大家族，根据成分变化分为很多类，每一类也是一个大家族。目前，已有钢种多达几万种，新钢种不断被研发出来，已有钢种的性能也在持续得到改善。钢铁材料既是传统材料，也将永远是新材料。在材料科学与技术学科中，钢铁材料理论与技术是人类目前掌握*好与*成熟的一类，是材料科学与技术*重要的基础。可以预见，钢铁材料将长期作为**大材料而存在。
　　钢铁工业是指生产钢与钢材、生铁与工业纯铁或铁合金的工业，是工业化国家*基础的部分，钢产量一直是衡量国家经济实力的重要指标。钢铁材料生产和应用历史悠久，在十九世纪贝氏炼钢法发明之前，钢铁制备一直是一项高成本、低效率的作坊式手工业工作。如今，钢以其低廉的价格、良好而可靠的综合性能成为使用*多的材料之一，是基础设施建设、重大装备制造和日常生活不可或缺的*重要的材料。
　　从制备角度看，材料经历了人力加工、火法加工、电力加工、科学制备和智慧材料等发展阶段。其中，智慧材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。智慧材料是现代新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，且将使传统意义上的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现材料智慧化。作为*基础和*大类的钢铁材料，一定是向智慧钢铁材料方向发展的。
　　1.1钢铁简史：起源于宇宙，升华于人类
　　铁的原子序数是26，在元素周期表中位于第四周期、Ⅷ族，是铁族元素的代表，属于过渡金属，是地壳中含量第二的金属元素。天体物理学研究表明，宇宙中所有元素是宇宙大爆炸与恒星的核聚变和核裂变产生的，截至目前，宇宙中已经发现的天然元素92种，*轻元素是氢，*重元素是铀。138亿年前的宇宙大爆炸，产生了难以计数的恒星，恒星中98%的元素是氢和氦，小质量恒星核聚变的*终产物只能到铁，因为铁原子质量已经很大，产生过程需要吸热；另外，大质量恒星（太阳质量的20倍）寿命终结爆炸时，产生大量重元素。这些重元素不稳定，会发生核裂变，重元素核裂变的*终产物也是到铁为止。因此，位于元素周期表中间的26号铁元素，不仅是目前宇宙所有元素中*稳定者，而且是金属元素中含量*多者；铁元素来自于宇宙的演化过程，地球上的铁其实在地球形成之前就已经广泛存在于宇宙中了。这就是人类认识和利用钢铁材料的客观基础。
　　1.1.1天堂神铁
　　1922年11月26日，英国考古学家卡特打开了埃及法老图坦卡蒙的墓，在这个建于公元前1332～公元前1323年的墓中，发现了一把光亮如新、寒光闪闪的匕*，为钢铁制造。实验证明，这把匕*的刀刃用钢成分与现在不锈钢成分十分相近。显然，古人无法掌握当今技术。进一步分析得知，它是用来自遥远的外太空的陨铁打造而成的。其实，在此墓建造时，钢铁材料尚未问世。研究人员发现，不只是图坦卡蒙的匕*，所有可追溯到青铜器时代的铁器，都是用陨铁打造的。对我们的祖先来说，这种奇特的合金具有很好的延展性，可以锻造成各种形状而不会碎裂，对他们来讲，这是“天堂神铁”。但这种靠天收的钢铁来源十分有限，使得这种“天堂神铁”比宝石或黄金更有价值。
　　自从宇宙大爆炸后，广袤宇宙中的核聚变和核裂变，无时无刻不在产生大量的铁元素，虽然太空陨铁坠落地球的概率很低，但是在地球的长期演化过程中，随时都有各种大小和成分的陨铁坠落地球表面。我们祖先想都不敢想的是：我们脚下的地球从某一深度开始也充满了这种液态的钢铁合金。这是因为在地球形成后的5亿年左右，一颗来自于银河系以外的高温铁质合金行星击中了原始无机材料构成的地球，并深入地球内部成为地球的地核，冲击产生的尘埃演化为现在的月球，同时也使地球内核从此充满“活力”。
　　1.1.2铁匠问世
　　大约公元前2500年，中东地区部落发现了铁矿石，矿石隐藏在地下，其实是地球进化过程中其深处高温的铁镍合金熔液喷发出来，冷凝且被腐蚀氧化后留在地表的。这些铁矿石看起来和“天堂神铁”十分相像，但无法加工成型。他们开采了铁矿石，但是并没有学会冶炼。历史考证表明，直到公元前1800年，黑海沿岸的人们用碳将铁矿石加热，然后锤打它们，矿石逐渐软化，开始变得易于加工成型。在多次重复锻打软化矿石后，*终得到了一种比青铜更坚固的金属武器，称为锻铁。从现代眼光看，这种*终产品其实是纯铁，是现代钢铁的主要前身之一，差别在于炉膛温度不够高，矿石并没有熔化。这是记载*早的铁匠，应该是来自于制造青铜器的铜匠。
　　几乎与此同时，在古代中国也产生了铁匠。中国铁匠不是靠这种锻打的方法获得铁器，他们将矿石加热到更高温度，熔化成液态，经过冷却得到各种制品，称为铸铁，铸铁是现代钢铁冶炼真正*早的前身。公元前500年，中国的铁匠们已经可以建造2m多高的熔炉，不仅能够改善通风和燃烧更多木材而获得更高的温度，而且可以提高铸铁产量。他们将矿石熔炼成液体并倒入雕刻的模具中，制作成铸铁器具，如雕像、武器或犁等。现代分析测试表明，欧洲的锻铁含有0.08%的碳，其实是纯铁，根本达不到钢的强度；中国铸铁含有碳2%～4%，是白口铁，强度很高，但比钢的脆性大。这种锻造或铸造的钢铁材料都称不上完美。随后，欧洲的铁匠开始将铁棒插入成堆的白热木炭中，通过这种木炭制成了钢铁涂层的锻铁；中国的铁匠们则发明了“炒钢法”，将熔化的铁水搅拌凝固后，反复加热熔化搅拌再凝固，重复多次，起到了脱碳的作用，这样得到的材料其实就是当今科学意义上的块状钢铁材料，形象地称为炒钢或百炼成钢。到这时，青铜器时代才真正结束，人类进入铁器时代。重要的职业—铁匠也走向辉煌。
　　考古发现证实，在中国汉代，钢铁冶炼技术进一步得到改进，风箱的升级使得冶铁炉的炉温升高，人们已经认识到碳对于铁硬度的影响，开始出现渗碳技术。炒钢技术更加完善，熔化铁水时，不断搅拌锅中铁水，发明了加入合金元素以改善钢性能的方法。合金钢的概念和合金定量设计技术，*早发源于中国的汉代。为了排除杂质，折叠锻打技法也趋于成熟。优质的铁*先用来制作兵器，汉代墓葬中出土了大量铁质兵器，多为三国时期的吴国制造，可见当时冶铁技术已非常成熟，铁质兵器得到普遍使用。铁已经完全取代了青铜的地位。众多出土的唐刀材料表明，唐刀已经是完全现代意义上的“钢”了。唐代的冶炼和锻打方法与以往相比并没有非常明显的改变，只是通过日积月累的经验，铁匠们已经可以控制铁制品内部的含碳量，代表性唐刀的含碳量大约在0.5%～0.6%之间，这个碳含量已经属于当代用钢的范畴。含碳量得到控制，使唐刀兼顾良好的韧性和硬度而名扬海内外。其实现代钢铁冶炼中*基础的部分也是控制含碳量，根据用途不同调整含碳量以调整钢的韧性和硬度以及综合性能。始建于公元825年的镇江甘露寺铁塔由于较高的含磷量，锈蚀很慢，至今保存完好，表明当时也掌握了通过成分调整获得好的耐蚀性的技术。宋朝的钢铁冶炼技术已经达到很高水平，并实现了大量的出口，在“南海一号”沉船中，发现了不仅载有大量金银铜器和瓷器，而且还有大量保存完好的钢锭，说明当时中国已经是钢铁出口大国了。
　　印度也是*早生产人造钢材的地区之一，其主要技术也是熔炼法。据记载，印度和欧洲商人将印度铁匠生产的乌兹钢运送到世界各地贩卖，乌兹钢到西班牙后，那里铁匠用乌兹钢为罗马军队锻造刀剑，这就是著名的大马士革刀。也有人认为，乌兹钢实际由中国生产，是商人为商业利益而假称产自印度。后来，在加泰罗尼亚，铁匠开发了具有一定高度的熔铁炉—加泰罗尼亚炉，用以生产锻铁。他们制造了马蹄铁、车轮、车门铰链等，这时的欧洲才出现了铸铁。
　　直到欧洲科技革命之前，钢铁冶炼技术一直主要以作坊式生产与传承，属于手工业，无论在欧洲，还是在中国，铁匠职业一直非常兴旺，收入较高，受人尊重。中国古代得到真正的“块状钢铁材料”比欧洲领先了1900多年。
　　1.1.3欧洲科技革命催生近代钢铁工业
　　欧洲是近代钢铁工业的发源地。**次科技革命后，随着蒸汽时代的到来，钢铁*先在欧洲得到飞速的发展，进入大规模工业生产时代。大工业炼铁和炼钢生产分别于17世纪20年代和19世纪70年代*先在英国发展起来，以后在德国、法国、美国、俄国、日本和中国等国得到应用与发展。第二次工业革命后，随着炼钢技术的不断提高，欧洲钢铁工业加速发展，钢材产量和质量得到大幅提高。
　　1856年英国冶金学家贝塞麦发明了高炉酸性底吹转炉炼钢法，这是*早的大规模炼钢技术，标志着世界进入了钢铁时代。1875年，英国、德国和法国钢产量合计为135万吨，占世界钢产量的70%以上。到1880年，世界钢产量达440万吨，其中英国为132万吨，是世界*大的产钢国。1890年世界钢产量达到1240万吨，美国成为世界*大产钢国，但是西欧仍是世界钢铁工业基地之一。随着炼钢技术的不断提高，西欧各国相继大力发展了转炉和平炉，生铁产量和钢产量都迅速增长。1908年电炉炼钢技术在瑞典发明并实施。电炉炼钢具有绿色环保、基建投资少、工艺操作简化、产品质量高等优势，是炼钢技术的重大进步。到1910年世界钢产量已达6000多万吨，其中西欧的钢产量2000多万吨，占世界钢产量的三分之一以上。第二次世界大战对欧洲钢铁工业破坏极大。战后，西欧成立了煤钢共同体，钢铁工业快速恢复，随后西欧钢铁工业开始大规模国有化。这个煤钢共同体就是目前欧盟的前身。20世纪80年代，西欧钢铁工业由于不景气再次进行私有化，整个钢铁工业逐渐好转。20世纪末至21世纪初，欧洲形成了蒂森克虏伯公司、塔塔钢铁公司欧洲公司、安赛乐米塔尔欧洲公司等三家大型钢铁企业。2008年金融危机后，欧盟钢铁供需均明显下降。与此同时，全球钢铁产能过剩，使得钢铁企业的竞争显著增加，绿色环保压力也与日俱增，这些都对欧洲钢铁工业的生存与发展影响重大。目前，欧盟各大钢铁企业共有约500个生产基地，年产能约1.7亿吨。
　　现代钢铁工业起源于欧洲大陆，炼钢、连铸、轧钢等现代钢铁生产的重大技术发明与突破均发生在欧洲。**次工业革命后欧洲钢铁工业就进入规模化生产，多年来在产品研发和技术创新方面积累了丰富的经验。不仅如此，欧盟钢铁工业与下游用户建立了紧密的合作关系，并且借助欧盟高水平研发机构，不断推动钢铁工业先进技术和标准的发展，增强了钢铁企业的竞争力和盈利能力。欧洲钢铁工业技术先进，拥有成熟的市场。随着全球化的不断深入，以及欧盟的不断发展，欧洲钢铁工业仍将在世界上占据重要的地位。
　　1.1.4美国、苏联、日本和中国对现代钢铁工业的贡献
　　19世纪60年代，美国卡内基决定建立一个供、产、销一体化的现代企业—卡内基钢铁公司，其生产的钢铁产量迅速达到英国的一半，随即，多家钢铁公司在美国兴起，美国快速成为*大钢铁生产国。1873年，美国生产钢材22万吨；到1900年，美国钢铁产量为1140万吨，超过英国和德国的总和。1914年**次世界大战开始时，美国生产了