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Z3CN20.09M雙相不銹鋼，以下簡稱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℃）長時間服役，會造成熱老化脆化現(xiàn)象，導(dǎo)致沖擊功迅速下降，同時也會惡化Fe20Cr9NiDSS的耐腐蝕性能，尤其是耐點蝕性能。

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10nm），很難單獨研究Fe的α相和G相在點蝕萌生中的作用，所以通常認為Fe的α相是導(dǎo)致熱老化狀態(tài)的雙相不銹鋼的耐點蝕性能下降的主要原因，但是G相在點蝕萌生中作用往往被忽略。

近日，北京科技大學(xué)與中科院沈陽金屬所的研究人員采用TEM準原位的方法觀察到了熱老化狀態(tài)下Fe20Cr9Ni DSS（以下簡稱Fe20Cr9Ni DSS熱老化試樣）的納米級別點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)變場分布特征，揭示了界面應(yīng)變場在點蝕萌生中的作用。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）不存在納米級別的點蝕坑。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60 at%，但是點蝕坑并沒有在α相處萌生。由納米級別點蝕坑的萌生位置和3DAPT成分分析結(jié)果可知，Cr元素的偏聚并不是引起Fe20Cr9Ni DSS熱老化試樣點蝕性能下降的主要原因。

圖1 點蝕坑僅在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。通過電化學(xué)極化測試，原始試樣的點蝕電位為418.9mVSCE，熱老化試樣的點蝕電位為132.8mVSCE，熱老化+退火試樣的點蝕電位為199.2 mVSCE，退火后點蝕電位僅發(fā)生了有限回復(fù)，可知α相對點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

通過對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)變場和應(yīng)變能進行分析，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，儲存較高能量的應(yīng)變能。

圖4 未熱老化試樣中應(yīng)變場分布

圖5退火前后熱老化試樣中G相界面處的應(yīng)變場分布

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)，形成納米尺度的點蝕坑，明顯惡化熱老化試樣的耐點蝕性能。

圖7 應(yīng)變場誘發(fā)點蝕萌生示意圖

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)新金屬材料國家重點實驗室與中科院沈陽金屬所沈陽材料國家研究中心聯(lián)合完成。通過本研究，擴展了納米析出相對不銹鋼點蝕萌生機理的認識，對以后不銹鋼以及其他耐蝕合金的開發(fā)由重要指導(dǎo)作用。