耐候钢是指在普通碳素钢中添加少量合金元素（Cu、Cr、Ni、P、稀土元素等）而制成的低合金钢,由于其具有良好的强韧、耐蚀等性能,被广泛应用到铁路货运车辆的制造当中。近年来,随着我国铁路建设的快速发展,铁道部对耐候钢提出了高强、高耐蚀的要求。而合金元素的添加对于实现钢的强化以及提高钢的耐蚀性起到了至关重要作用。本论文中选用不含Sb钢、含Sb钢和含P钢三种铁路车辆用耐候钢作为研究对象。采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、透射电镜和三维原子探针等多尺度表征手段,对于不同腐蚀环境下生成的各种表面膜的结构特征和成分特征开展了详细研究。特别是利用三维原子探针技术对表面膜与基体界面处元素分布规律进行了系统地探索,揭示了合金元素在腐蚀过程中的分布行为,探索了合金元素的交互作用及表面膜形成机理,深入探讨了合金元素对钢的耐蚀性能的作用。主要取得了以下突破和创新成果:（1）通过系统地探索钢组织结构特征,揭示钢中合金元素分布特征和规律,掌握各种合金元素添加对耐候钢的强化作用。在耐候钢中添加Nb、Ti元素进行微合金化,可以在晶粒内部形成细小弥散的碳氮化物,不仅有利于晶粒细化,钉扎位错提高钢的整体强度,并且有利于减少钢中珠光体的形成,提高钢的组织均匀性,有利于减少点蚀腐蚀倾向。并且揭示了Sb元素与Cu元素之间存在强烈的亲和作用,能够导致含Sb钢中形成富（Cu,Sb）析出相,抑制Cu、Sb元素在晶界的偏聚。（2）通过研究合金元素在高温氧化膜中的分布,掌握高温氧化对合金元素分布影响及对近表面钢基体的影响。阐明了耐候钢中Cr、Si元素的添加量对于高温氧化膜在连续冷却过程中的相转变的重要影响。在低Cr和Si含量钢高温氧化皮中的Fe O相在冷却过程中以分离模式发生共析反应。该反应导致Ni在氧化皮/基体界面与附近的钢基体中呈现独特的双峰分布。相比之下,高Cr和Si含量钢的内部氧化皮形成纳米复合氧化物带,分隔了Fe O相与铁素体基体。并且氧化皮中的穿透性裂纹有助于O2到达Fe O相,使Fe O发生氧化反应以形成粗晶Fe3O4。（3）通过研究大气暴露环境和周期浸润环境下表面膜,掌握不同成分耐候钢的表面膜元素分布特征和规律,揭示了合金元素对耐蚀性能的影响。三种耐候钢的Cu、Ni元素在锈层/基体界面上以及靠近界面处的锈层中有明显的偏聚。Cr元素受到锈层中腐蚀产物相转变的影响而在锈层中呈现条带状分布。即使在不含Sb钢和含Sb钢中以杂质元素存在的P元素,其在大气腐蚀后形成的靠近界面处的锈层中也有明显的富集。这些证明了Cu、P、Cr、Ni是形成保护性锈层的主要元素。Mn元素在锈层内部和界面处贫瘠,证明Mn元素不是形成保护性锈层的元素。而含Sb钢锈层中有明显的Sb元素富集,并且含量达到了0.19 at%,远超基体含量0.04 at%,这表明Sb元素是形成保护性锈层的主要元素之一。（4）新鲜金属表面初始腐蚀实验表明,在酸液环境下,Cr、Ni、Sb、P元素对于表面膜的快速形成有着十分重要的作用。而周期性浸润实验会加速Cr、Si元素在锈层中的再分配的过程,从而加速γ-Fe OOH向稳定的α-Fe OOH转变。采用周期性浸润实验在预测模拟工业大气环境下暴露后锈层结果,需要考虑耐候钢使用时气候变化的复杂性,对周期性浸润试验条件进行修正,才能更好的对耐候钢的耐候性能进行预测。