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中國科學院對不銹鋼點蝕機理認識尺度

時間:2020-11-14 11:23來源:未知 作者:admin 點擊:
近日,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室研究員馬秀良領導的團隊,利用高分辨率透射電子顯微技術,發現硫化錳夾雜中彌散分布著具有八面體結構的氧化物(MnCr2O4)納米顆粒。在模擬材料使役條件下的原位環境(外)電子顯微學研究表明,這些納米氧化物的存在相當于硫化錳中內在的微小“腫瘤”。在一定的介質條件下,硫化錳的局域溶解正是起源于它與“腫瘤”之間的界面處,并由此逐步向材料體內擴展。  
  研究還表明,氧化物納米八面體使得硫化錳的局域溶解存在速度上的差異。在此基礎上,該研究小組與英國貝爾法斯特女王大學的胡培君教授合作,確定那些具有強的活性、易使其周圍硫化錳快速溶解的氧化物納米八面體具有以金屬離子作為其外表面的特征(類“惡性腫瘤”);相反,較低活性的納米八面體則以氧離子作為其外表面(類“良性腫瘤”)。這一發現為揭示不銹鋼點蝕初期硫化錳溶解的起始位置提供了直接證據,使人們對不銹鋼點蝕機理的認識從先前的微米尺度提升至原子尺度,為探索提高不銹鋼抗點蝕能力的新途徑提供了原子尺度的結構和成分信息。這項研究成果已于近日在Acta Materialia(《材料學報》)在線發表。  
  不銹鋼的表面因形成致密的氧化鉻薄膜而具有高抗腐蝕能力,得以廣泛應用于現代工業領域以及日常生活。然而,在抗均勻腐蝕的同時,不銹鋼的局部點狀腐蝕(即點蝕)卻難以避免。點蝕的發生起始于材料表面,且經過形核與長大兩個階段,最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴展。因此,點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發性。特別是在石油、化工、核電等領域,點蝕容易造成管壁穿孔,使大量油、氣泄漏,甚至造成火災、爆炸等災難。  
  自上世紀30年代開始至今,人類對不銹鋼點蝕形核機制的探索就從未間斷,點蝕成為材料科學與工程領域中的經典問題之一。盡管研究人員普遍認為,點蝕的發生起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解,但由于缺乏微小尺度的結構與成分信息,點蝕最初的形核位置被描述為“隨機和不可預測的”。點蝕初始位置的“不明確”一直制約著人們對不銹鋼點蝕機理的認識以及抗點蝕措施的改進。  
       微米尺度的氧化物夾雜物會損傷鋼鐵材料的機械性能早已為人們普遍關注,并已得到有效控制。例如在冶金技術上通過減小非金屬夾雜物的尺寸,獲得“超潔凈”鋼。馬秀良等的研究表明,即使將氧化物的尺寸減小至納米量級,它們仍可通過電化學途徑損害材料結構。因此,小尺度氧化物夾雜在傳統(或新型)金屬材料中的形成與作用值得關注,這將對改進在一定介質條件下長期服役的金屬材料和生物醫用材料的使役行為具有重要意義。
(責任編輯:yuancheng)
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