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河北工大腐蚀顶刊:不锈钢复合板热轧过程中界面氧化物演变规律!

 材料科学网 2022-12-03 发表于江西

近日,河北工业大学材料科学与工程学院与广东省科学院新材料研究所通力合作,在金属腐蚀类顶级期刊《Corrosion Science》上发表了不同真空度下热轧不锈钢复合板的组织和性能研究的文章,论文第一作者为林曾孟博士研究生,通讯作者为殷福星教授和刘宝玺副研究员。本研究从不锈钢复合板宏观组织性能的调控入手扩展到层间界面微观形成机理的探究。研究结果表明:不锈钢真空热轧复合过程中界面氧化物的产生和演变与冶炼钢铁过程中选择性氧化机制极其相似,准原位表征各类界面氧化物的形成、消溶和转变过程,为异质热轧复合界面形成的冶金物理过程及机理增添了新的实验证据。

本文链接:
/science/article/abs/pii/S0010938X22007843

本项目团队自2015年以来,系统地对不锈钢复合板热轧过程中的各类参数,如热轧温度、热轧压下量、中间层的加入、热处理制度和真空度进行了系统性的调控和优化,表征尺度也亦从宏观过渡至细观和微观。系列研究结果表明:层间界面复合过程与界面氧化物的形成、破碎、消溶有着密切的联系,而界面氧化物的奥妙如同尘封多年的记忆,各种微量合金元素将悉数登场!在密封加热和保温过程中,率先氧化的并不是钢铁中的主体元素(FeCrNi),而是原始冶金过程中加入的各类微量脱氧剂,如CaMgAlMnSi等,各种复杂界面氧化物形成的热力学原理主要是由冶金物理化学中的氧势图(Ellingham)所决定。并且,在后续热轧和冷却过程中,根据氧分压的逐渐降低,以及各元素与氧亲和力的差异,它们又会分解,进而聚合,通过内氧化模式形成各类特殊的界面氧化物。

在低真空度下,316LQ235热轧不锈钢复合板界面氧化物会团聚在界面处,形成类似于汤姆逊原子模型式的瘤状物(主要包含有Cr2O3MnCr2O4SiO2),如图1所示。而随着真空度增加至10 Pa时,界面氧化物以核-壳式的颗粒结构存在于界面。并且界面处同时存在两种形式的氧化物,即MnO包裹SiO2SiO2包裹MnCr2O4两类核-壳结构。这主要归因于界面处氧化物的分解与合金元素的选择性氧化,如图2所示。当真空度达到10-2 Pa时,界面氧化物转变为非晶态的棒状Mn2SiO4,如图3所示。随着真空度增加,复合界面的拉伸剪切强度不断提升(如图4所示),并且剪切断裂位置从界面转移到脱碳层。这可能归因于三个原因:(1)在高真空度下,沿热轧覆层界面的氧化物密度相当低,界面氧化物的特征从松散的结节状复合物变为致密的颗粒;(2)界面纳米级非晶氧化物的尺寸相当精细,故此时Orowan机制在强化并增韧复合板界面方面发挥重要作用;(3)长棒状纳米级Mn2SiO4氧化物也可以作为具有高长径比的晶须,根据剪切滞后模型,其可能断裂成多个部分,从而提高了界面结合强度,同时起到了增韧的作用。


1 不同真空度下热轧复合板界面的EPMA图:(a) 105 Pa; (b) 400 Pa; (c) 10 Pa; (d) 10-2 Pa.

2 真空度为10 Pa时复合板界面氧化物的TEM图:(a, c)氧化物的核壳结构;(b) (a)图中核-壳结构界面的HRTEM图;(d) (c)图中IIISAED

3 不同真空度下复合板界面氧化物的TEMEDS面扫描图:(a) 105 Pa(b) 10 Pa(c) 10-2 Pa

4 不同真空度下热轧不锈钢复合板的拉伸剪切应力-位移曲线及拉剪试样示意图。

真空热轧界面氧化物的种类、组成、成分、分布和尺寸变化范围很大,这对微观尺寸的表征带来了异常的复杂性和不可预测性,这项研究成果揭开的仅是界面氧化物复杂演变规律的“冰山一角”。相关的深入研究有待继续进行,这将为不锈钢复合板层间界面的调控和优化设计提供较好的素材。目前,多层构筑、层状复合工艺已在大型核电制造领域成为关键技术,其界面复合机理与不锈钢复合板热轧复合机理殊途同归,均聚焦于界面氧化物演化规律以及对宏观力学性能的影响。因此,层间界面的不断深入探究定将助力于大国重器建设的理论和技术创新。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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