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 中国科学院金属研究所

不锈钢也会生锈?(1)

材料新视野
2015年02月02日
不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢常按组织状态分为:马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等。国际不锈钢论坛(ISSF)称,2010年全世界的不锈钢产量达到3070万吨,而我国也突破了1130万吨的产量。
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毕业于英国谢菲尔德大学(噢,这不是金属研究所第一任所长李薰先生的校友么?)的著名冶金科学家哈利 布雷尔利(Harry Brearley)于20世纪初期发明了不锈钢。
不锈钢的发明和使用,要追溯到第一次世界大战时期。布享利 布雷尔利受英国政府军部兵工厂委托,研究武器的改进工作。那时,士兵用的步枪枪膛极易磨损,布雷尔利想发明一种不易磨损的合金钢。布雷尔利发明的不锈钢于1916年取得英国专利权并开始大量生产。至此,从垃圾堆中偶然发现的不锈钢便风靡全球,亨利 布雷尔利也被誉为“不锈钢之父”。
2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上图上写着:Stainless Steel? Made in Sheffield
据统计,美国每年因腐蚀导致的损失大概占国家生产总值的3%。
对于不锈钢和铝合金而言,小孔腐蚀(点蚀)是对其最大的威胁。
点蚀的发生起始于材料表面,且经过形核与长大两个阶段,最终向材料表面以下的纵深方向迅速扩展。因此,点蚀破坏具有极大的隐蔽性和突发性。特别是在石油、化工、核电等领域,点蚀容易造成管壁穿孔,使大量油、气泄漏,甚至造成火灾、爆炸等灾难。
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不锈钢的点蚀从上世纪30年代开始就被广泛研究,人类对不锈钢点蚀形核机制的探索就从未间断,点蚀成为材料科学与工程领域中的经典问题之一。研究者普遍认为,点蚀的发生起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解。
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不锈钢里面添加了很多合金元素。其中铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12%左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜( 自钝化膜),可阻止钢的基体的腐蚀。除铬外,常用的合金元素还有钼、镍、钛、铌、铜等,以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。
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然而,在抗均匀腐蚀的同时,不锈钢的局部腐蚀(即“点蚀”)却难以避免。在钢的表面,或多或少的存在夹杂物,从而导致了钝化膜在此处的不连续。钢中最常见的夹杂物是硫化锰(MnS)或者是某些氧化物。在水溶液介质中,MnS易于溶解。溶解的结果就是暴露出了“新鲜”的钢基体,这些基体没有钝化膜的保护,便开始了腐蚀。
夹杂物溶解导致暴露出“新鲜”金属,无钝化膜保护,发生腐蚀。
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下图中展示的是不锈钢发生点蚀后的扫描电镜照片。图中长条状的是夹杂物硫化锰 。点蚀又分为初期的亚稳态蚀坑——这样的蚀坑可能出现之后就停止继续腐蚀,也有可能继续发展呈现出的稳态点蚀坑。后者是金属部件破坏的主要“凶手”。多年来的研究发现,点蚀发生位置多数情况下都起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解。
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既然确定了硫化锰夹杂的局域溶解是点蚀发生的原因,那么我们有必要了解硫化锰发生溶解的起始位置。过去,由于研究者们所使用的观察手段的限制,主要在于分辨能力以及缺乏材料微小结构与成分信息的限制,点蚀最初的形核位置被描述为“随机和不可预测的”。点蚀初始位置的“不明确”一直制约着人们对不锈钢点蚀机理的认识以及抗点蚀措施的改进 。