亞穩態高熵合金由于優異的機械性能而具有廣闊的應用前景。一般來說，除了良好的強-塑結合外，耐腐蝕性也是作為先進結構材料需要評估的重要指標。但目前對這些亞穩態高熵合金的研究主要集中在機械性能上，對其腐蝕行為的研究不足。由于晶界具有高電化學活性和晶體缺陷，材料的腐蝕行為受到晶粒尺寸的影響，并且以往的研究還證實晶粒細化對材料腐蝕行為的影響存在一定的爭議。此外，與晶粒尺寸對腐蝕行為影響相對應的機械性能變化可能并不是單調的，這意味著耐腐蝕性和機械性能之間可能存在某種權衡。因此，研究不同晶粒尺寸對亞穩態高熵合金腐蝕行為和機械性能的協同效應至關重要，因為對它們的基本了解將有助于進一步闡明晶粒尺寸對腐蝕行為影響的機制，并開發可承受惡劣環境的亞穩態高熵合金。

基于上述論述，西南交通大學材料學院材料服役安全工程系馬新凱副教授以Fe40Co20Cr20Mn10Ni10亞穩態高熵合金為研究對象，通過大應變量軋制和再結晶退火制備了細晶 (2.2 ?m)、中晶 (16.8 ?m) 和粗晶 (30.2 ?m) 樣品，采用多尺度結構表征和電化學方法研究了晶粒尺寸對其腐蝕行為和機械性能的協同效應。區別于先前的研究，本工作更關注不同晶界密度引起的鈍化膜特性差異及其對鈍化膜溶解和點蝕形成的影響，闡明了不同晶粒尺寸亞穩態高熵合金的腐蝕機理。同時，基于耐腐蝕性和機械強度之間的關系，討論了耐腐蝕性和強韌化協同作用機制，為制備出高強耐腐蝕材料提供了一定的參考價值。該工作得到了國家自然科學基金、中央引導地方科技發展資金以及西南交通大學大型儀器開放測試基金等的資助。論文以題為“Synergistic effects of grain sizes on the corrosion behavior and mechanical properties in a metastable high-entropy alloy”發表在材料腐蝕領域頂級期刊《Corrosion Science》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X23006303

圖1. 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金的初始微觀結構。(a1-c1) 反極圖，(a2-c2) 晶界圖，(a3-c3) 相圖，(a4) FG樣品的元素分布。其中γ指FCC相。

圖2. (a) 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金工程應力-應變曲線。(b) 屈服強度與平均晶粒尺寸的倒數平方根之間的關系。

圖3. (a) 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的動電位極化曲線。動電位極化后各樣品的腐蝕形貌：(b) FG 樣品，(c) MG 樣品和 (d) CG 樣品。

圖4. (a) 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中浸泡 12 h 后的Mott-Schottky 曲線。(b) 鈍化膜的施主密度。

圖5. 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后鈍化膜的陽離子分數。

圖6. (a) 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中浸泡 9 h和 48 h后鈍化膜中陽離子分數的比較。

圖7. (a) 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后的腐蝕形貌。(a) FG 樣品，(b) MG 樣品和 (c) CG 樣品。

圖8. 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金的腐蝕機制示意圖：(a) FG樣品，(b) MG樣品和 (c) CG樣品。其中鈍化膜的主要物種以在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡48 h后的化學成分來表示。

圖9. 不同晶粒尺寸的亞穩態高熵合金的極限拉伸強度與腐蝕電流密度的關系，顯示出機械強度和耐腐蝕性之間的良好結合。

在這項工作中，詳細研究了晶粒尺寸對亞穩態高熵合金腐蝕行為和機械性能的協同效應，揭示了相應的腐蝕機理，并闡明了耐腐蝕性與機械性能之間的關系。主要結論如下：

(1) 亞穩態高熵合金的耐腐蝕性隨著晶粒尺寸的增大而增加，在中晶中表現出優異的耐腐蝕性能，然后隨著晶粒進一步長大而惡化。這種耐腐蝕性的差異主要表現為不同程度的鈍化膜溶解和點蝕的形成。

(2) 亞穩態高熵合金的腐蝕行為由不同晶界密度引起的鈍化膜特性決定。晶界密度較低的粗晶形成的鈍化膜較薄且富含缺陷，并誘導了鈍化膜的溶解和點蝕的形成。細晶中豐富的晶界促進了鈍化膜的形成，同時減輕了上述的腐蝕。然而，與細晶粒和粗晶粒相比，在中晶上形成的鈍化膜顯示出較低的施主密度和優異的穩定性以防止傳質和點蝕的過程。

(3) 鈍化膜溶解后，粗晶中富含Co、Ni物種的鈍化膜引起的耐蝕性增加不足以彌補Cr、Fe、Mn物種耗盡所帶來的負面影響，尤其是Cr氧化物的耗盡。而含有較高Cr2O3 含量的細晶仍表現出良好的耐腐蝕性。相比之下，中晶中最高含量的Cr2O3和結合水對耐腐蝕性能起著至關重要的作用，其耐腐蝕性始終優于細晶和粗晶。

(4) 從機械性能來看，晶粒尺寸增大，機械強度降低，而耐腐蝕性隨晶粒尺寸增大而呈現先增大后減小的趨勢。因此，在匹配耐腐蝕性和機械性能方面存在強烈的權衡，而中晶具有強度和耐腐蝕性的良好組合。該工作為制備高強度、良好耐腐蝕性的亞穩態高熵合金提供了重要的參考價值。