導(dǎo)讀：晶體取向如何影響奧氏體合金的腐蝕行為知之甚少。本研究通過檢測數(shù)百種具有不同晶體學(xué)取向的晶粒來分析316L不銹鋼的腐蝕速率，建立了晶粒取向影響腐蝕速率的機(jī)制，對氧化過程的晶體學(xué)控制提供了更好的見解，為通過加工增強(qiáng)不銹鋼的抗氧化性指明了方向。

奧氏體合金（例如304L和316L不銹鋼）和鎳基合金經(jīng)常用于核電站的反應(yīng)堆堆芯組件中。這些合金通常具有面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，并具有出色的高溫抗氧化性。但是，這些合金的降解（如由于應(yīng)力腐蝕裂紋等）導(dǎo)致易受雙曲線破壞的影響，進(jìn)而失效。迄今為止，學(xué)者們已經(jīng)做出了巨大的努力來揭示晶界結(jié)構(gòu)對應(yīng)力腐蝕（SCC）敏感性的影響，但是對于晶體取向如何影響這種合金的電化學(xué)（即氧化）降解知之甚少。

來自美國加州大學(xué)等單位的研究人員通過結(jié)合使用垂直掃描干涉法（VSI）的形貌測量值和電子背散射（EBSD）的顯微結(jié)構(gòu)分析，系統(tǒng)地探討了晶體取向?qū)ISI 316L不銹鋼的主動(dòng)（即無電）和被動(dòng)（即有電）氧化的影響。相關(guān)論文以題為“Elucidating the grain-orientation dependent corrosion rates of austenitic stainless steels”發(fā)表在Materials and Design。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108583

本研究中使用的材料是工業(yè)常見的316L不銹鋼，在真空熱處理爐進(jìn)行1000℃×1h固溶退火后進(jìn)行爐冷。固溶退火后的顯微組織全部為奧氏體晶粒，無變形。

無電即將鋼材浸入？45℃的0.5M H2SO4+0.1M LiCl溶液中80h，在這種環(huán)境下，316L被預(yù)期經(jīng)歷活性腐蝕和被氧化成低化合價(jià)的氧化產(chǎn)物（例如Fe2+，鉻3+等），此時(shí)顯微組織出現(xiàn)由不同取向的晶粒引起的不同腐蝕速率導(dǎo)致的“階梯”結(jié)構(gòu)。在浸入溶液中進(jìn)行了20 h的活性腐蝕后，相鄰顆粒之間的高度差由溶液暴露之前的±5 nm，增至大約1 μm。

有電即在鋼表面上施加一個(gè)電位，以引起穿透性腐蝕。當(dāng)施加高陽極電勢時(shí)，表面附近的鈍化層瞬間擊穿，和鋼溶解以形成高價(jià)物（包括Fe3+和HCRO4-）。表面形貌顯示出明顯的晶粒輪廓，這是由于在晶界形成臺(tái)階而導(dǎo)致的，平均表面高度僅在45s內(nèi)就下降了約1.1μm。

圖1 固溶退火后316L不銹鋼表面的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 無電狀態(tài)下316L不銹鋼腐蝕前后的VSI圖

通過結(jié)合EBSD和VSI分析得知，不同取向晶粒的主動(dòng)腐蝕速率和穿透腐蝕速率，均遵循：{001}<{101}<{111}。總體腐蝕敏感性從具有最低敏感性的{001}晶粒到具有最高敏感性的{111}晶粒排列。腐蝕速率的晶體學(xué)控制實(shí)際上與所施加的電勢和由于合金溶解而產(chǎn)生的可溶物無關(guān)。

圖3 無電狀態(tài)下平均表面高度的變化和腐蝕速率與時(shí)間的關(guān)系

圖4 316L不銹鋼的EBSD圖、晶粒取向和平均表面高度變化

圖5 主動(dòng)腐蝕與被動(dòng)腐蝕的腐蝕速率與晶粒取向關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，表面能對活化能和合金腐蝕速率有一定影響，但不是唯一影響因素。表面能遵循：{101}> {001}> {111}，{001}和{101}晶粒的腐蝕速率根據(jù)其表面能的變化而直觀地得出，而{111}晶粒盡管具有最低的表面能但腐蝕速率最高，這是由于平面上的離子吸附和反應(yīng)位點(diǎn)形成所致。{111}面的腐蝕活化能低于{001}和{101}晶粒的腐蝕活化能。

總的來說，本研究通過檢測數(shù)百種具有不同晶體學(xué)取向的晶粒來分析316L不銹鋼的腐蝕速率。隨著表面晶粒從{111}方向（即相對于表面法線）逐漸偏離，晶粒腐蝕速率降低。本文建立了晶粒取向影響腐蝕速率的機(jī)制。腐蝕速率不僅取決于溶質(zhì)（合金）的作用，還取決于其與周圍溶劑以及其中所含離子的相互作用。本研究對氧化過程的晶體學(xué)控制提供了更好的見解，為通過加工增強(qiáng)不銹鋼的抗氧化性指明了方向。