導讀：晶體取向如何影響奧氏體合金的腐蝕行為知之甚少。本研究通過檢測數百種具有不同晶體學取向的晶粒來分析316L不銹鋼的腐蝕速率，建立了晶粒取向影響腐蝕速率的機制，對氧化過程的晶體學控制提供了更好的見解，為通過加工增強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）和鎳基合金經常用于核電站的反應堆堆芯組件中。這些合金通常具有面心立方（FCC）結構，并具有出色的高溫抗氧化性。但是，這些合金的降解（如由于應力腐蝕裂紋等）導致易受雙曲線破壞的影響，進而失效。迄今為止，學者們已經做出了巨大的努力來揭示晶界結構對應力腐蝕（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（即氧化）降解知之甚少。

來自美國加州大學等單位的研究人員通過結合使用垂直掃描干涉法（VSI）的形貌測量值和電子背散射（EBSD）的顯微結構分析，系統地探討了晶體取向對AISI 316L不銹鋼的主動（即無電）和被動（即有電）氧化的影響。相關論文以題為“Elucidating the grain-orientation dependent corrosion rates of austenitic stainless steels”發表在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常見的316L不銹鋼，在真空熱處理爐進行1000℃×1h固溶退火后進行爐冷。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，在這種環境下，316L被預期經歷活性腐蝕和被氧化成低化合價的氧化產物（例如Fe2+，鉻3+等），此時顯微組織出現由不同取向的晶粒引起的不同腐蝕速率導致的“階梯”結構。在浸入溶液中進行了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電位，以引起穿透性腐蝕。當施加高陽極電勢時，表面附近的鈍化層瞬間擊穿，和鋼溶解以形成高價物（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階而導致的，平均表面高度僅在45s內就下降了約1.1μm。

圖1 固溶退火后316L不銹鋼表面的微觀結構

圖2 無電狀態下316L不銹鋼腐蝕前后的VSI圖

通過結合EBSD和VSI分析得知，不同取向晶粒的主動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。腐蝕速率的晶體學控制實際上與所施加的電勢和由于合金溶解而產生的可溶物無關。

圖3 無電狀態下平均表面高度的變化和腐蝕速率與時間的關系

圖4 316L不銹鋼的EBSD圖、晶粒取向和平均表面高度變化

圖5 主動腐蝕與被動腐蝕的腐蝕速率與晶粒取向關系

研究發現，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位點形成所致。{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，本研究通過檢測數百種具有不同晶體學取向的晶粒來分析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制。腐蝕速率不僅取決于溶質（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控制提供了更好的見解，為通過加工增強不銹鋼的抗氧化性指明了方向。