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東北大學(xué)：晶界工程改善金屬材料高溫強(qiáng)塑性和腐蝕性能新進(jìn)展！

2020-07-06 17:12:33 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學(xué)與工程分享至：

導(dǎo)讀

近年來，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李小武教授課題組在FCC 金屬的晶界特征分布優(yōu)化（GBCD）處理工藝（一種重要的GBE處理工藝）及其對(duì)腐蝕和室溫力學(xué)性能影響方面開展了系統(tǒng)的工作，結(jié)果發(fā)表在Corros. Sci. （2016, 107: 49-59）、Mater. Sci. Eng. A （2019, 765: 138299）等SCI期刊上。最近，該課題組在“GBE對(duì)低層錯(cuò)能Cu-16.at%Al合金高溫力學(xué)性能和高氮無鎳奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕性能影響”方面又取得了新的研究進(jìn)展，為同步提高金屬材料的高溫強(qiáng)塑性以及耐晶間腐蝕性能提供了新的思路。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于國(guó)際SCI期刊Scripta Materialia和Acta Metallurgica Sinica （English Letters）（封面文章）。

1 晶界工程對(duì)低層錯(cuò)能Cu-16.at%Al合金高溫力學(xué)性能的影響

該工作通過適當(dāng)（7%冷軋和723 K退火72 h）的形變熱處理工藝獲得了與非晶界工程（non-GBE）樣品晶粒尺寸相當(dāng)、但晶界特征分布顯著優(yōu)化（特殊晶界比例高達(dá)86.2%）的晶界工程樣品（圖1a）。隨后，在723 K下對(duì)晶界工程和非晶界工程樣品進(jìn)行不同應(yīng)變速率（10-2/s和10-4/s）的拉伸性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，晶界工程顯著提高了Cu-16.at%Al合金的高溫塑性；尤其是，在應(yīng)變速率10-4/s下，晶界工程樣品的高溫強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）也得到了提升，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的同步提高（圖1b）。對(duì)斷后樣品的變形顯微組織及變形激活能進(jìn)行表征和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，晶界工程主要是通過改善變形均勻性、增強(qiáng)裂紋擴(kuò)展阻力來提高材料的塑性。而強(qiáng)度的提升則主要是因?yàn)榫Ы绻こ探档土瞬牧系募妓棺杂赡埽ㄗ冃渭せ钅荛g接反映），提高了其高溫變形穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制了變形過程中因動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生而導(dǎo)致的高溫軟化（圖1c）。

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圖1 探究晶界工程影響Cu-16.at%Al合金高溫力學(xué)性能的總結(jié)圖。（a）晶界工程和非晶界工程樣品原始組織對(duì)比；（b）在高溫450?C和不同應(yīng)變速率（10-2/s和10-4/s）下，晶界工程和非晶界工程樣品的力學(xué)性能對(duì)比；（c）應(yīng)變速率10-4/s下，晶界工程樣品和非晶界工程樣品的斷后顯微組織對(duì)比。[Scripta Mater., 2020, 187: 216-220]

2 晶界工程對(duì)高氮無鎳奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕性能的影響

該工作首先探索得到了Fe-20Cr-19Mn-2Mo-0.82N高氮無鎳奧氏體不銹鋼的最佳晶界工程處理工藝（5%冷軋和1423 K下退火72 h），并以此工藝獲得了與目標(biāo)材料基態(tài)（BM）樣品相比特殊晶界（∑ ≤ 29的重位點(diǎn)陣晶界）比例大幅提升（增幅32.1%）的晶界工程樣品（圖2a）。通過草酸電解腐蝕試驗(yàn)和硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)評(píng)估基態(tài)和晶界工程態(tài)目標(biāo)材料的抗晶間腐蝕性能發(fā)現(xiàn)，晶界工程可有效提高該不銹鋼的抗晶間腐蝕性能（圖2b）。對(duì)腐蝕樣品表面的金相和EBSD觀察結(jié)果表明，晶界工程改善目標(biāo)材料抗腐蝕性能的原因在于形變熱處理誘發(fā)了大量耐蝕的∑3晶界，阻斷了隨機(jī)大角晶界的連通性，從而阻礙了腐蝕裂紋沿隨機(jī)大角晶界的擴(kuò)展（圖2c），最終達(dá)到提升材料抗晶間腐蝕的目的。該工作被Acta Metallurgica Sinca （English Letters）選作了當(dāng)期的封面文章（見圖3）進(jìn)行了特別報(bào)道。

圖2 探究晶界工程影響奧氏體不銹鋼性能的總結(jié)圖。（a）晶界工程和基態(tài)樣品晶界特征分布及大角隨機(jī)晶界網(wǎng)絡(luò)對(duì)比；（b）晶界工程和基態(tài)樣品失重隨腐蝕持續(xù)時(shí)間的變化曲線對(duì)比；（c）晶界工程樣品中Σ3晶界打斷隨機(jī)大角晶界網(wǎng)路連通性的金相照片和相應(yīng)的EBSD結(jié)果。[Acta Metall. Sin. （Engl. Lett.）， 33, 2020: 789-798]

圖3 Acta Metallurgica Sinca （English Letters）當(dāng)期封面

相關(guān)論文信息及鏈接：

1.Guan, X.J., Shi, F., Ji, H.M. and Li, X.W.* （2020）： A Possibility to Sychronously Improve the High-Temperature Strength and Ductility in Face-Centered Cubic Metals Through Grain Boundary Engineering. Scripta Mater., 187, 216-220. （https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.06.026）

2.Shi, F., Gao, R.H., Guan, X.J., Liu, C.M. and Li, X.W.*, （2020）： Application of Grain Boundary Engineering to Improve Intergranular Corrosion Resistance in a Fe-Cr-Mn-Mo-N High-nitrogen and Nickel-free Austenitic Stainless Steel.Acta Metall. Sin. （Engl. Lett.）， 33, 789-798. （https://doi.org/10.1007/s40195-020-01000-8）

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