奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼擁有良好的力學(xué)性能、焊接性能和耐腐蝕性能，在能源和化工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中，F(xiàn)e20Cr9Ni雙相不銹鋼（也稱(chēng)Z3CN20.09M雙相不銹鋼，以下簡(jiǎn)稱(chēng)Fe20Cr9Ni DSS）作為核電站一回路主管道材料被廣泛的應(yīng)用于壓水堆核電站中。但是在其服役溫度（280~320℃）長(zhǎng)時(shí)間服役，會(huì)造成熱老化脆化現(xiàn)象，導(dǎo)致沖擊功迅速下降，同時(shí)也會(huì)惡化Fe20Cr9NiDSS的耐腐蝕性能，尤其是耐點(diǎn)蝕性能。

力學(xué)性能和耐腐蝕性能的惡化主要是由于Fe20Cr9NiDSS中的鐵素體發(fā)生了調(diào)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（通常不超過(guò)10nm），很難單獨(dú)研究Fe的α相和G相在點(diǎn)蝕萌生中的作用，所以通常認(rèn)為Fe的α相是導(dǎo)致熱老化狀態(tài)的雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能下降的主要原因，但是G相在點(diǎn)蝕萌生中作用往往被忽略。

近日，北京科技大學(xué)與中科院沈陽(yáng)金屬所的研究人員采用TEM準(zhǔn)原位的方法觀察到了熱老化狀態(tài)下Fe20Cr9Ni DSS（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Fe20Cr9Ni DSS熱老化試樣）的納米級(jí)別點(diǎn)蝕坑確切的萌生位置，并結(jié)合3DAPT分析技術(shù)和幾何相位分析（GPA）技術(shù)分析了成分分布特征和應(yīng)變場(chǎng)分布特征，揭示了界面應(yīng)變場(chǎng)在點(diǎn)蝕萌生中的作用。相關(guān)論文以“Evaluation of pitting corrosion in duplex stainless steel Fe20Cr9Ni for nuclear power application”為題，發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Acta Materialia上。 

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.07.046

研究人員發(fā)現(xiàn)納米尺度的點(diǎn)蝕坑僅在G相與鐵素體基體的界面處萌生，而調(diào)幅分解區(qū)域（α相和α‘相）不存在納米級(jí)別的點(diǎn)蝕坑。研究人員采用3DAPT技術(shù)分析了Fe20Cr9Ni DSS熱老化試樣中鐵素體內(nèi)的成分分布，發(fā)現(xiàn)調(diào)幅分解區(qū)域內(nèi)α相和α’相的Cr元素濃度差高達(dá)60 at%，但是點(diǎn)蝕坑并沒(méi)有在α相處萌生。由納米級(jí)別點(diǎn)蝕坑的萌生位置和3DAPT成分分析結(jié)果可知，Cr元素的偏聚并不是引起Fe20Cr9Ni DSS熱老化試樣點(diǎn)蝕性能下降的主要原因。

圖1 點(diǎn)蝕坑僅在G相與鐵素體基體界面處萌生

圖2 3DAPT結(jié)果分析（α相和α‘相成分分布）

將Fe20Cr9NiDSS熱老化試樣經(jīng)過(guò)550℃保溫1h處理，可以使熱老化試樣中的調(diào)幅分解組織（α相和α’相）發(fā)生回溶，F(xiàn)e、Cr元素在鐵素體基體中均勻分布，即α相和α‘相消失，只保留G相。通過(guò)電化學(xué)極化測(cè)試，原始試樣的點(diǎn)蝕電位為418.9mVSCE，熱老化試樣的點(diǎn)蝕電位為132.8mVSCE，熱老化+退火試樣的點(diǎn)蝕電位為199.2 mVSCE，退火后點(diǎn)蝕電位僅發(fā)生了有限回復(fù)，可知α相對(duì)點(diǎn)蝕性能的影響不占主要作用。

圖3 退火前后熱老化試樣中元素分布

通過(guò)對(duì)熱老化試樣和熱老化+退火試樣中的G相與鐵素體基體界面處的應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)變能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)G相與鐵素體基體界面處分布著較大梯度的應(yīng)變場(chǎng)，儲(chǔ)存較高能量的應(yīng)變能。

圖4 未熱老化試樣中應(yīng)變場(chǎng)分布

圖5退火前后熱老化試樣中G相界面處的應(yīng)變場(chǎng)分布

圖6 界面應(yīng)變能分布

處于界面處的原子具有較高的活性，在侵蝕性溶液中界面處的原子很容易與溶液發(fā)生反應(yīng)，形成納米尺度的點(diǎn)蝕坑，明顯惡化熱老化試樣的耐點(diǎn)蝕性能。

圖7 應(yīng)變場(chǎng)誘發(fā)點(diǎn)蝕萌生示意圖

本研究由北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中科院沈陽(yáng)金屬所沈陽(yáng)材料國(guó)家研究中心聯(lián)合完成。通過(guò)本研究，擴(kuò)展了納米析出相對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕萌生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)以后不銹鋼以及其他耐蝕合金的開(kāi)發(fā)由重要指導(dǎo)作用。