自上世紀八十年代人們提出納米材料的概念以來，納米粉體和薄膜材料已得到廣泛應用。然而，塊體納米/超微晶金屬結構材料的大規模產業化仍面臨挑戰。其中一個關鍵原因是，應力與腐蝕交互作用導致納米/超微晶金屬結構材料在服役過程中力學和耐腐蝕性能難以同時提高。
中國科學院金屬研究所王勝剛及其合作者利用深度軋制技術制備出納米晶304不銹鋼板材(NCP-304，整體納米化)。前期工作表明，與普通304不銹鋼(TPC-304)相比，NCP-304點腐蝕和均勻腐蝕阻力提高(腐蝕速率降低，鈍化膜擊穿電位提高了400 mV，鈍化區間變寬370 mV)。 NCP-304抗高溫氧化(900 °C空氣中) 和耐應變疲勞(應變范圍0.2%- 1.4%)性能提高。應力腐蝕(應變速率2.5 × 10?6 s-1)實驗表明，室溫空氣中，與TPC-304比較，NCP-304屈服和抗拉強度分別提高1520 MPa和458 MPa；室溫1 mol/L HCl溶液中，屈服和抗拉強度分別提高1487 MPa和591 MPa。NCP-304在空氣和1 mol/L HCl溶液中延伸率分別為42% 和30%，NCP-304抗應力腐蝕性能提高。
近期，研究人員發現，與TPC-304相比(應變速率1.52 × 10-4 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范圍內)，NCP-304屈服和抗拉強度分別提高303 MPa - 429 MPa和96 MPa - 166 MPa，延伸率為36.5% - 52.1%。NCP-304拉伸性能的應變速率敏感性低于TPC-304。在2 mol/L HCl溶液中室溫浸泡25天，拉斷后的NCP-304耐點腐蝕性能提高，腐蝕速率小于拉斷后的TPC-304，腐蝕性能的應變速率敏感性低于拉斷后的TPC-304。NCP-304 表面形變機理不變，TPC-304表面形變機理與應變速率有關。
因此，在應變速率2.5 × 10?6 s-1 - 7.60 × 10-2 s-1范圍內，無論是否涉及應力與腐蝕交互作用，納米晶304不銹鋼力學和耐腐蝕性能同時提高，應變速率敏感性降低。通過控制軋制總形變量、每道次形變量和軋制溫度，研究人員獲得無馬氏體和微觀組織結構均勻的納米晶304不銹鋼板材。這是降低應力與腐蝕交互作用對其力學和耐腐蝕性能負面影響，同時提高力學和耐腐蝕性能的關鍵因素。研究人員提出從納米晶和普通304不銹鋼價電子結構角度理解力學與腐蝕性能，這為材料科學理解不同性能，獲得更為普適的理論或者觀點提供新途徑。研究過程中價電子結構表征方法和相關觀點也被其他學者用于理解其他材料腐蝕性能。上述研究結果有利于促進納米晶304不銹鋼板材產業化，有助于推動與304不銹鋼相關器件和裝備的輕量化、長壽命與節能。
這些新的研究結果發表在Sustainable?Materials?and?Technologies?45?(2025)?e01623。
本工作得到國家自然科學基金等項目的支持。
圖1. 納米晶和普通304不銹鋼應變疲勞、電化學腐蝕、應力腐蝕和高溫氧化性能
圖2. 應變速率對拉伸(納米晶和普通304不銹鋼)和腐蝕(拉斷后的納米晶和普通304不銹鋼)性能的影響
