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        位錯對形變304亞穩(wěn)態(tài)不銹鋼中奧氏體的電化學性能的影響

        2014-05-14 07:22:09謝金鵬駱紅云呂金龍葉康琳
        航空學報 2014年10期
        關(guān)鍵詞:馬氏體奧氏體電流密度

        謝金鵬,駱紅云,呂金龍,葉康琳

        北京航空航天大學 材料科學與工程學院 航空航天材料和性能重點實驗室,北京 100191

        奧氏體不銹鋼由于其具有較好的塑性和抗腐蝕性能而被廣泛地應用于核電等環(huán)境,其塑性變形以位錯纏結(jié)[1]、晶界處位錯堆積[2]為主。此外,由于其具有較低的層錯能,低溫和高應變速率形變過程中也會形成寬的堆積層錯和形變孿晶。其中有關(guān)不銹鋼塑性的研究中,許多學者關(guān)注冷加工水平對不銹鋼位錯密度和錯位類型變化的影響。Estrin等[3]提出面心立方金屬的位錯反應機制,認為在變形開始階段少量的滑移系開動,隨著形變量的增大,位錯纏結(jié)形成了胞狀結(jié)構(gòu),然后位錯胞數(shù)量增加,并且其尺度減小。位錯胞內(nèi)位錯減少,而胞壁的位錯數(shù)量卻逐漸增多,隨著變形量的增加,增大的存儲能位錯發(fā)生反應形成小角度亞晶界。冷軋304不銹鋼奧氏體相中的位錯密度可以通過對X射線衍射的分析來評價,結(jié)果顯示位錯密度隨應變單調(diào)增加[4]。不銹鋼抗腐蝕的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):陽極電流密度并不是隨應變單調(diào)變化的,而是隨著塑性變形的增加會出現(xiàn)一個最大值[5-6]。對于該現(xiàn)象目前有2種解釋,①塑性變形過程中位錯結(jié)構(gòu)的變化,變形初期,出現(xiàn)新位錯和堆積,然后堆積被破壞,位錯重新排列到低能的組態(tài);②電流密度在高應變水平時的降低與高位錯密度區(qū)域的面積分數(shù)下降時的異質(zhì)位錯的重新排列有關(guān)[5,7]??梢?,位錯密度和位錯形態(tài)結(jié)構(gòu)對不銹鋼塑性變形以及變形后抗腐蝕性能均有較大影響。

        然而,關(guān)于不銹鋼中亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體相在塑性變形中位錯結(jié)構(gòu)對腐蝕過程影響的研究卻很少[5]。主要是由于304亞穩(wěn)態(tài)不銹鋼在塑性變形過程中會產(chǎn)生應變誘導馬氏體[8-10],因此,在傳統(tǒng)的電化學測量中馬氏體的影響不能被消除。在以前的研究中,馬氏體對陽極電流密度的影響被忽略[11]。然而,事實上,應變誘導馬氏體降低了腐蝕抗力已經(jīng)在一些研究中被提及[12]。因此,本文采用局部電化學技術(shù)來取代傳統(tǒng)的電化學測量,測試區(qū)域是通過光學顯微鏡選擇的相對平滑且具有較少滑移帶的區(qū)域,以此來消除馬氏體的影響。

        本文通過局部電化學阻抗譜(LEIS)和極化曲線的測量,得到了不同應變水平下主要的奧氏體相基體的阻抗和陽極電流,然后討論其腐蝕行為。其中主要探討了位錯密度(通過維氏顯微硬度來研究)和位錯堆積數(shù)(通過掃描開爾文探針(SKP)測量的表面電勢來計算)對電化學性能的影響。

        1 實驗研究

        1.1 材料

        研究用2.0 mm厚的AISI 304不銹鋼矩形板材,其化學組分如表1所示。將AISI 304不銹鋼在室溫下進行工程應變?yōu)?0%、20%、30%和40%的拉伸變形,應變速率為0.001 s-1,實驗設備為電液伺服試驗系統(tǒng)(INSPEKT 100 k N),試樣標距長度為80 mm。

        表1 AISI 304不銹鋼的化學成分Table 1 Chemistry compositions of AISI 304 strainless steels wt%

        1.2 局部電化學測試

        實驗裝置如圖1(a)所示,R、C和 W 分別為連接電極、對電極和工作電極。將尖端直徑為30μm的鉑測量電極焊接到銅線上(圖1(b)),放置在一個可以在三維方向上移動的支撐上。測量在三電極系統(tǒng)下進行。工作電極為試樣表面。對電極為鉑尖端電極,通過毛細管與電解質(zhì)液滴連通的飽和甘汞電極作為參比電極。鉑電極置于試樣表面上方,與試樣表面呈45°角。通過光學顯微鏡觀察鉑電極尖端的位置。通過可動支架將鉑利用電極尖端與試樣表面之間的距離調(diào)整為約100μm。當在工作電極上施加電壓擾動信號時,電化學工作站(上海華辰CHI660B)記錄電流響應信號。

        用砂紙將試樣逐級打磨至3 000#砂紙,之后用0.5μm的氧化鋁拋光膏拋光,丙酮脫脂,去離子水沖洗,室溫下空氣中干燥。在電化學測試之前,試樣在10wt%的草酸中電解腐蝕。通過光學顯微鏡選擇少滑移帶的相對光滑區(qū)域作為測試區(qū)域。

        通過電化學工作站對不同形變的試樣表面進行LEIS測試。電解液為3.5wt%的NaCl溶液,溶液用分析純NaCl和去離子水配制。實驗在室溫下進行。為得到穩(wěn)定的開路電位,試樣在3.5wt%的Nacl溶液中浸泡1 800 s,在腐蝕電位下對電極施加20 m V的交流電(AC)干擾信號,測試頻率范圍為0.01 Hz~100 k Hz。動電位極化測試也是在3.5wt%的NaCl溶液中進行的,測試溫度為298 K。極化曲線測試的電勢范圍為-1.3 VSCE~0.2 VSCE,其中VSCE為飽和甘汞電極的電勢,掃描速率為0.001 67 V/s。電化學測試前試樣的測試面在液滴中浸泡30 min。

        1.3 維氏顯微硬度測量和位錯密度計算

        用錐體金剛石壓頭的FM-800顯微硬度測試儀進行顯微硬度測試。施加載荷為50 g,加載時間為10 s。根據(jù)式(1)確定維氏顯微硬度HV和位錯密度ρ的關(guān)系[13]為

        式中:φ為壓頭半錐角,其值為68°;G為剪切彈性模量;b為柏氏矢量數(shù)據(jù),可根據(jù)文獻[14]得到;α為經(jīng)驗系數(shù)(0.2~0.5);F為壓頭作用力。

        1.4 SKP測試

        通過Nanoman VS原子力顯微鏡(AFM)對不同形變的試樣進行SKP測試。在表面勢模型中,通過AFM獲得20μm×20μm區(qū)域的電勢分布。在SKP測試之前,試樣在10wt%的草酸中侵蝕15 s。通過形態(tài)區(qū)分光滑的奧氏體區(qū)域和滑移帶區(qū)域。

        2 實驗與計算結(jié)果

        2.1 顯微硬度測試

        圖2(a)所示為顯微硬度測試結(jié)果,由圖可知,奧氏體的硬度隨形變的增大而明顯增加。圖2(b)顯示出位錯密度隨形變單調(diào)增加。這一結(jié)果與以前的研究結(jié)果一致[4]。這一方法還可以計算總的位錯密度。

        2.2 奧氏體應變函數(shù)的SKP測試

        根據(jù)圖3(a),測試區(qū)域面積為3μm×3μm,因為這一區(qū)域形態(tài)光滑(高度差不超過60 nm),并且沒有明顯的滑移帶。圖3(b)為不同形變奧氏體的電位分布。由圖可知,隨著應變增加電位降低,形變?yōu)?0%時下降到最低,形變增加到40%電位開始升高。圖3(c)為不同形變奧氏體測試區(qū)域的平均電位。

        根據(jù)機械化學理論[14],畸變能僅取決于幾何參數(shù),也就是位錯堆積數(shù)。因此位錯堆積數(shù)可以反映表面反應中位錯不均勻分布的影響,從而進一步反映腐蝕性能。

        圖2 顯微硬度和位錯密度隨應變的變化Fig.2 Microhardness and dislocation density with different strains in AISI 304 stainless steel

        局部的畸變能取決于平面位錯堆積,可得到離中心距離為r處的電勢為

        式中:εF為費米能級(大多數(shù)金屬的費米能級為7~8 e V);e為電子電荷;A1為修正系數(shù),由線彈性和非線性彈性常數(shù)決定;r為極坐標;ν為泊松比;n為位錯堆積數(shù),可以通過SKP得到的電位進行計算,如圖3(c)所示??梢姡S著形變增加,形變?yōu)?0%時n增加到最大值20,然后在40%時降低到14。

        2.3 LEIS結(jié)果

        圖3 不同應變下的奧氏體的電勢Fig.3 Potential of austenite under different strain

        圖4給出了不同應變下奧氏體及其膜阻抗,根據(jù)圖4(a),奧氏體晶粒阻抗呈現(xiàn)出容抗特性。其中橫軸和縱軸分別為實部阻抗Z′和虛部阻抗Z″。由圖可知,隨著形變增加,奧氏體晶粒的阻抗單調(diào)遞減。Nyquist圖的等效電路見圖4(a)的插圖,其中Rs和R1為溶液電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻;R2和C為膜阻抗和雙電層電容;Q為常相位角元件(CPE)。由于電極表面的非均勻性導致弛豫時間分布,Q用來反應電容行為[15-17]。圖4(b)為不同應變下的膜阻抗圖,可以看出,所有試樣的膜阻抗R2隨形變的增加從5.54×105Ω降低到8.42×104Ω。

        圖4 不同應變下的奧氏體及其膜阻抗Fig.4 Impedance spectroscopy of austenite and the film impledance under different strains

        2.4 極化結(jié)果

        圖5為不同塑性應變水平下,-1 200~200 m V范圍內(nèi)的電流密度隨著電勢變化曲線,得出和文獻[7]相似的研究結(jié)果。

        圖5 掃描速率為1.67 mV/s時,不同應變水平下AISI 304不銹鋼在3.5wt%NaCl溶液中的動態(tài)極化曲線Fig.5 Potentiodynamic polarization curves for AISI 304 stainless steel at various strain level in 3.5%NaCl solution,when scan rate is 1.67 m V/s

        定義電流密度比,其中i(ε0)是應變?yōu)?%試樣的電流密度。-0.3 V下陽極腐蝕電流密度隨應變的變化而變化,如圖6所示。圖中:q1為計算得到的均勻位錯導致的電流密度比;q2為計算得到的非均勻位錯導致的陽極電流密度比;q3為q1和q2之和;q為實驗測得的陽極電流密度值??芍攽冊黾訒r,陽極電流密度增加,當應變量達到30%時,陽極電流密度達到最大值,隨后又顯著降低。

        圖6 電流密度比i(ε)/i(ε0)隨著塑性應變量的變化Fig.6 Current density ration i(ε)/i(ε0)changes with plastic strain

        3 討 論

        根據(jù)Taylor模型,剪切應力τ與位錯密度滿足如下關(guān)系:τ=αGb。所以,位錯密度隨著變形量的增加而增加,這與顯微硬度的結(jié)果相吻合。一般來講,拉伸曲線,存在3個階段,這3個階段受加工硬化率的影響[5]。在階段Ⅰ中,在大部分晶粒中看到的是單個位錯的面滑移。而多滑移和交滑移則在階段Ⅱ(ε≥10%)時才被激活,并產(chǎn)生了混雜的位錯結(jié)構(gòu)(纏結(jié)、六邊形網(wǎng)絡、位錯墻和位錯胞)。在階段Ⅲ中,交滑移更普遍地產(chǎn)生,同時位錯墻成為了主要的位錯結(jié)構(gòu)特征。所以在階段Ⅱ和階段Ⅲ時,位錯的分布可以分別歸類于均勻分布和不均勻分布。位錯分布對于電化學性能的影響可以從這兩個方面予以進一步研究。

        3.1 位錯對于LEIS的影響

        LEIS結(jié)果顯示了膜阻抗R2隨著應變的增加而單調(diào)減少,如圖4(b)所示。鈍化膜可以看做是半導體。根據(jù)半導體電化學,經(jīng)過冷加工的304不銹鋼的鈍化膜中的摻雜水平比退火試樣高[17]。更高的摻雜水平可能是因為鈍化膜的扭曲結(jié)構(gòu)造成的,而更高的摻雜水平意味著更不穩(wěn)定的鈍化膜[18]。Lee和 Yoon等[19]發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面鈍化膜中施主和受主濃度的同時增加會導致不銹鋼耐蝕性的下降,此外,施主和受主濃度隨應變誘導馬氏體含量線性增加。但是,對于傳統(tǒng)的電化學測試,位錯和應變誘導馬氏體的影響不能很好地區(qū)分開,因為這兩者都隨著應變量的增加而增加。當AISI304不銹鋼變形時,應變誘導馬氏體在很多微結(jié)構(gòu)應力集中處形核,例如剪切帶交叉處,單獨的剪切帶和剪切帶與晶界交叉處[8-10]。所以在本文的研究中,利用微區(qū)電化學測量相對光滑、少滑移帶的地方,可以排除馬氏體的影響。根據(jù)圖3(c),位錯密度在應變?yōu)?0%時達到最大值,然后在應變?yōu)?0%時迅速降低,這與R2的變化(見圖4(b))不一致。這說明不銹鋼表面的鈍化膜電阻對于位錯堆積不敏感。根據(jù)圖2(b),位錯密度隨著應變水平增加而單調(diào)增加。所以膜阻抗R2和位錯密度表現(xiàn)出相對較好的線性關(guān)系。從而說明,阻抗的減少是由于位錯密度的增加。

        3.2 位錯對陽極電流密度的影響

        3.2.1 均勻分布的位錯

        根據(jù)熱動力學和電化學理論,在變形過程中,機械作用和電化學的協(xié)同效果可以作為化學反應的激活能。陽極電流密度可以表示為激活能的函數(shù)[20]。整體反應由以下3個基本反應組成[20]:

        式中:A為復雜離子(本文中為(OH-));下標aq、ad和s分別代表水合粒子、沉淀粒子和表面粒子;M為金屬元素。

        穩(wěn)定狀態(tài)的電流密度為

        式中:R為氣體常量;T為溫度;k0為單位面積的位置個數(shù);Δga為激活能,其表達式為

        式中:Δgeq為標準激活能;β為對稱性因子;E為電勢;Na為摩爾數(shù);m為經(jīng)驗系數(shù)為經(jīng)驗常數(shù)均值。聯(lián)合式(6)和式(7)得到電流密度的表達式為

        式中:

        此處假定動力學常數(shù)k不隨塑性應變量而改變,則比例q可表示為

        式中:j(ε0)為未加載狀態(tài)的電流密度。

        由此得到計算結(jié)果,如圖6所示。隨著應變量的增加,q略微增加,這說明位錯均勻分布對于電流密度的改變貢獻很小,尤其是在高應變水平條件下。計算值顯著低于實驗結(jié)果。

        3.2.2 位錯不均勻分布

        根據(jù)機械化學理論,當位錯堆積時,位錯堆積的數(shù)量決定了表面電流密度的變化Δi,其中,Δi可以根據(jù)式(11)和式(12)計算。

        式中:S1為陽極反應的面積;S2為機械化學有效面積;ia為初始表面未變形狀態(tài)下的陽極電流密度;z為離子價數(shù);F 為法拉第常量;Δφ0(x0)為離位錯中心為x0的電勢變化,在本文中x0=20b。

        通過式(11)~式(13),可以計算出比例q2=1+Δi/i0,結(jié)果見圖6。從q2的計算結(jié)果可以看出,位錯的不均勻分布比均勻分布產(chǎn)生的電流密度變化更顯著。應變?yōu)?0%時,q1和q2近似相當。從變化趨勢來看,可以推測在較低的應變水平下(小于10%),q1比q2更大。也就是說在較低的應變水平下,均勻分布的位錯在增加陽極電流密度時起到重要作用。相似的結(jié)果在以前的文獻中也有報道[16]。在較高的應變水平下(大于10%),位錯堆積對電流密度的影響十分顯著。結(jié)合兩者的影響,可以得到總體變化q3的計算結(jié)果如圖6所示。相對于實驗結(jié)果,i(ε)/i(ε0)被低估了。其原因可能是因為忽略了長程內(nèi)應力。

        4 結(jié) 論

        在不同的應變水平下進行了局部微區(qū)電化學和極化曲線分析,結(jié)果顯示位錯密度和位錯結(jié)構(gòu)對不銹鋼的阻抗和陽極電流密度有重要影響。主要結(jié)論如下:

        1)隨著應變量的增加,奧氏體阻抗由于位錯密度增加而單調(diào)降低。不銹鋼表面鈍化膜的阻抗對位錯結(jié)構(gòu)不敏感。

        2)陽極電流密度隨著應變量增加而增加,在30%應變下達到最大值,隨后應變增加陽極電流密度又顯著降低。根據(jù)計算結(jié)果,位錯密度在低應變水平下增加陽極電流密度有著重要作用。在更高的應變水平下(大于10%),位錯堆積對電流密度有顯著影響。

        參 考 文 獻

        [1] Wachter O,Brummer G.Experiences with austenitic steels in boiling water reactors[J].Nuclear Engineering and Design,1997,168(1-3):35-52.

        [2] Peguet L,Malki B,Baroux B.Influence of cold working on the pitting corrosion resistance of stainless steels[J].Corrosion Science,2007,49(4):1933-1948.

        [3] Estrin Y,Tóth L S,Molinari A,et al.A dislocationbased model for all hardening stages in large strain deformation[J].Acta Materialia,1998,46(15):5509-5522.

        [4] Shintani T,Murata Y.Evaluation of the dislocation density and dislocation character in cold rolled type 304 steel determined by profile analysis of X-ray diffraction[J].Acta Materialia,2011,59(11):4314-4322.

        [5] Sahal M,Creus J,Sabot R,et al.The effects of dislocation patterns on the dissolution process of polycrystalline nickel[J].Acta Materialia,2006,54(8):2157-2167.

        [6] Gutman E M,Solovioff G,Eliezer D.The mechanochemical behavior of type 316L stainless steel[J].Corrosion Science,1996,38(7):1141-1145.

        [7] Mughrabi H,Ungar T.Dislocations in solids[M].Am-sterdam:Elsevier,2002:343.

        [8] Olson G B,Cohen M.A mechanism for the strain-induced nucleation of martensitic transformations[J].Journal of Less-Common Metals,1972,28(1):107-118.

        [9] Das A,Sivaprasad S,Ghosh M,et al.Morphologies and characteristics of deformation induced martensite during tensile deformation of 304 LN stainless steel[J].Materials Science and Engineering:A,2008,486(1-2):283-286.

        [10] Das A,Tarafder S.Experimental investigation on martensitic transformation and fracture morphologies of austenitic stainless steel[J].International Journal of Plasticity,2009,25(11):2222-2247.

        [11] Huanga Y H,Xuana F Z,Tua S T,et al.Texture and grain growth characteristics in a boron added interstitial free steel after severe cold rolling and annealing[J].Materials Science and Engineering:A,2011,528(3):1882-1888.

        [12] Garcia C,Martin F,Tiedra P D,et al.Effects of prior cold work and sensitization heat treatment on chloride stress corrosion cracking in type 304 stainless steels[J].Corrosion Science,2001,43(8):1519-1539.

        [13] Nazari A,Mohandesi J A,Tavareh S.Microhardness profile prediction of a graded steel by strain gradient plasticity theory[J].Computational Materials Science,2011,50(5):1781-1784.

        [14] Gutman E M.Mechanochemistry of materials[M].London: Cambridge International Science Publishing,1998:205.

        [15] Grubac Z,Metikos-Hukovic M.EIS study of solid-state transformations in the passivation process of bismuth in sulfide solution[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2004,565(1):85-94.

        [16] Qiao Y X,Zheng Y G.Electrochemical behaviour of high nitrogen stainless steel in acidic solutions[J].Corrosion Science,2009,51(5):979-986

        [17] Rangel C M,Silva T M,Belo M.Semiconductor electrochemistry approach to passivity and stress corrosion cracking susceptibility of stainless steels[J].Electrochim Acta,2005,50(25-26):5076-5082.

        [18] Lv J L,Luo H Y.Electrochemical investigation of passive film in pre-deformation AISI 304 stainless steels[J].Applied Surface Science,2012,263:29-37.

        [19] Lee J B,Yoon S I.Effect of nitrogen alloying on the semiconducting properties of passive films and metastable pitting susceptibility of 316L and 316LN stainless steels[J].Materials Chemistry and Physics,2010,122(1):194-199.

        [20] Sato N.Electrochemistry at metal and semiconductor electrodes[M].Amsterdam:Elsevier,1998:79-81.

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