《Materials Design》晶粒取向如何影响奥氏体不锈钢的腐蚀速率？

导读：晶体取向如何影响奥氏体合金的腐蚀行为知之甚少。本研究通过检测数百种具有不同晶体学取向的晶粒来分析316L不锈钢的腐蚀速率，建立了晶粒取向影响腐蚀速率的机制，对氧化过程的晶体学控制提供了更好的见解，为通过加工增强不锈钢的抗氧化性指明了方向。

奥氏体合金（例如304L和316L不锈钢）和镍基合金经常用于核电站的反应堆堆芯组件中。这些合金通常具有面心立方（FCC）结构，并具有出色的高温抗氧化性。但是，这些合金的降解（如由于应力腐蚀裂纹等）导致易受双曲线破坏的影响，进而失效。迄今为止，学者们已经做出了巨大的努力来揭示晶界结构对应力腐蚀（SCC）敏感性的影响，但是对于晶体取向如何影响这种合金的电化学（即氧化）降解知之甚少。

来自美国加州大学等单位的研究人员通过结合使用垂直扫描干涉法（VSI）的形貌测量值和电子背散射（EBSD）的显微结构分析，系统地探讨了晶体取向对AISI 316L不锈钢的主动（即无电）和被动（即有电）氧化的影响。相关论文以题为“Elucidating the grain-orientation dependent corrosion rates of austenitic stainless steels”发表在Materials and Design。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108583

本研究中使用的材料是工业常见的316L不锈钢，在真空热处理炉进行1000℃×1h固溶退火后进行炉冷。固溶退火后的显微组织全部为奥氏体晶粒，无变形。

无电即将钢材浸入 45℃的0.5M H2SO4+0.1M LiCl溶液中80h，在这种环境下，316L被预期经历活性腐蚀和被氧化成低化合价的氧化产物（例如Fe2+，铬3+等），此时显微组织出现由不同取向的晶粒引起的不同腐蚀速率导致的“阶梯”结构。在浸入溶液中进行了20 h的活性腐蚀后，相邻颗粒之间的高度差由溶液暴露之前的±5 nm，增至大约1 μm。

有电即在钢表面上施加一个电位，以引起穿透性腐蚀。当施加高阳极电势时，表面附近的钝化层瞬间击穿，和钢溶解以形成高价物（包括Fe3+和HCRO4-）。表面形貌显示出明显的晶粒轮廓，这是由于在晶界形成台阶而导致的，平均表面高度仅在45s内就下降了约1.1μm。

图1 固溶退火后316L不锈钢表面的微观结构

图2 无电状态下316L不锈钢腐蚀前后的VSI图

通过结合EBSD和VSI分析得知，不同取向晶粒的主动腐蚀速率和穿透腐蚀速率，均遵循：{001}<{101}<{111}。总体腐蚀敏感性从具有最低敏感性的{001}晶粒到具有最高敏感性的{111}晶粒排列。腐蚀速率的晶体学控制实际上与所施加的电势和由于合金溶解而产生的可溶物无关。

图3 无电状态下平均表面高度的变化和腐蚀速率与时间的关系

图4 316L不锈钢的EBSD图、晶粒取向和平均表面高度变化

图5 主动腐蚀与被动腐蚀的腐蚀速率与晶粒取向关系

研究发现，表面能对活化能和合金腐蚀速率有一定影响，但不是唯一影响因素。表面能遵循：{101}> {001}> {111}，{001}和{101}晶粒的腐蚀速率根据其表面能的变化而直观地得出，而{111}晶粒尽管具有最低的表面能但腐蚀速率最高，这是由于平面上的离子吸附和反应位点形成所致。{111}面的腐蚀活化能低于{001}和{101}晶粒的腐蚀活化能。

总的来说，本研究通过检测数百种具有不同晶体学取向的晶粒来分析316L不锈钢的腐蚀速率。随着表面晶粒从{111}方向（即相对于表面法线）逐渐偏离，晶粒腐蚀速率降低。本文建立了晶粒取向影响腐蚀速率的机制。腐蚀速率不仅取决于溶质（合金）的作用，还取决于其与周围溶剂以及其中所含离子的相互作用。本研究对氧化过程的晶体学控制提供了更好的见解，为通过加工增强不锈钢的抗氧化性指明了方向。（文：破风）