近日，河北工業大學材料科學與工程學院與廣東省科學院新材料研究所通力合作，在金屬腐蝕類頂級期刊《Corrosion Science》上發表了不同真空度下熱軋不銹鋼復合板的組織和性能研究的文章，論文第一作者為林曾孟博士研究生，通訊作者為殷福星教授和劉寶璽副研究員。本研究從不銹鋼復合板宏觀組織性能的調控入手擴展到層間界面微觀形成機理的探究。研究結果表明：不銹鋼真空熱軋復合過程中界面氧化物的產生和演變與冶煉鋼鐵過程中選擇性氧化機制極其相似，準原位表征各類界面氧化物的形成、消溶和轉變過程，為異質熱軋復合界面形成的冶金物理過程及機理增添了新的實驗證據。

本項目團隊自2015年以來，系統地對不銹鋼復合板熱軋過程中的各類參數，如熱軋溫度、熱軋壓下量、中間層的加入、熱處理制度和真空度進行了系統性的調控和優化，表征尺度也亦從宏觀過渡至細觀和微觀。系列研究結果表明：層間界面復合過程與界面氧化物的形成、破碎、消溶有著密切的聯系，而界面氧化物的奧妙如同塵封多年的記憶，各種微量合金元素將悉數登場！在密封加熱和保溫過程中，率先氧化的并不是鋼鐵中的主體元素(Fe、Cr、Ni)，而是原始冶金過程中加入的各類微量脫氧劑，如Ca、Mg、Al、Mn、Si等，各種復雜界面氧化物形成的熱力學原理主要是由冶金物理化學中的氧勢圖(Ellingham圖)所決定。并且，在后續熱軋和冷卻過程中，根據氧分壓的逐漸降低，以及各元素與氧親和力的差異，它們又會分解，進而聚合，通過內氧化模式形成各類特殊的界面氧化物。

在低真空度下，316L／Q235熱軋不銹鋼復合板界面氧化物會團聚在界面處，形成類似于湯姆遜原子模型式的瘤狀物（主要包含有Cr₂O₃、MnCr₂O₄和SiO₂），如圖1所示。而隨著真空度增加至10 Pa時，界面氧化物以核-殼式的顆粒結構存在于界面。并且界面處同時存在兩種形式的氧化物，即MnO包裹SiO₂和SiO₂包裹MnCr₂O₄兩類核-殼結構。這主要歸因于界面處氧化物的分解與合金元素的選擇性氧化，如圖2所示。當真空度達到10^-2 Pa時，界面氧化物轉變為非晶態的棒狀Mn₂SiO₄，如圖3所示。隨著真空度增加，復合界面的拉伸剪切強度不斷提升（如圖4所示），并且剪切斷裂位置從界面轉移到脫碳層。這可能歸因于三個原因：（1）在高真空度下，沿熱軋覆層界面的氧化物密度相當低，界面氧化物的特征從松散的結節狀復合物變為致密的顆粒；（2）界面納米級非晶氧化物的尺寸相當精細，故此時Orowan機制在強化并增韌復合板界面方面發揮重要作用；（3）長棒狀納米級Mn₂SiO₄氧化物也可以作為具有高長徑比的晶須，根據剪切滯后模型，其可能斷裂成多個部分，從而提高了界面結合強度，同時起到了增韌的作用。

真空熱軋界面氧化物的種類、組成、成分、分布和尺寸變化范圍很大，這對微觀尺寸的表征帶來了異常的復雜性和不可預測性，這項研究成果揭開的僅是界面氧化物復雜演變規律的“冰山一角”。相關的深入研究有待繼續進行，這將為不銹鋼復合板層間界面的調控和優化設計提供較好的素材。目前，多層構筑、層狀復合工藝已在大型核電制造領域成為關鍵技術，其界面復合機理與不銹鋼復合板熱軋復合機理殊途同歸，均聚焦于界面氧化物演化規律以及對宏觀力學性能的影響。因此，層間界面的不斷深入探究定將助力于大國重器建設的理論和技術創新。