东北大学：晶界工程改善金属材料高温强塑性和腐蚀性能新进展！

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近年来，东北大学材料科学与工程学院李小武教授课题组在FCC 金属的晶界特征分布优化（GBCD）处理工艺（一种重要的GBE处理工艺）及其对腐蚀和室温力学性能影响方面开展了系统的工作，结果发表在Corros.Sci. (2016, 107: 49-59)、Mater. Sci. Eng. A (2019, 765:138299)等SCI期刊上。最近，该课题组在“GBE对低层错能Cu-16.at%Al合金高温力学性能和高氮无镍奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀性能影响”方面又取得了新的研究进展，为同步提高金属材料的高温强塑性以及耐晶间腐蚀性能提供了新的思路。相关结果发表于国际SCI期刊Scripta Materialia和Acta Metallurgica Sinica (English Letters)（封面文章）。

该工作通过适当（7%冷轧和723 K退火72 h）火72 h）的形变热处理工艺获得了与非晶界工程（non-GBE）样品晶粒尺寸相当、但晶界特征分布显著优化（特殊晶界比例高达86.2%）的晶界工程样品（图1a）。随后，在723 K下对晶界工程和非晶界工程样品进行不同应变速率（10-2/s和10-4/s）的拉伸性能测试发现，晶界工程显著提高了Cu-16.at%Al合金的高温塑性；尤其是，在应变速率10-4/s下，晶界工程样品的高温强度（屈服强度和抗拉强度）也得到了提升，实现了强度和塑性的同步提高（图1b）。对断后样品的变形显微组织及变形激活能进行表征和计算发现，晶界工程主要是通过改善变形均匀性、增强裂纹扩展阻力来提高材料的塑性。而强度的提升则主要是因为晶界工程降低了材料的吉布斯自由能（变形激活能间接反映），提高了其高温变形稳定性，进而抑制了变形过程中因动态再结晶发生而导致的高温软化（图1c）。

图1 探究晶界工程影响Cu-16.at%Al合金高温力学性能的总结图。（a）晶界工程和非晶界工程样品原始组织对比；（b）在高温450˚C和不同应变速率（10-2/s和10-4/s）下，晶界工程和非晶界工程样品的力学性能对比；（c）应变速率10-4/s下，晶界工程样品和非晶界工程样品的断后显微组织对比。[Scripta Mater., 2020, 187: 216-220]

该工作首先探索得到了Fe-20Cr-19Mn-2Mo-0.82N高氮无镍奥氏体不锈钢的最佳晶界工程处理工艺（5%冷轧和1423 K下退火72 h），并以此工艺获得了与目标材料基态（BM）样品相比特殊晶界（∑ ≤ 29的重位点阵晶界）比例大幅提升（增幅32.1%）的晶界工程样品（图2a）。通过草酸电解腐蚀试验和硫酸-硫酸铁腐蚀试验评估基态和晶界工程态目标材料的抗晶间腐蚀性能发现，晶界工程可有效提高该不锈钢的抗晶间腐蚀性能（图2b）。对腐蚀样品表面的金相和EBSD观察结果表明，晶界工程改善目标材料抗腐蚀性能的原因在于形变热处理诱发了大量耐蚀的∑3晶界，阻断了随机大角晶界的连通性，从而阻碍了腐蚀裂纹沿随机大角晶界的扩展（图2c），最终达到提升材料抗晶间腐蚀的目的。该工作被Acta Metallurgica Sinca (English Letters)选作了当期的封面文章（见图3）进行了特别报道。

图2 探究晶界工程影响奥氏体不锈钢性能的总结图。（a）晶界工程和基态样品晶界特征分布及大角随机晶界网络对比；（b）晶界工程和基态样品失重随腐蚀持续时间的变化曲线对比；（c）晶界工程样品中Σ3晶界打断随机大角晶界网路连通性的金相照片和相应的EBSD结果。[Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 33, 2020: 789-798]

图3 Acta Metallurgica Sinca (English Letters)当期封面

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s40195-020-01000-8

文章来源：东北大学材料学院

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