自上世紀(jì)八十年代人們提出納米材料的概念以來，納米粉體和薄膜材料已得到廣泛應(yīng)用。然而，塊體納米/超微晶金屬結(jié)構(gòu)材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化仍面臨挑戰(zhàn)。其中一個(gè)關(guān)鍵原因是，應(yīng)力與腐蝕交互作用導(dǎo)致納米/超微晶金屬結(jié)構(gòu)材料在服役過程中力學(xué)和耐腐蝕性能難以同時(shí)提高。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所王勝剛及其合作者利用深度軋制技術(shù)制備出納米晶304不銹鋼板材(NCP-304，整體納米化)。前期工作表明，與普通304不銹鋼(TPC-304)相比，NCP-304點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕阻力提高(腐蝕速率降低，鈍化膜擊穿電位提高了400 mV，鈍化區(qū)間變寬370 mV)。 NCP-304抗高溫氧化(900 °C空氣中) 和耐應(yīng)變疲勞(應(yīng)變范圍0.2%- 1.4%)性能提高。應(yīng)力腐蝕(應(yīng)變速率2.5 × 10?6 s-1)實(shí)驗(yàn)表明，室溫空氣中，與TPC-304比較，NCP-304屈服和抗拉強(qiáng)度分別提高1520 MPa和458 MPa；室溫1 mol/L HCl溶液中，屈服和抗拉強(qiáng)度分別提高1487 MPa和591 MPa。NCP-304在空氣和1 mol/L HCl溶液中延伸率分別為42% 和30%，NCP-304抗應(yīng)力腐蝕性能提高。
近期，研究人員發(fā)現(xiàn)，與TPC-304相比(應(yīng)變速率1.52 × 10-4 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范圍內(nèi))，NCP-304屈服和抗拉強(qiáng)度分別提高303 MPa - 429 MPa和96 MPa - 166 MPa，延伸率為36.5% - 52.1%。NCP-304拉伸性能的應(yīng)變速率敏感性低于TPC-304。在2 mol/L HCl溶液中室溫浸泡25天，拉斷后的NCP-304耐點(diǎn)腐蝕性能提高，腐蝕速率小于拉斷后的TPC-304，腐蝕性能的應(yīng)變速率敏感性低于拉斷后的TPC-304。NCP-304 表面形變機(jī)理不變，TPC-304表面形變機(jī)理與應(yīng)變速率有關(guān)。
因此，在應(yīng)變速率2.5 × 10?6 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范圍內(nèi)，無論是否涉及應(yīng)力與腐蝕交互作用，納米晶304不銹鋼力學(xué)和耐腐蝕性能同時(shí)提高，應(yīng)變速率敏感性降低。通過控制軋制總形變量、每道次形變量和軋制溫度，研究人員獲得無馬氏體和微觀組織結(jié)構(gòu)均勻的納米晶304不銹鋼板材。這是降低應(yīng)力與腐蝕交互作用對(duì)其力學(xué)和耐腐蝕性能負(fù)面影響，同時(shí)提高力學(xué)和耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素。研究人員提出從納米晶和普通304不銹鋼價(jià)電子結(jié)構(gòu)角度理解力學(xué)與腐蝕性能，這為材料科學(xué)理解不同性能，獲得更為普適的理論或者觀點(diǎn)提供新途徑。研究過程中價(jià)電子結(jié)構(gòu)表征方法和相關(guān)觀點(diǎn)也被其他學(xué)者用于理解其他材料腐蝕性能。上述研究結(jié)果有利于促進(jìn)納米晶304不銹鋼板材產(chǎn)業(yè)化，有助于推動(dòng)與304不銹鋼相關(guān)器件和裝備的輕量化、長(zhǎng)壽命與節(jié)能。
這些新的研究結(jié)果發(fā)表在Sustainable?Materials?and?Technologies?45?(2025)?e01623。
本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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圖1. 納米晶和普通304不銹鋼應(yīng)變疲勞、電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕和高溫氧化性能
圖2. 應(yīng)變速率對(duì)拉伸(納米晶和普通304不銹鋼)和腐蝕(拉斷后的納米晶和普通304不銹鋼)性能的影響
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