江蘇大學：激光沖擊強化誘導雙相馬氏體鋼強韌性、抗應力腐蝕性同步提升！
2024-11-11 14:04:41
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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馬氏體不銹鋼由于其優良的機械性能和耐蝕性，被廣泛應用于石油化工、食品餐具、醫療等行業。然而，熱處理過程中碳化物的析出和長大會減少碳過飽和度與晶格畸變，導致馬氏體不銹鋼強度降低；伴隨碳化物的析出，碳化物-基體界面處會產生貧Cr區，導致局部點蝕的發生。激光沖擊強化技術(LSP: Laser shock peening)，作為一種新型表面嚴重塑性變形強化技術，利用脈沖高功率激光束改變表層材料的微觀組織和殘余應力狀態，提升金屬材料的機械性能和耐腐蝕性。對于馬氏體不銹鋼的LSP強化處理，近年來的研究主要集中在誘導的晶粒細化和殘余壓應力對其力學/腐蝕性能的改善、或是碳化物的變形與分解現象，目前還未見相關研究涉及LSP誘導的碳化物微觀組織演變對馬氏體鋼腐蝕裂紋萌生及擴展行為的影響機理。先前的研究表明，LSP處理AISI 420馬氏體不銹鋼能夠使馬氏體和碳化物組織同時發生納米化甚至非晶化，還能使碳化物同時發生塑性和脆性變形以及局部分解。上述微觀組織的變化都會嚴重影響馬氏體不銹鋼的力學性能和腐蝕行為，因此，有必要系統地研究LSP引起的基體和碳化物的變化對馬氏體不銹鋼應力腐蝕行為的影響。來自江蘇大學的王長雨博士(第一作者)、徐陸婕碩士生（第二作者）、羅開玉教授(通訊作者)和魯金忠教授(通訊作者)等人研究了LSP處理后2Cr13馬氏體不銹鋼在氯化鈉溶液中的抗應力腐蝕行為。通過試樣在空氣環境和3.5wt%NaCl溶液中進行的拉伸試驗來評估其宏觀力學性能；通過透射電鏡和能譜元素面掃對LSP以及拉伸試驗前后的馬氏體不銹鋼試樣進行馬氏體和碳化物雙相微觀結構觀測；并通過掃描電鏡觀察試樣斷口、表面滑移帶、腐蝕坑的形態及其和碳化物的位置關系；最后從殘余壓應力、基體塑性變形和碳化物塑性/脆性變形行為等角度揭示了LSP處理2Cr13馬氏體不銹鋼抗應力腐蝕機理。相關論文以題為“Effects of dual-phase deformation behaviors on simultaneously enhanced tensile properties and stress corrosion resistance of 2Cr13 martensitic stainless steel treated by laser shock peening”發表在表面領域知名期刊Surface and Coatings Technology。https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131379結果表明：LSP誘導2Cr13馬氏體不銹鋼基體和碳化物發生雙相納米化的同時也引起碳化物的脆性變形和局部分解，并在其表層誘導了梯度殘余壓應力。圖1 LSP誘導的基體和富Cr碳化物納米化、碳化物的脆性變形和局部分解
LSP顯著提升了馬氏體不銹鋼的機械性能和抗應力腐蝕性能，使其在空氣中和溶液中的延伸率分別提高36.7%和44.6%，抗拉強度分別提升8.8%和14.7%。
圖3 空氣和溶液中進行慢應變速率拉伸實驗的應力-應變曲線和宏觀圖圖4 原始試樣和沖擊試樣在空氣中拉伸斷裂后的表面形態原始試樣在空氣中拉伸后的表面形貌，可以觀察到少量裂紋和微孔以及部分短且彎曲的滑移帶；而沖擊試樣表面除了滑移帶，只有少量微孔，并未發現明顯裂紋。圖5 原始試樣和沖擊試樣在溶液中拉伸斷裂后的表面形態通過觀察原始試樣在溶液中拉伸后的表面形貌可以發現試樣腐蝕情況較為嚴重，表面存在大量尺寸不一的腐蝕坑。相比之下，沖擊試樣的腐蝕坑數量與尺寸明顯減少。此外，透射電鏡顯示原本LSP誘導的超細晶/納米晶生長被激活，晶粒尺寸由拉伸前的50-250 nm增長至100-500 nm。沖擊試樣中的碳化物在拉伸試驗后發生了明顯的錯位變形，變形方向與拉伸最大剪應力方向相似，呈45°。通過對比沖擊試樣拉伸前后的碳化物線掃數據還能發現拉伸使沖擊試樣中的碳化物進一步發生了分解。圖5 拉伸誘導馬氏體不銹鋼發生晶粒粗化、碳化物的變形與分解總的來說，LSP誘導的馬氏體板條晶粒細化和碳化物局部分解促進了樣品表面均勻富鉻鈍化膜的形成，提高其耐腐蝕性。一方面，基于細晶強化、位錯強化和第二相強化，LSP處理的馬氏體不銹鋼強度得到了提升。另一方面，由于獨特的細/粗晶異質結構，碳化物的內部變形、碎化以及拉伸過程中的晶粒粗化提高了LSP樣品的延展性，可以緩解應力集中，抑制滑移帶的產生，延緩鈍化膜開裂的時間。此外，LSP在樣品表面引起的高水平殘余壓應力不僅可以提高馬氏體不銹鋼的力學性能，還可以使Cl-更難滲透鈍化膜，這有助于提高抗點蝕性，抑制腐蝕坑擴展。因此，耐腐蝕性、強度和韌性的綜合提高有效地抑制了馬氏體不銹鋼的應力腐蝕行為。
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