北科大發表《ACTA》：揭示析出相在不鏽鋼點蝕過程中的作用機理

2020-08-08 材料學網

導讀：在長時間的服役過程中，奧氏體-鐵素體雙相不鏽鋼Fe20Cr9Ni通常在280至320℃的服役溫度範圍內發生調幅分解，從而導致抗點蝕性能的降低。本文發現導致調幅分解後雙相不鏽鋼Fe20Cr9Ni的抗點蝕性下降中約76.8％歸因於G相，而富鐵的α相則佔約23.2％。在本次研究中，採用合適的熱時效處理以獲得更大尺寸的G相以便於研究該相在腐蝕過程中的作用。通過將經過475℃熱時效處理3000h的TEM樣品浸泡到NaCl溶液中，點蝕可以優先在鐵素體中獲得。通過TEM-EDS，3DAPT和GPA技術分析了G相周圍的成分變化和應變場分布。進一步發現，儘管在α相和α′相之間Cr元素的濃度差高達60at.％，但是點蝕在G相和鐵素體基體之間的界面處發生，而不是在富Fe的α相中，這表明鉻貧理論不能解釋上述現象。G相和鐵素體基體之間的界面處的應變能被發現是最大的。界面處的原子比晶體內的原子具有更高的能量，因此很容易與溶液中的Cl-離子反應最終形成蝕坑。

在不鏽鋼中，具有奧氏體和鐵素體相的雙相不鏽鋼（DSSs）由於其優異的機械性能、耐腐蝕性、耐應力腐蝕開裂性和焊接性而被廣泛用於石油和天然氣，化工，食品，電力，運輸和造紙工業。儘管鈍化膜可以提供良好的抗腐蝕能力，但特別是在存在侵蝕性陰離子物質的情況下，它很容易受到局部腐蝕。在局部腐蝕行為中，點蝕是最有害的，因為它被高度隱藏。而且，蝕坑將充當裂紋源，加速鋼的損壞。

在DSSs中，鐵素體相所佔體積分數為12〜20％的Fe20Cr9Ni雙相不鏽鋼被廣泛用於生產壓水堆的一次冷卻劑管道。但是，這種鋼通常在會在280-320℃的長期服役期間由於鐵素體相發生調幅分解發生熱時效脆化，從而導致斷裂韌性顯著降低。許多學者系統地研究了時效對雙相不鏽鋼力學性能的影響。然而，很少有學者研究時效對其耐點蝕性能的影響。

點蝕是材料科學中的經典科學問題，一直引起材料研究人員的關注。通常認為，在水環境中不鏽鋼的較低腐蝕速率是由於在鋼表面上存在薄鈍化膜而引起的。但是，這種鈍化膜很容易在未知時間內從隨機位置處發生局部擊穿，這可能會加速鋼下表面的溶解

大量研究發現，不鏽鋼中的MnS和磷化物等夾雜是點蝕坑的優先形成位置，從而使不鏽鋼的抗點蝕性降低。例如，Ryan等人分析了316不鏽鋼的成分並且發現與MnS相鄰的基體中有一個Cr貧化區，這證實了點蝕是由MnS引起的。Zhou等發現由於MnS的形成，位錯周圍存在應變場並且在NaCl溶液中測試時位錯露頭的位置優先溶解，形成點蝕。

不鏽鋼中的第二相是影響耐點蝕性的重要因素。在晶界析出的富Cr碳化物將導致在其周圍存在貧Cr區域，從而導致鈍化膜不完全和點蝕。在不同的熱處理工藝下，鐵素體中會發生σ和χ相的析出。這些析出相通常是富鉻金屬間化合物，尺寸範圍從幾百納米到幾微米，並導致析出相周圍的貧鉻區域形成γ2。許多學者也研究了σ相和χ相對不鏽鋼的點蝕性能的影響。在與σ相和χ相相鄰的γ2相上發現了點蝕坑。在早期的研究中，點蝕性能的下降通常歸因於富鉻α&39;相）溶解在鐵素體中，而在550℃退火1h時G相沒有分解。另一方面，在550℃下保持1h沒有M23C6和σ相析出。

基於此，北科大鋼鐵共性技術協同創新中心楊斌等人選擇適當的時效溫度和時間以獲得較大尺寸的G相，這對於評估G相對Fe20Cr9NiDSS點蝕的影響是有益的。通過TEM-EDS，3DAP和GPA技術分析了G相附近的成分變化和應變場分布。揭示看熱時效後雙相不鏽鋼Fe20Cr9Ni的點蝕性能下降的機理。相關研究結果以題「Evaluation of pitting corrosion in duplex stainless steel Fe20Cr9Ni for nuclear power application」發表在金屬頂刊Acta materialia上。

論文連結：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.046