【仪表网 研发快讯】自上世纪八十年代人们提出纳米材料的概念以来，纳米粉体和薄膜材料已得到广泛应用。然而，块体纳米/超微晶金属结构材料的大规模产业化仍面临挑战。其中一个关键原因是，应力与腐蚀交互作用导致纳米/超微晶金属结构材料在服役过程中力学和耐腐蚀性能难以同时提高。
中国科学院金属研究所王胜刚及其合作者利用深度轧制技术制备出纳米晶304不锈钢板材(NCP-304，整体纳米化)。前期工作表明，与普通304不锈钢(TPC-304)相比，NCP-304点腐蚀和均匀腐蚀阻力提高(腐蚀速率降低，钝化膜击穿电位提高了400 mV，钝化区间变宽370 mV)。 NCP-304抗高温氧化(900 °C空气中) 和耐应变疲劳(应变范围0.2%- 1.4%)性能提高。应力腐蚀(应变速率2.5 × 10−6 s-1)实验表明，室温空气中，与TPC-304比较，NCP-304屈服和抗拉强度分别提高1520 MPa和458 MPa；室温1 mol/L HCl溶液中，屈服和抗拉强度分别提高1487 MPa和591 MPa。NCP-304在空气和1 mol/L HCl溶液中延伸率分别为42% 和30%，NCP-304抗应力腐蚀性能提高。
近期，研究人员发现，与TPC-304相比(应变速率1.52 × 10-4 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范围内)，NCP-304屈服和抗拉强度分别提高303 MPa - 429 MPa和96 MPa - 166 MPa，延伸率为36.5% - 52.1%。NCP-304拉伸性能的应变速率敏感性低于TPC-304。在2 mol/L HCl溶液中室温浸泡25天，拉断后的NCP-304耐点腐蚀性能提高，腐蚀速率小于拉断后的TPC-304，腐蚀性能的应变速率敏感性低于拉断后的TPC-304。NCP-304 表面形变机理不变，TPC-304表面形变机理与应变速率有关。
因此，在应变速率2.5 × 10−6 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范围内，无论是否涉及应力与腐蚀交互作用，纳米晶304不锈钢力学和耐腐蚀性能同时提高，应变速率敏感性降低。通过控制轧制总形变量、每道次形变量和轧制温度，研究人员获得无马氏体和微观组织结构均匀的纳米晶304不锈钢板材。这是降低应力与腐蚀交互作用对其力学和耐腐蚀性能负面影响，同时提高力学和耐腐蚀性能的关键因素。研究人员提出从纳米晶和普通304不锈钢价电子结构角度理解力学与腐蚀性能，这为材料科学理解不同性能，获得更为普适的理论或者观点提供新途径。研究过程中价电子结构表征方法和相关观点也被其他学者用于理解其他材料腐蚀性能。上述研究结果有利于促进纳米晶304不锈钢板材产业化，有助于推动与304不锈钢相关器件和装备的轻量化、长寿命与节能。
这些新的研究结果发表在Sustainable Materials and Technologies 45 (2025) e01623。
本工作得到国家自然科学基金等项目的支持。
图1. 纳米晶和普通304不锈钢应变疲劳、电化学腐蚀、应力腐蚀和高温氧化性能
图2. 应变速率对拉伸(纳米晶和普通304不锈钢)和腐蚀(拉断后的纳米晶和普通304不锈钢)性能的影响
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