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北科大《Acta Mater》揭示析出相周围应变场在点蚀萌生的作用！
奥氏体-铁素体双相不锈钢拥有良好的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能，在能源和化工领域具有广泛的应用。其中，Fe20Cr9Ni双相不锈钢（也称Z3CN20.09M双相不锈钢，以下简称Fe20Cr9Ni DSS）作为核电站一回路主管道材料被广泛的应用于压水堆核电站中。但是在其服役温度（280~320℃）长时间服役，会造成热老化脆化现象，导致冲击功迅速下降，同时也会恶化Fe20Cr9NiDSS的耐腐蚀性能，尤其是耐点蚀性能。
力学性能和耐腐蚀性能的恶化主要是由于Fe20Cr9NiDSS中的铁素体发生了调幅分解和G相的析出，形成富Fe的α相、富Cr的α’相和富Si的G相。由于α相、α’相和G相的尺寸很小（通常不超过10nm），很难单独研究Fe的α相和G相在点蚀萌生中的作用，所以通常认为Fe的α相是导致热老化状态的双相不锈钢的耐点蚀性能下降的主要原因，但是G相在点蚀萌生中作用往往被忽略。
近日，北京科技大学与中科院沈阳金属所的研究人员采用TEM准原位的方法观察到了热老化状态下Fe20Cr9Ni DSS（以下简称Fe20Cr9Ni DSS热老化试样）的纳米级别点蚀坑确切的萌生位置，并结合3DAPT分析技术和几何相位分析（GPA）技术分析了成分分布特征和应变场分布特征，揭示了界面应变场在点蚀萌生中的作用。相关论文以“Evaluation of pitting corrosion in duplex stainless steel Fe20Cr9Ni for nuclear power application”为题，发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.046
研究人员发现纳米尺度的点蚀坑仅在G相与铁素体基体的界面处萌生，而调幅分解区域（α相和α’相）不存在纳米级别的点蚀坑。研究人员采用3DAPT技术分析了Fe20Cr9Ni DSS热老化试样中铁素体内的成分分布，发现调幅分解区域内α相和α’相的Cr元素浓度差高达60 at%，但是点蚀坑并没有在α相处萌生。由纳米级别点蚀坑的萌生位置和3DAPT成分分析结果可知，Cr元素的偏聚并不是引起Fe20Cr9Ni DSS热老化试样点蚀性能下降的主要原因。
图1 点蚀坑仅在G相与铁素体基体界面处萌生
图2 3DAPT结果分析（α相和α’相成分分布）
将Fe20Cr9NiDSS热老化试样经过550℃保温1h处理，可以使热老化试样中的调幅分解组织（α相和α’相）发生回溶，Fe、Cr元素在铁素体基体中均匀分布，即α相和α’相消失，只保留G相。通过电化学极化测试，原始试样的点蚀电位为418.9mVSCE，热老化试样的点蚀电位为132.8mVSCE，热老化+退火试样的点蚀电位为199.2 mVSCE，退火后点蚀电位仅发生了有限回复，可知α相对点蚀性能的影响不占主要作用。
图3 退火前后热老化试样中元素分布
通过对热老化试样和热老化+退火试样中的G相与铁素体基体界面处的应变场和应变能进行分析，发现G相与铁素体基体界面处分布着较大梯度的应变场，储存较高能量的应变能。
图4 未热老化试样中应变场分布
图5 退火前后热老化试样中G相界面处的应变场分布
图6 界面应变能分布
处于界面处的原子具有较高的活性，在侵蚀性溶液中界面处的原子很容易与溶液发生反应，形成纳米尺度的点蚀坑，明显恶化热老化试样的耐点蚀性能。
图7 应变场诱发点蚀萌生示意图
本研究由北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心、北京科技大学新金属材料国家重点实验室与中科院沈阳金属所沈阳材料国家研究中心联合完成。通过本研究，扩展了纳米析出相对不锈钢点蚀萌生机理的认识，对以后不锈钢以及其他耐蚀合金的开发有重要指导作用。
本文来自微信公众号【材料科学与工程】
