江苏大学：激光冲击强化诱导双相马氏体钢强韧性、抗应力腐蚀性同步提升！

2024-11-11 14:04:41 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

马氏体不锈钢由于其优良的机械性能和耐蚀性，被广泛应用于石油化工、食品餐具、医疗等行业。然而，热处理过程中碳化物的析出和长大会减少碳过饱和度与晶格畸变，导致马氏体不锈钢强度降低；伴随碳化物的析出，碳化物-基体界面处会产生贫Cr区，导致局部点蚀的发生。激光冲击强化技术(LSP: Laser shock peening)，作为一种新型表面严重塑性变形强化技术，利用脉冲高功率激光束改变表层材料的微观组织和残余应力状态，提升金属材料的机械性能和耐腐蚀性。对于马氏体不锈钢的LSP强化处理，近年来的研究主要集中在诱导的晶粒细化和残余压应力对其力学/腐蚀性能的改善、或是碳化物的变形与分解现象，目前还未见相关研究涉及LSP诱导的碳化物微观组织演变对马氏体钢腐蚀裂纹萌生及扩展行为的影响机理。先前的研究表明，LSP处理AISI 420马氏体不锈钢能够使马氏体和碳化物组织同时发生纳米化甚至非晶化，还能使碳化物同时发生塑性和脆性变形以及局部分解。上述微观组织的变化都会严重影响马氏体不锈钢的力学性能和腐蚀行为，因此，有必要系统地研究LSP引起的基体和碳化物的变化对马氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响。

来自江苏大学的王长雨博士(第一作者)、徐陆婕硕士生（第二作者）、罗开玉教授(通讯作者)和鲁金忠教授(通讯作者)等人研究了LSP处理后2Cr13马氏体不锈钢在氯化钠溶液中的抗应力腐蚀行为。通过试样在空气环境和3.5wt%NaCl溶液中进行的拉伸试验来评估其宏观力学性能；通过透射电镜和能谱元素面扫对LSP以及拉伸试验前后的马氏体不锈钢试样进行马氏体和碳化物双相微观结构观测；并通过扫描电镜观察试样断口、表面滑移带、腐蚀坑的形态及其和碳化物的位置关系；最后从残余压应力、基体塑性变形和碳化物塑性/脆性变形行为等角度揭示了LSP处理2Cr13马氏体不锈钢抗应力腐蚀机理。相关论文以题为“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”发表在表面领域知名期刊Surface and Coatings Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131379

结果表明：LSP诱导2Cr13马氏体不锈钢基体和碳化物发生双相纳米化的同时也引起碳化物的脆性变形和局部分解，并在其表层诱导了梯度残余压应力。

图1 LSP诱导的基体和富Cr碳化物纳米化、碳化物的脆性变形和局部分解

图2 LSP诱导的残余压应力层

LSP显著提升了马氏体不锈钢的机械性能和抗应力腐蚀性能，使其在空气中和溶液中的延伸率分别提高36.7%和44.6%，抗拉强度分别提升8.8%和14.7%。

图3 空气和溶液中进行慢应变速率拉伸实验的应力-应变曲线和宏观图

图4 原始试样和冲击试样在空气中拉伸断裂后的表面形态

原始试样在空气中拉伸后的表面形貌，可以观察到少量裂纹和微孔以及部分短且弯曲的滑移带；而冲击试样表面除了滑移带，只有少量微孔，并未发现明显裂纹。

图5 原始试样和冲击试样在溶液中拉伸断裂后的表面形态

通过观察原始试样在溶液中拉伸后的表面形貌可以发现试样腐蚀情况较为严重，表面存在大量尺寸不一的腐蚀坑。相比之下，冲击试样的腐蚀坑数量与尺寸明显减少。

此外，透射电镜显示原本LSP诱导的超细晶/纳米晶生长被激活，晶粒尺寸由拉伸前的50-250 nm增长至100-500 nm。冲击试样中的碳化物在拉伸试验后发生了明显的错位变形，变形方向与拉伸最大剪应力方向相似，呈45°。通过对比冲击试样拉伸前后的碳化物线扫数据还能发现拉伸使冲击试样中的碳化物进一步发生了分解。

图5 拉伸诱导马氏体不锈钢发生晶粒粗化、碳化物的变形与分解

总的来说，LSP诱导的马氏体板条晶粒细化和碳化物局部分解促进了样品表面均匀富铬钝化膜的形成，提高其耐腐蚀性。一方面，基于细晶强化、位错强化和第二相强化，LSP处理的马氏体不锈钢强度得到了提升。另一方面，由于独特的细/粗晶异质结构，碳化物的内部变形、碎化以及拉伸过程中的晶粒粗化提高了LSP样品的延展性，可以缓解应力集中，抑制滑移带的产生，延缓钝化膜开裂的时间。此外，LSP在样品表面引起的高水平残余压应力不仅可以提高马氏体不锈钢的力学性能，还可以使Cl-更难渗透钝化膜，这有助于提高抗点蚀性，抑制腐蚀坑扩展。因此，耐腐蚀性、强度和韧性的综合提高有效地抑制了马氏体不锈钢的应力腐蚀行为。

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